當(dāng)一個(gè)人進(jìn)入一間屋子，一按電鈕，屋子空了。同時(shí)，這個(gè)人出現(xiàn)在了遠(yuǎn)在幾百光年外的另一間屋子，科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)的“超時(shí)空穿越”讓人們大開(kāi)眼界。這種幻想是否能夠?qū)崿F(xiàn)呢？?

　　如果大家看過(guò)《星際迷航》，相信您對(duì)電影中的人體瞬間轉(zhuǎn)移一定不陌生。電影里，“企業(yè)號(hào)”飛船上的成員們?cè)谝慌_(tái)科技裝置中，身體忽然一閃，便消失得無(wú)影無(wú)蹤，之后他會(huì)出現(xiàn)在任何一處希望抵達(dá)的地點(diǎn)，甚至是外星球。電影讓長(zhǎng)距離移動(dòng)看起來(lái)似乎輕而易舉。雖然這些能力是虛構(gòu)出來(lái)的，但自從科研人員研究發(fā)現(xiàn)“量子遠(yuǎn)距傳輸”技術(shù)后，或許實(shí)現(xiàn)“瞬時(shí)移動(dòng)”不再那么遙不可及。?

　　量子遠(yuǎn)距離傳輸并不僅僅是科幻小說(shuō)里面的故事，它是真實(shí)的，并且已經(jīng)存在了。或者至少，量子的隱形傳輸已經(jīng)成為了可能。?

　　“量子遠(yuǎn)距傳輸”簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是量子態(tài)從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的傳輸。?

　　傳輸?shù)牧孔討B(tài)如同科幻小說(shuō)中描繪的“超時(shí)空穿越”，在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現(xiàn)。?

　　2010年6月1日，在英國(guó)《自然光子學(xué)》期刊上發(fā)表的中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)最新研究成果，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破后，我國(guó)已成功實(shí)現(xiàn)16公里距離的量子態(tài)隱形傳輸，這比原世界紀(jì)錄提高了20多倍。通俗的來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)量子態(tài)在一個(gè)地方消失，又在另一個(gè)地方出現(xiàn)，兩個(gè)地方的距離已經(jīng)達(dá)到16公里。?

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)，由中國(guó)科技大學(xué)與清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組完成，實(shí)驗(yàn)中一個(gè)量子態(tài)在八達(dá)嶺消失后，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何載體，就瞬間出現(xiàn)在了16公里以外。這是量子態(tài)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊粋€(gè)重大飛躍。?

　　那么，信息的瞬間傳遞能不能發(fā)展到實(shí)物的瞬間傳遞？甚至發(fā)展到生命體的瞬間傳遞呢？?

　　或許我們真的很想把這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為瞬間移動(dòng)，但它還不能算，至少現(xiàn)在還不能算。我們可以把量子態(tài)理解為一種信息量，但它并不是實(shí)體。其實(shí)，量子隱形傳輸與科幻電影《星際迷航》及其他科幻小說(shuō)中描述的“瞬間移動(dòng)”，還是有很大差距的。?

　　科幻電影中的“瞬間移動(dòng)”通常是分解一個(gè)物質(zhì)對(duì)象，通過(guò)空間傳輸分子物質(zhì)，然后再另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方立即且完美地重組這個(gè)物質(zhì)實(shí)體。而量子隱形傳輸，不分解和重組任何對(duì)象，不涉及任何物質(zhì)的移動(dòng)。?

　　另外，這項(xiàng)技術(shù)只運(yùn)用于單一量子粒子層面，例如，光子、電子、原子等。量子隱形傳輸與真正的物質(zhì)瞬間移動(dòng)雖然差的還很遠(yuǎn)，不過(guò)，卻有一種微妙的魔力。量子隱形傳輸能夠立即將一個(gè)粒子的量子態(tài)傳輸?shù)饺我庖粋€(gè)未知的位置，卻不傳送粒子本身。作為未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素，量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息。?

　　聽(tīng)起來(lái)，這確實(shí)是一個(gè)難以令人理解的研究領(lǐng)域。想要弄清楚其中的奧秘，還得從量子說(shuō)起。?

　　量子是不可分的最小能量單位，“光量子”就是光的最小單位。?

　　在奇特的量子世界里，量子存在一種奇妙的“糾纏”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用“鬼魅般的超距作用”來(lái)形容“量子糾纏”。?

　　在量子物理的世界中，兩個(gè)或兩個(gè)以上處于糾纏態(tài)的粒子，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，都能“感知”和影響對(duì)方的狀態(tài)。?

