量子傳輸

量子隱形傳輸並不僅僅是科幻小說裡面的故事。它是真實的，並且已經存在了。或者至少，量子的隱形傳輸已經成為了可能：這是指量子態從一個地方到另一個地方的傳輸。

量子隱形傳輸的方式是把放射源放一起和發電機的原理一樣轉起來實現的！

使得這個技術成為可能的奇怪現象叫做量子糾纏，它是指對於某些特定的粒子而言，即使它們已經在空間上分離了，但它們之間仍然存在著的某種神秘連接。

這項技術的關鍵在於對於這一現象的控制。這不是項容易的工作，將革新計算和通訊的速度。很顯然，沒有什麼比即時通訊要更快了。要想象這樣的場景簡直是違背直覺的。

量子信息學就是以量子力學為基礎，重新審視主流的計算和通訊理論及其實現技術的嘗試，之所以用嘗試這個詞，是我認為這個學科的建立也還是在向經典信息理論妥協的結果。

今天量子信息學在其智力的觸角能伸到的地方已經取得了一些成果，其中容易理解的是量子比特的概念和隱形傳輸的通信技術，也就是前文的實驗。

在經典資訊理論中，信息量的基本單位是比特，一個比特代表經典二值系統（0，1）的一個取值的信息量。量子信息學中，基本單位是量子比特或稱為量子位，量子比特是一個雙態量子系統，這裡的雙態指的是兩個線性獨立態。在量子信息中，用作量子位實現的雙態系統就是光子。解釋一下，愛因斯坦是第一個認識到電磁輻射是以量子形式進行的，而且是以量子形式傳播的。

我們掌握了量子比特的概念，其實就獲得了一個更廣闊的物質財富效應，可以實現在比特領域無法想象的操作。

量子隱形傳態技術就是正在新興的通訊領域，利用量子糾纏現象，可以實現不發送任何量子位而把量子位的未知態（即這個態包含的信息）發送出去。這樣的凈結果，就是張三所擁有的“笑態=笑容+滑稽動作+搞笑服裝”，從張三處消失，並經過一個延遲（經典通訊和李四的操作時間），出現在李四那裡。張三位置不動，李四位置也沒有動，動的只是張三擁有的“笑態”，在李四處復活了。這在中國古代學術領域稱為“遁術”。

與小說中稱為“遠距取物”不同的是，這隻能稱為“遠距送物”，時間上送在先，復活在後。特別需要指出的是，上面的解說還受到線性的局限，理論上可以藉助量子的隱形傳態技術，傳輸任意複雜的量子態，包括這些態的組合。

比如量子密鑰分配等超乎經典資訊理論可以理解的人間奇迹。

量子信息學的進展不盡如人意，發展緩慢，主要原因是世界科學界自二戰以後，具有遠見的學術巨擘鳳毛麟角；其次，各國和社會均對此重視不夠，科學淪為經濟的頭飾；這樣才能有經費支持，有社會名聲。如果搞前瞻性的量子信息這樣的探索行為，在學科內部彼此學術交流都困難，更不用說和現實社會的交流了。

實際上，早在19世紀和20世紀之交時，物理學就完成了從牛頓力學向量子力學的轉型。遺憾的是，世界如故，各國的高考試題全部都在為經典數學和力學唱讚美詩。

由中國科大和清華大學組成的聯合小組在量子態隱形傳輸技術上取得的新突破，可能使這種以往只能出現在科幻電影中的“超時空穿越”神奇場景變為現實。

據聯合小組研究成員彭承志教授介紹，作為未來量子通信網路的核心要素，量子態隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸的不再是經典信息，而是量子態攜帶的量子信息。

“在經典狀態下，一個個獨立的光子各自攜帶信息，通過發送和接收裝置進行信息傳遞。但是在量子狀態下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關聯，並且可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現。量子態隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶著信息的糾纏的光子進行拆分，將其中一個光子發送到特定位置，這時，兩地之間只需要知道其中一個光子的即時狀態，就能準確推測另外一個光子的狀態，從而實現類似‘超時空穿越’的通信方式。”彭承志說。

據介紹，量子態隱形傳輸一直是學術界和公眾的關注焦點。1997年，奧地利蔡林格小組在室內首次完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖通道，成功地將量子“超時空穿越”距離提高到600米。但由於光纖通道中的損耗和環境的干擾，量子態隱形傳輸的距離難以大幅度提高。

2004年，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現更遠距離的量子通信。在自由空間，環境對光量子態的干擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層進入外層空間，其損耗更是接近於零，這使得自由空間通道比光纖通道在遠距離傳輸方面更具優勢。

據悉，該小組早在2005年就在合肥創造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。2007年開始，中國科大——清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子通道，並取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基於衛星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。

