量子十問之三：量子技術(shù)能將人“瞬間”轉(zhuǎn)移到別的星球上嗎？

經(jīng)常聽到有人議論，“‘量子技術(shù)’太神奇，可以實現(xiàn)時空穿越，將人‘瞬間’轉(zhuǎn)移到別的星球上！”果真如此嗎？這一問我們就稍微仔細(xì)得討論這個問題。這些說法主要依據(jù)所謂“量子隱形傳態(tài)”這個經(jīng)典物理無法做到的神奇過程。

　　量子隱形傳態(tài)

　　量子隱形傳態(tài)的英文是“QuantumTeleportation”。先說一下，“Teleportation”的含義是“遠(yuǎn)距傳物”，通常在科幻電影或神話小說中出現(xiàn)，人或物在某地突然消失，瞬間在遠(yuǎn)處重現(xiàn)。現(xiàn)實中當(dāng)然無法做到，但“量子糾纏”出現(xiàn)后，科學(xué)家提出“量子隱形傳態(tài)”的方案，可以使量子信息或者稱量子態(tài)在某處消失，隨后在遠(yuǎn)處重現(xiàn)，有點像上述神話中的“遠(yuǎn)距傳物”。具體過程如下：

　　Alice有個粒子C，處于量子態(tài)|ψ?c她希望將此量子信息|ψ?c傳送給遠(yuǎn)處的Bob，但信息載體C本身仍保留在Alice處。設(shè)A、B是來自于糾纏源的兩個例子，分別傳送給Alice和Bob，由于A和B處于糾纏態(tài)，因此Alice和Bob就有了一個量子關(guān)聯(lián)的通道，只要一方被測量，另一方的量子態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)的變化，此時，Alice處擁有兩個彼此獨立的粒子A和C，她對A、C進(jìn)行一種所謂的Bell態(tài)測量，這種測量可能有四種結(jié)果（即四個不同的Bell態(tài)），各自概率為1/4。Alice做一次測量，獲得其中一個結(jié)果（即某個Bell態(tài)），隨后，它將測量結(jié)果經(jīng)由一個經(jīng)典通道傳送給Bob，Bob獲取此經(jīng)典信息后，對粒子B實施相應(yīng)的操作，結(jié)果粒子B便處于量子態(tài)|ψ?c上，亦即量子態(tài)從C傳給了B，這就是所謂的“量子隱形傳態(tài)”。這個過程中，Alice和Bob可以完全不知|ψ?c是什么態(tài)，C和B也可以不是同一類的量子客體。

　　Alice對A、C實施Bell態(tài)測量后，ABC整個量子系統(tǒng)究竟發(fā)生了什么改變？

　　1.C的量子態(tài)改變了，亦即原來量子態(tài)|ψ?c消失了，C處于別的量子態(tài)；

　　2.A、B不再處于糾纏態(tài)，AB之間量子關(guān)聯(lián)中斷了；

　　3.B處于四種可能的量子態(tài)之一，究竟是哪個量子態(tài)取決于A、C的Bell態(tài)測量的具體結(jié)果；

　　4.A與C處于四種可能的糾纏態(tài)，各自概率為1/4。

　　在“量子隱形傳態(tài)”過程中，量子態(tài)|ψ?c究竟是怎么被傳送到B上呢？我們無法按通常的傳送信息方式來想象這個過程，正因為如此，故采用“隱形”來描述這種狀況。一般理解說，|ψ?c的信息被分成兩部分，一部分經(jīng)由AB的糾纏量子通道傳到B，另一部分是測量所得的經(jīng)典信息經(jīng)由經(jīng)典通道傳送給B。Bob實質(zhì)上是將兩部分糾結(jié)起來，使量子態(tài)|ψ?c|ψ?c精確地賦予B粒子。單獨從量子通道或經(jīng)典通道獲得信息都無法實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，因此在這個過程中，兩個通道是必不可少的。既然必須采用經(jīng)典通道傳輸信息，這個過程的實現(xiàn)決不可能超光速。所以，量子隱形傳態(tài)決不可能是“瞬時”的，不會發(fā)生超光速現(xiàn)象。

　　另一點特別要強(qiáng)調(diào)的是，A、B、C都應(yīng)當(dāng)是量子客體，它們可以不屬同一類，可以分別是光子、原子、電子等，但都遵從量子力學(xué)規(guī)律。結(jié)論是，量子隱形傳態(tài)是量子客體之間的一種“非瞬時的”量子信息傳送的過程。

　　這個結(jié)論否定了經(jīng)典客體之間實現(xiàn)這種隱形傳送信息的可能性。經(jīng)典信息的傳送必須有物理載體的攜帶才能實現(xiàn)，這種物理載體可以是聲波、電磁波（包括光波）、引力波等。