　　中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室彭承志教授，把一對(duì)糾纏狀態(tài)下的光子比作有著“心電感應(yīng)”的兩個(gè)粒子。再用個(gè)更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對(duì)“心有靈犀”的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個(gè)骰子，甲隨意擲一下骰子是5點(diǎn)，與此同時(shí)，乙手中的骰子會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到5點(diǎn)。當(dāng)甲剛剛擲出了5點(diǎn)，乙即便不用攤開(kāi)手掌，也可以知道自己手邊這個(gè)“心電感應(yīng)”的骰子也成了5點(diǎn)。這一切源于量子的“糾纏”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。彭承志教授介紹說(shuō)：“在經(jīng)典狀態(tài)下，一個(gè)個(gè)獨(dú)立的光子各自攜帶信息，通過(guò)發(fā)送和接收裝置進(jìn)行信息傳遞。但是在量子狀態(tài)下，兩個(gè)糾纏的光子互為一組，互相關(guān)聯(lián)，并且可以在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對(duì)攜帶著信息的糾纏光子進(jìn)行拆分，把其中一個(gè)光子發(fā)送到特定位置，這時(shí)，兩地之間只需要知道其中一個(gè)光子的即時(shí)狀態(tài)，就能準(zhǔn)確推測(cè)另外一個(gè)光子的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似‘超時(shí)空穿越’的通信方式。”?

　　在量子糾纏理論中，兩個(gè)相互糾纏的量子對(duì)，即使一個(gè)在地球一個(gè)在月球，只要你觀測(cè)到了其中一個(gè)量子的狀態(tài)，另一個(gè)量子也會(huì)瞬間產(chǎn)生相同的改變。利用這種“鬼魅般的超距作用”，量子通信就可以把另一個(gè)粒子的未知量子態(tài)，傳送到遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)，而不用傳送這個(gè)粒子本身。?

　　這聽(tīng)起來(lái)就像一場(chǎng)魔術(shù)表演。很顯然，前面的舉例中，甲和乙之間傳送的只是類(lèi)似“轉(zhuǎn)成5點(diǎn)”之類(lèi)的信息，而不是實(shí)物。一位參加這項(xiàng)研究的科學(xué)家說(shuō)道：“我們對(duì)世界的了解仍然不夠透徹。很多人都認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功代表著超時(shí)空穿越可能實(shí)現(xiàn)。但是，現(xiàn)在還不知道應(yīng)該如何通過(guò)隱形傳輸?shù)姆绞絺魉蛯?shí)物，更不用說(shuō)生命體了。不過(guò)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)意義重大，科技發(fā)展的速度有多快誰(shuí)能知道呢？就好像打算盤(pán)時(shí)的人們永遠(yuǎn)想不到，在不久的將來(lái)，人類(lèi)發(fā)明出了每秒運(yùn)行幾千億次的電子計(jì)算機(jī)?！?

　　我國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造的這段16公里的量子態(tài)旅程，刷新了當(dāng)時(shí)新的世界紀(jì)錄。這一切源于研究者對(duì)量子通信信道從光纖信道到自由空間信道的改變。下面，我們來(lái)聽(tīng)聽(tīng)這段量子態(tài)旅程的研究過(guò)程。?

　　早在2004年，中科大潘建偉、彭承志等研究人員，就開(kāi)始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。在自由空間里，環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光子一旦穿透大氣層進(jìn)入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更有優(yōu)勢(shì)。?

　　2005年，研究小組在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)的世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。然后，從2007年開(kāi)始，中科大—清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)了長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性。?

　　事實(shí)上，除了遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)驗(yàn)之外，在2012年的8月份，潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”提供了技術(shù)支持。潘建偉教授介紹說(shuō)：“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將能達(dá)到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳輸問(wèn)題?！?

　　到了2015年，潘建偉教授與同事組成研究小組，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來(lái)，量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，這為發(fā)展可擴(kuò)展的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)做好了充分準(zhǔn)備。?

　　2016年，潘建偉團(tuán)隊(duì)自主研制的，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，這也標(biāo)志著世界首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子通信，意味著我國(guó)量子保密通信技術(shù)取得了重大進(jìn)展。?

　　這么多年來(lái)，我國(guó)在科學(xué)技術(shù)上的快速發(fā)展是世界有目共睹的。今天，我們?cè)诹孔觽鬏斞芯款I(lǐng)域獲得的世界領(lǐng)先技術(shù)成果，離不開(kāi)眾多默默耕耘的科研工作者，我們應(yīng)該向他們致敬，為祖國(guó)自豪。?



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話(huà)框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)