中國科學家日前曾經創造了97公里的量子遠距離傳輸世界紀錄，引起轟動，不過長江後浪推前浪。新浪科技援引美國物理學家組織網的報道稱，維也納大學和奧地利科學院的物理學家憑藉143公里的成績再創了新高，朝著基於衛星的量子通訊之路邁出了重要一步。

實驗中，奧地利物理學家安東-澤林格領導的一支國際小組成功在加那利群島的兩個島嶼——拉帕爾瑪島和特納利夫島間實現量子態傳輸，距離達到143公里，比中國的遠了46公里之多。

其實，打破傳輸距離並不是科學家的首要目標。這項實驗為一個全球性信息網路打下了基礎，在這個網路，量子機械效應能夠大幅提高信息交換的安全性，進行確定計算的效率也要遠遠超過傳統技術。在這樣一個未來的“量子網際網路”，量子遠距傳輸將成為量子計算機之間信息傳送的一個關鍵協議。

在量子遠距傳輸實驗中，兩點之間的量子態交換理論上可以在相當遠的距離內實現，即使接收者的位置未知也是如此。量子態交換可以用於信息傳輸或者作為未來量子計算機的一種操作。在這些應用中，量子態編碼的光子必須能夠傳輸相當長距離，同時不破壞脆弱的量子態。奧地利物理學家進行的實驗讓量子遠距傳輸的距離超過100公里，開闢了一個新疆界。

參與這項實驗的馬小松(Xiao-song Ma音譯)表示：“讓量子遠距傳輸的距離達到143公里是一項巨大的技術挑戰。”傳輸過程中，光子必須直接穿過兩座島嶼之間的湍流大氣。由於兩島之間的距離達到143公里，會嚴重削弱信號，使用光纖顯然不適合量子遠距傳輸實驗。

為了實現這個目標，科學家必須進行一系列技術革新。德國加爾興馬克斯-普朗克量子光學研究所的一個理論組以及加拿大沃特盧大學的一個實驗組為這項實驗提供了支持。馬小松表示：“藉助於一項被稱之為‘主動前饋’的技術，我們成功完成了遠距傳輸，這是一項巨大突破。主動前饋用於傳輸距離如此遠的實驗還是第一次。它幫助我們將傳輸速度提高一倍。”在主動前饋協議中，常規數據連同量子信息一同傳輸，允許接收者以更高的效率破譯傳輸的信號。

澤林格表示：“我們的實驗展示了當前量子技術的成熟程度以及擁有怎樣的實際用途。第一個目標是基於衛星的量子遠距傳輸，實現全球範圍內的量子通訊。我們在這條道路上向前邁出了重要一步。我們將在一項國際合作中運用我們掌握的技術，中國科學院的同行也會參與這項合作。我們的目標是實施一項量子衛星任務。”

2002年以來就與澤林格進行量子遠距傳輸實驗的魯珀特-烏爾森指出：“我們的實驗取得了令人鼓舞的成果，為未來地球與衛星之間或者衛星之間的信號傳輸實驗奠定良好基礎。”處在低地球軌道的衛星距地面200到1200公里。(國際空間站距地面大約400公里)烏爾森說：“在從拉帕爾瑪島傳輸到特納利夫島，穿過兩島間大氣過程中，我們的信號減弱了大約1000倍。不過，我們還是成功完成了這項量子遠距傳輸實驗。在基於衛星的實驗中，傳輸數據更遠，但信號穿過的大氣也更少。我們為這種實驗奠定了一個很好的基礎。”

傳統計算機採用的是0與1的二進位計算，二進位很容易以電路的開與關，或者高電平與低電平表示。而量子計算則用一個個量子態代替了傳統計算機的二進位計算位，稱之為“量子位”(qubit)。可以用量子態的正向和反向自旋分別代表0與1。與傳統計算機不同的是，量子態可以處於0和1的“線性疊加態”，這使得同時計算能力比傳統計算機有極大的提升。但是一直以來最大的問題在於，量子計算機的核心，即用於運算的量子態本身極易受到擾動，使得計算失敗。所以關鍵就在於如何找到一種方法，使得量子系統不受外界因素的擾亂。

使用一種稱之為“量子退火”的技術，能夠找到8個超導流量子位的基態，使之不被熱運動或者雜訊擾亂。既然許多複雜的問題最後都可以歸結為尋找一個相互作用的自旋系統的基態，量子退火則已經有望解決一些形式的複雜問題了。

調整8個量子位，使其排成一列。由於特定方向的自旋會產生特定方向的磁場，讓每一個量子位的自旋和它左右相鄰的兩個保持同一方向（向上或者向下）。把兩端的量子位調整為反向，並允許中間6個量子位根據它們各自相鄰的量子位，重新調整自旋方向。由於外力強制了那兩個量子位自旋反向，這一調整過程最終變成一個“受阻”的鐵磁體陣列。通過向同一方向傾斜量子位並升高能壘，最終使得該系統演化成了一種特殊的受阻自旋陣列即為基態。