　　當(dāng)然，如果C不是單個粒子，而是由許多粒子構(gòu)成的復(fù)雜量子客體，而量子態(tài)可以表達(dá)為|ψ?c，我們同樣可以經(jīng)由量子隱形傳態(tài)將|ψ?c傳送給B。

　　如果C不是量子客體而是無法用量子態(tài)描述的經(jīng)典客體，而A、B是量子客體，那么C所攜帶的經(jīng)典里的經(jīng)典信息仍然無法用此方式傳送到Bob處而保持C仍留在原處。此外，量子隱形傳態(tài)僅僅傳送量子客體C所攜帶的量子信息（即量子態(tài)），量子客體C并未消失，因此不能說，如果B與C是同類物質(zhì)就可實現(xiàn)量子客體從某處傳送到另處。自然客體具有“物質(zhì)、能量、信息”三要素，只有這三個要素都消失才可以說該客體被消失了。

　　至此，我們就可很容易地回答本文的命題了，答案是量子技術(shù)不可能將人“瞬間”地轉(zhuǎn)移到別的星球！即使是非瞬時地采用此過程也不能將僵尸、棉衣之類的傳送到別的星球！

　　“量子隱形傳態(tài)”是量子糾纏的一種奇妙應(yīng)用，并被實驗所驗證。這個過程已成為量子通信等的重要物理基礎(chǔ)，已開辟出具有潛在應(yīng)用價值的新技術(shù)。

　　量子糾纏

　　量子糾纏是量子技術(shù)的重要資源，是量子計算機(jī)、量子模擬等重大應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。那么，如何產(chǎn)生量子糾纏呢？現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)掌握許多制備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是將一束激光照射到非線性晶體上便能產(chǎn)生糾纏光子對。當(dāng)然，這種糾纏光子源屬概率性的。這種參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的許許多多光子對中才會有一對光子是糾纏的，人們甚至無法預(yù)先知道哪一對是糾纏光子，只能采用能確定糾纏的探測裝置來加以識別，但一旦確認(rèn)該光子對是糾纏的，糾纏也會因此測量而消失。這種后測量制備的糾纏應(yīng)用是有限的。理想的應(yīng)當(dāng)是確定性糾纏源，即每次僅產(chǎn)生一對光子，而且他們必定處于糾纏態(tài)。例如，具有合適能級結(jié)構(gòu)的單個量子點，將其激發(fā)到某個特定上等級，它會躍遷到某個中間能級，伴隨著發(fā)射出一個光子，隨后又從中間能級躍遷到下能級，發(fā)射出另一個光子，而且兩個光子處于糾纏態(tài)。

　　兩個獨立的粒子不糾纏，通過某種非線性相互作用，兩個粒子可以處在糾纏態(tài)上，這種非線性作用的途徑有許多：

　　兩個糾纏光子分別入射到兩個獨立量子客體（例如，冷原子系綜、固態(tài)量子存儲器等），可以使這兩個量子客體變成量子糾纏；

　　在上述量子隱形傳態(tài)中，Alice對相互獨立的粒子A和C實施Bell態(tài)測量，便使A和C成為糾纏態(tài)；量子處理器中的量子受控非門可以使輸入的兩個量子比特在輸出端成為糾纏態(tài)，等等。

　　量子糾纏盡管奇妙無比，用途廣泛，但它卻有天然的致命傷——量子糾纏十分脆弱，環(huán)境會不可避免地破壞其量子特性而使“糾纏”消失掉，即兩個糾纏的量子客體最終會演化為不糾纏的狀態(tài)，非局域關(guān)聯(lián)完全斷開。所謂環(huán)境不僅包括經(jīng)典噪聲，諸如熱運(yùn)動、吸收、散射等，還包括量子噪聲，即真空起伏，即使我們有辦法將經(jīng)典噪聲完全隔絕，量子噪聲仍無法消除，而且無處不在。這種環(huán)境引起的量子性消失，被稱為“消相干”（或“退相干”）?！跋喔伞笔恰傲孔酉喔尚浴钡奶鞌?！

　　量子器件是一種人造的量子系統(tǒng)，“消相干”是實際量子器件應(yīng)用的主要障礙，必須采取措施加以克服。例如通用量子計算機(jī)必須采用量子糾錯和容錯來克服消相干的影響，遠(yuǎn)程量子通信必須采用量子中繼來建立遠(yuǎn)距離的糾纏通道等等。（中國科學(xué)院量子信息重點實驗室）

　　轉(zhuǎn)自：C114通信網(wǎng)

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