量子糾纏態(tài)：超越光速的傳輸,？
在一個(gè)月以前,，潘建偉團(tuán)隊(duì)曾登上另一頂級期刊《科學(xué)》的封面。當(dāng)時(shí),，他們創(chuàng)下了世界量子糾纏分發(fā)距離的記錄，達(dá)到1200千米,，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級上的突破,。
量子是物理學(xué)中不可再分的基本單元，由德國物理學(xué)家普朗克在1900年首次提出,。比如,，光子就是量子性的，不存在“半個(gè)光子”的說法,。
科學(xué)家們在量子的世界中,，發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的現(xiàn)象。其中,，量子糾纏就是一種奇妙的表現(xiàn),，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián),，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進(jìn)行觀測）,，另一個(gè)的狀態(tài)會瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”,。比方說,，如果一個(gè)光子的偏振態(tài)是“向上”的，那么另一個(gè)光子的偏振態(tài)必然是“向下”的。
這個(gè)構(gòu)思源于愛因斯坦（Einstein）,、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）在頭腦里做的一個(gè)實(shí)驗(yàn),，因此，這樣的一對粒子也被稱為“EPR”對,。
在量子糾纏的幫助下,，量子態(tài)的塌縮是瞬間發(fā)生的。這就好比,，你去北京出差,，打開行李箱一看，只帶了一只左手的手套,。那么,，你立刻就能知道，落在上海家中的另一只手套肯定是右手的,。一個(gè)事件影響的傳播超過了光速,，這不符合定域?qū)嵲谡摗＝K其一生,，愛因斯坦都認(rèn)為量子力學(xué)是個(gè)不完備的理論,。
不過，后人在實(shí)驗(yàn)中成功地實(shí)現(xiàn)了量子糾纏,， “墨子號”衛(wèi)星將糾纏光子對分發(fā)到青海德令哈和云南麗江地面站,，更是刷新了量子糾纏的最遠(yuǎn)距離：1200公里。
量子隱形傳態(tài)：到底是什么“瞬移”了,？
這次,，潘建偉團(tuán)隊(duì)在量子糾纏的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，玩了一個(gè)更為匪夷所思的“魔術(shù)”：大變光子,。
首先,，科研人員在西藏阿里的地面站制備糾纏光子對A和B，將其中一個(gè)光子B分發(fā)給“墨子號”衛(wèi)星,，組成一條隱形傳態(tài)的信道,。科研人員同時(shí)對另一個(gè)地面上的光子C和A進(jìn)行一個(gè)操作,，稱為“貝爾態(tài)測量”（BSM）,。根據(jù)量子的一些基本特性，光子C和A經(jīng)過測量之后,，他們的量子態(tài)會改變,，與A處于糾纏態(tài)的B也會發(fā)生相應(yīng)變化。在得到某一個(gè)測量結(jié)果時(shí),，光子B恰好會變到光子C最初的狀態(tài),。
也就是說,，一個(gè)與原來的光子A狀態(tài)一模一樣的光子，出現(xiàn)在了衛(wèi)星上,，仿佛光子A完成了“瞬間移動”,。這里面有兩個(gè)值得注意的地方：首先，這并不是光子本身被轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星上,，原來的光子A還在地面上,，而且狀態(tài)已經(jīng)由于測量而改變了,。所以,，這中間并不存在“復(fù)制”的問題。
即使有朝一日,，科技的發(fā)展真的能實(shí)現(xiàn)人類的隱形傳態(tài),，我們也大可不必?fù)?dān)憂世界上存在“兩個(gè)我”的倫理問題。
另一方面,，在量子隱形傳態(tài)的過程中,，信息的傳播并沒有超過光速。如果信息的發(fā)送方想要通過衛(wèi)星這個(gè)中繼站,，把手中光子的量子態(tài)傳給另一個(gè)地面站的接收方,，那么他們需要通過傳統(tǒng)的通信渠道，比如電話,、短信或者互聯(lián)網(wǎng),，溝通貝爾態(tài)測量結(jié)果。
“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”
1993年,，IBM的查爾斯·本內(nèi)特（Charles H. Bennett）和其他5位科學(xué)家一起提出了量子隱形傳態(tài)的構(gòu)想,。值得一提的是，此次潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然》上的另一個(gè)實(shí)驗(yàn),，量子密鑰分發(fā),，也是基于本內(nèi)特和合作者在1984年提出的一個(gè)構(gòu)想。