量子位可以通過兩種方式改變自旋方向：通過量子力學的隧穿機制，或者通過經典的熱運動。由於加熱會破壞量子位的量子性質，必須使用一種純粹通過隧穿效應使得自旋反轉的方法。使用冷卻系統，直到隧道和熱運動導致的轉換都已經停止，量子位被“凍結”。通過在不同溫度下重複這一過程，就能夠確定如何只使用隧道效應完成量子退火。增加自旋的數量，可以使該系統提供一個物理上實際可行的方法來實現一些量子演演算法。研究人員如今正應對這一挑戰，並計劃將這一過程應用於，諸如機器學習和人工智慧之類的領域。

《星際迷航》中的量子隱形傳輸可以在數秒內完成人體傳輸，但現實理論認為這一過程的發生需要4500萬億年。

到目前為止，關於量子傳輸的研究僅僅停留在理論探索階段，有研究人員表示該技術的掌握是宇宙先進文明的標誌，將徹底改變空間旅行的途徑，只需要量子傳輸就能進行空間旅行，根本不需要龐大而複雜的火箭。《星際迷航》中展示的量子傳輸技術可以應用於人體，從傳輸物品到人體顯然又是一個飛躍。

影片中傳輸人體的時間似乎只要一瞬，那麼現實中量子傳輸理論從A點到B點需要多長時間呢？來自英國萊斯特大學的一組物理研究小組試圖通過數學工具對其該課題進行探索，其中一名叫做大衛・斯塔基的研究人員稱：根據我們的研究結果，如果完成一次人體瞬間轉移需要的時間可能有點長，但是這種空間旅行方式仍然是可行的。那麼具體的時間大約會是多少呢？一秒鐘？一分鐘？還是一個小時？影片中企業號飛船的量子傳輸通道可以在幾秒鐘之內完成點對點的隱形傳輸，但現實理論計算表明這個時間需要4,500,000,000,000,000年！即4500萬億年！大約是宇宙年齡的350,000倍！

如果說星際迷航中的量子傳輸技術如同極速寬頻，那麼現實理論推導出的量子傳輸則更像撥號上網，實在是太慢了！研究人員進一步假設，如果我們通過技術手段將一個單位的人完成變成數據，那麼整個物理結構將達到2.6乘以10的42次方數量級，我們使用一個29.5至30千兆赫的帶寬，加上350,000倍的宇宙年齡（137億年），從宇宙誕生到如今只傳輸過一個單位的人。毫無疑問，根據人類當前掌握的量子傳輸理論，依然無法理解這項超級技術，能掌握量子瞬間傳輸技術的物種才可躋身宇宙先進文明行列。

量子糾纏可以用來通訊是常見誤區

1.糾纏態粒子雙方必須在約定好的時間上“同時”測量子在某一方向上的自旋，而這種自旋的狀態存在一種相關性（調整角度，可以達到100%正相關）

所以量子通信不可能達到超光速的信息傳遞

因為自旋的狀態是隨機的，比如1,0，-1，如果是完全正相關，在A點測的時候是1，B點也是1.但是A點的測試員不知道他會出現1還是0還是－1，這三個數字是隨機的，只不過AB兩點有超光速的“影響”而已

可以看做是一種糾纏態粒子之間的“加密”信息。。。

而且測量的時間必須是約定好的（如果參考系的運動速度有很大差異，要用狹義相對論修正約定的時間的），也就是說不能用測量間隔做信息傳遞的方式（相隔長時間測量和相隔短時間測量），因為如何測量都是約定好的。

2. 首先，你可以製造一個糾纏態，（足夠長的時間后）讓它可以在足夠遠的空間點之上產生關聯，但是一旦測量破壞了這個態（標準量子力學里這個態的破壞（塌縮）是瞬時傳遍全空間的，我們一般說的利用量子糾纏的超光速就是指這一步），你就不能重新（超光速的）在這兩點之間建立新的糾纏態。

我們要從量子態提取信息，就必須測量，一旦測量，糾纏態就會破壞，因此你如果要保持糾纏態，就不能對它進行測量。假設有一個糾纏態存在，在A進行測量，波函數塌縮了，這時B處的狀態的確發生了變化，但由於它本身並不處在一個測量行為中（否則波函數之前就塌縮了），因此在B處不可能實時得知這個變化，只有通過打電話之類的經典行為，A處的人至少得告訴B處的人已經做過測量了，B處的人再來進行測量，才有可能能得知A處傳過來的信息具體是什麼。

所以量子通信真正的優勢不是超光速，而是其保密性。理論上信息傳遞過程中是絕對安全的，敵人最多可以破壞通信，但是絕對無法截獲通信內容。

一個量子通訊的例子

為了完成一個量子傳輸的過程, 你需要準備:

1. 需要被傳輸的量子比特(Qubit). 比如一個量子態為|Φ>的光子;

2. 一個可以傳輸兩個傳統比特信息的普通通道. 例如無線電;

3. 一個可以產生一組EPR糾纏對的裝置. 例如通過BBO晶體的光子;

4. 一個可以進行貝爾態測量的裝置.

