提到“瞬間傳輸”,，不少人腦子里會(huì)浮現(xiàn)起《星際迷航》,。雖然我們目前離瞬間傳輸人類還很遙遠(yuǎn)，但中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)借助量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”,，實(shí)現(xiàn)了地星之間量子態(tài)的“瞬間傳輸”。

北京時(shí)間8月10日凌晨,，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》報(bào)道了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的兩項(xiàng)最新成果,，其中一項(xiàng)就是地星之間的量子隱形傳態(tài),。

科幻劇《星際迷航》中瞬間傳送人類畫面。

論文的第一作者,、中科大上海研究院任繼剛副研究員向澎湃新聞（www.thepaper.cn）強(qiáng)調(diào),，量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身,，遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是未來實(shí)現(xiàn)大尺度分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元,。

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(jí)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(jí)上的突破。
量子是物理學(xué)中不可再分的基本單元,，由德國(guó)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?cè)诹孔拥氖澜缰校l(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(duì)其進(jìn)行觀測(cè)），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)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(duì)粒子也被稱為“EPR”對(duì)。
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?。終其一生,，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(hào)”衛(wèi)星將糾纏光子對(duì)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(duì)A和B,，將其中一個(gè)光子B分發(fā)給“墨子號(hào)”衛(wèi)星,，組成一條隱形傳態(tài)的信道?？蒲腥藛T同時(shí)對(duì)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(cè)量”（BSM）。根據(jù)量子的一些基本特性,，光子C和A經(jīng)過測(cè)量之后,，他們的量子態(tài)會(huì)改變，與A處于糾纏態(tài)的B也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,。在得到某一個(gè)測(cè)量結(jié)果時(shí),，光子B恰好會(huì)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(dòng)”,。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(cè)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(cè)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(duì)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(guó)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(hào)”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(guó)家的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,。”
從衛(wèi)星上下行的光束,，先經(jīng)過長(zhǎng)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(dòng),，對(duì)接收效果影響并不大。而從地面“上傳”,，光束會(huì)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(dòng)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(cè)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(cè)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(tái)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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