1997年,，潘建偉在他的老師,、奧地利因斯布魯克大學(xué)的蔡林格（Anton Zeilinger）團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了單光子自旋態(tài)的傳輸。這篇題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》的論文后來入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”,，跟它并列的論文包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線,、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等,。
不過,，考慮到光子在光纖中的損耗率，量子隱形傳態(tài)的距離拓展一直十分艱難,。直到2004年,，蔡林格團(tuán)隊(duì)才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。2008年,，潘建偉團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)合作,，在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳態(tài)，相當(dāng)于此前世界紀(jì)錄的27倍,。
2012年,，潘建偉團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了97公里自由空間的量子態(tài)隱形傳輸。
2015年,，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài),，也就是說，傳輸了一個(gè)單光子的多個(gè)信息,。
2015年,，潘建偉團(tuán)隊(duì)多光子糾纏干涉成果獲得了2015年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
“上傳”與“下載”
自2005年加入潘建偉團(tuán)隊(duì)以來,，任繼剛就一直進(jìn)行量子隱形傳態(tài)的研究工作,，并參與了上述八達(dá)嶺和青海湖等實(shí)驗(yàn)。
在任繼剛看來,，在這次“墨子號”圓滿完成的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：量子糾纏分發(fā),、量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)中,，地星之間量子隱形傳態(tài)最大的挑戰(zhàn),，在于它是唯一一個(gè)從地面往上傳的實(shí)驗(yàn)。
“那兩個(gè)實(shí)驗(yàn)（量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā)）是從天上往地下發(fā),，地面上是大口徑的望遠(yuǎn)鏡接收,。這種大口徑的望遠(yuǎn)鏡，我們國家的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,?！?br/>從衛(wèi)星上下行的光束，先經(jīng)過長距離的真空,，再穿過最后十幾公里的近地面大氣層,，光斑直徑大約有十幾米。此時(shí)產(chǎn)生一些擾動,，對接收效果影響并不大,。而從地面“上傳”，光束會首先經(jīng)過大氣層的干擾,。
為此,，團(tuán)隊(duì)挑選了阿里這個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：海拔高，光束可以少“走”一些路,，年均降水少,，空氣干燥,，人類活動的干擾較少。不過,，研究人員也不得不接受惡劣的自然條件的挑戰(zhàn),。
在這次實(shí)驗(yàn)中，量子糾纏和貝爾態(tài)測量都是在阿里的地面站中進(jìn)行的,。下一步,，團(tuán)隊(duì)將先進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，再進(jìn)行貝爾態(tài)測量,，實(shí)現(xiàn)地面站之間的量子隱形傳態(tài),。
我們當(dāng)然可以暢想，未來有一天,，我們站在地面的機(jī)器里,，說出《星際迷航》中的那句經(jīng)典臺詞：“Beam me up.”（傳送我吧）,。我們的身體被分解成無數(shù)粒子,，然后這些粒子的狀態(tài)被傳送給衛(wèi)星里的粒子。這時(shí),，一個(gè)“我”在地面上被分解了,，一個(gè)“我”在衛(wèi)星上重構(gòu)。
不過,，量子隱形傳態(tài)目前處于十分初期的發(fā)展階段,，因而，我們還無需過早地操心“衛(wèi)星上的那個(gè)我還是不是我”這種哲學(xué)問題,。

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