對於光量子通信來說，如果需要把信息從A地傳遞到B地，需要如下步驟:

1. 生成一對EPR糾纏的光子對，把它們分別分配到A地和B地。A地我們已經準備好了需要傳輸的光子|Φ>.

2. 對A地的兩個光子做貝爾態測量，使A地的兩個光子糾纏並坍塌到四種貝爾態的一種. 此時B地的光子狀態已經改變，而且它不再處於糾纏狀態.

3. 用傳統通道告訴B地的工作人員，剛才A地進行的貝爾測量得到的是四種結果中的哪一種.

4. B的工作人員通過得到的信息，對B地的光子做一個正變換，就能得到光子|Φ>的複製版本.

對於傳統的傳輸方式, 如果要傳輸光子|Φ>就需要對它進行測量，並傳遞相關參數。但是對於量子比特，測量必然會導致波函數坍塌，因此我們無法獲得|Φ>的準確參數，進而就無法完全複製它.

另外, 其實量子傳輸並不能用超過光速的速度傳遞實際信息. 雖然B地光子的狀態在A地進行貝爾測量的瞬間被改變了, 但我們還是需要使用貝爾測量的結果變換B的狀態才能得到需要的信息.

量子通信的理論原理

首先關於量子的“隱形”通道, 其實是處於糾纏狀態下的量子對. 一般我們使用比較容易處理的EPR糾纏對(最大糾纏). 此時量子對處於四種貝爾態的一種:

|Φ+> (AB)= (|00> + |11>) / sqrt(2);

|Φ->(AB) = (|00> - |11>) / sqrt(2);

|Ψ+>(AB) = (|01> + |10>) / sqrt(2);

|Ψ->(AB) = (|01> - |10>) / sqrt(2);

或者簡單地說他們狀態“必然一樣”或者“必然相反”. 當其中的一個狀態改變的時候，另外一個狀態也會立即相應地變化. 假設AB處於 |Φ+> (AB)的狀態:

|Φ+> (AB)= (|11> + |00>) / sqrt(2);

假設需要傳輸的量子比特是:

|Φ>(C) = α|0> + β|1> （α, β為複數，且|α|^2 + |β|^2=1);

因為C和EPR對A,B是不相關的，因此系統整體的狀態是:

|System> = |Φ+> (AB) ⊗ |Φ>(C)

= [(|11> (AB)+ |00>(AB)) / sqrt(2)] ⊗ [α|0> (C)+ β|1>(C)]

由於:

|11> = (|Φ+> - |Φ->)/sqrt(2);

|00> = (|Φ+> + |Φ->)/sqrt(2);

|01> = (|Ψ+> + |Ψ->)/sqrt(2);

|10> = (|Ψ+> - |Ψ->)/sqrt(2);

所以, 可以把系統波函數轉換為對於AC糾纏的貝爾基底:

|System> = 0.5( |Φ+>(AC) ⊗ (α|0>(B) + β|1>(B) ) + |Φ->(AC) ⊗ (α|0>(B) - β|1>(B) ) + |Ψ+>(AC) ⊗ (β|0>(B) + α|1>(B) ) + |Ψ->(AC) ⊗ (β|0>(B) - α|1>(B) ))

不難看出系統是以下幾種狀態的線性疊加:

|Φ+>(AC) ⊗ (α|0>(B) + β|1>(B) )

|Φ-> (AC) ⊗ (α|0>(B) - β|1>(B) )

|Ψ+>(AC) ⊗ (β|0>(B) + α|1>(B) )

|Ψ->(AC) ⊗ (β|0>(B) - α|1>(B) )

而且以上每種狀態的幾率幅相等. 所以，當對於AC進行貝爾測量的后，系統會坍塌到以上的一種狀態.

因為我們如果要使B的狀態和C相同, 既：α|0>(B) + β|1>(B), 只要使用對應的泡利矩陣變換就可以了.

所以當對AC的測量結果為|Φ+>(AC)時，B不需要任何變換;

當對AC的測量結果為|Φ->(AC)時，B的變換矩陣是[0 1 / 0 -1];

當對AC的測量結果為|Ψ+>(AC)時，B的變換矩陣是[0 1 / 1 0];

當對AC的測量結果為|Ψ->(AC)時，B的變換矩陣是[0 -1 / 1 0].

於是，量子傳輸就完成了.