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這個問題詳細解釋一下。
量子瞬時傳輸技術科普，保證讓你看懂！
袁蘭峰
2015年3月，有消息稱“中國科學技術大學潘建偉項目組在量子瞬時傳輸技術方面取得重大突破”（中國科學技術大學潘建偉項目組已量子瞬時傳輸技術取得重大突破）。 該成果隨后被英國物理學會評為2015年物理學十大突破第一名，并被中國科技部評為2015年中國十大科學進展第一名。 這個消息一出，不少人都激動不已，圍觀的人群也擠滿了人。 什么樣的興奮方法？ 有兩種最常見的反應。 一是：“你說的每一個字我都認識，但你說的我什么都聽不懂！比如！！” 可以縮寫為“未知意識”。 另一條是：“到了公交車站，刷卡物理學家拉摩，選擇位置，‘biu’的一聲就出現了目的地公交車站！太棒了！” 它可以縮寫為“傳送”。 事實上，這兩種反應都被小編誤導了。 因為小編的圖片是《星際迷航》中的隱形傳物裝置（他們每一篇涉及量子隱形傳態的報道都會有這張圖片），所以后者很重視。 前者可能仔細閱讀了這份報告，發現它無法連接成一個完整的故事。 沒辦法，懂科學原理的編輯不多，我能想到的“日常生活”對等詞就只有這個“beam me up”了。 真的要專業人士做精準科普嗎？
星際迷航中的傳送裝置
我的專業是理論物理化學，所以量子信息不是我應該科普的東西。 不過我至少比大眾了解多一點，我咨詢了潘建偉院士課題組的同事陳博士。 雖然陳博士不是這篇文章的作者，并且多次聲稱他不是這樣做的，并且對整個量子信息的了解有限（這是科研人員的標準態度，每一個證據都不言而喻） ，但是他還是提供了很多深入的解釋，非常感謝。 從那時起，我覺得我對這部作品有了一定的宏觀層面的了解，可以向公眾解釋它了。 雖然對于業內人士來說可能顯得很膚淺，但它至少可以澄清一些誤解，讓大家了解這個成就到底是什么、不是什么、它在科學史上的地位以及它有多么重要。 我的敘述會盡可能簡潔，讓高中以上文化程度的人能夠理解，同時我會力求準確，給出正確的科學形象。 事實上，準確的表達往往比似是而非的表達更容易理解。 這是我看了很多半懂不懂的報告和教材后的感受。 簡而言之，我保證你知道！ 如果你還是不明白……再讀一遍！ :-)
該成果于2015年2月26日以封面標題發表在國際頂級科學期刊《自然》（）上。作者為中科大合肥微尺度物理科學國家實驗室潘建偉院士和陸朝陽教授。中國技術. 等人的文章標題為“單光子多自由度量子隱形傳態”（“of a”）。 這里的新成就是“多自由度”，因為單光子單自由度的量子隱形傳態在1997年就已經實現了。那么，光子是什么？ （光子是光的最小單位，我們每天看到的一束光含有很多光子。）什么是自由度？ 什么是量子？ 什么是態度？ 什么是量子隱形傳態？
潘建偉、陸朝陽
如果一個物理量有最小的不可分割的基本單位，我們就說這個物理量是量子化的，這個最小的單位就稱為量子。 光子是光的量子。 一束光至少含有一個光子，少了一個就不會存在。 實驗發現，原子中電子的能量并不是連續變化的，而只能取一些離散值。 也就是說，原子中電子的能量是量子化的。 量子化是微觀世界中的普遍現象。 20世紀上半葉（主要是1900年至1930年），普朗克、愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克、玻恩、泡利等偉大物理學家創造了量子力學，這是我們目前對量子力學最準確的描述。微觀世界。 相對論幾乎是愛因斯坦一個人創造的，但量子力學卻是恒星的產物。 愛因斯坦在其中也扮演了非常重要的角色（提出光量子，這就是他獲得諾貝爾物理學獎的原因——它不是相對論！），但他不是最重要的，兩個最重要的貢獻者。 是普朗克和海森堡。 不過，無論是誰在上面，都比活著的物理學家偉大得多（也許楊振寧離泡利不是很遠？）。 這是時代的恩惠，是個人無法改變的。
普朗克
海森堡
量子力學用來描述世界的語言與經典力學的語言有著根本的不同。 經典力學描述了粒子的狀態，說明它的位置和動量。 不言而喻，在任何時刻，粒子總是處于某個位置并具有一定的動量，即使你不知道它是什么。 量子力學描述了粒子的狀態，但它給出了狀態函數或狀態向量。 這個狀態向量并不位于我們日常看到的三維空間中，而是位于數學抽象的線性空間中。 我們不需要深究這里到底是一個什么樣的空間。 關鍵是兩個狀態向量之間可以進行“內積”（或“點積”）運算。 什么是內積？ 在三維空間中，兩個向量 a 和 b 的內積 (a, b) 得到它們的長度乘以它們之間的角度的余弦的乘積。 當兩個向量方向相同時，角度的余弦等于1；當方向相反時，角度的余弦等于1；當兩個向量彼此垂直時，角度的余弦等于0。 因此，內積的絕對值越大，兩個向量的方向越接近。 也可以對兩個狀態向量計算這樣的內積，內積的絕對值代表它們的相似程度。
兩個向量的內積
OK，現在來了一個令人難以置信的新概念：對于任何物理量P（例如位置、動量），狀態向量都可以分為兩類。 一種類型有一個確定的P，稱為P的本征態，P的值稱為該本征態的本征值； 另一種類型沒有確定的 P，稱為 P 的非本征態。非本征態比本征態多得多，就像無理數比有理數多得多一樣。 也就是說，大多數情況下，粒子是沒有確定位置的！ 等等，“沒有確定的位置”是什么意思？ 是不是因為粒子跑得太快，我們看不清楚？ 量子力學不談這種傳統的（也是錯誤的）理解，而是說：非本征態是客觀真實的狀態，它和本征態一樣客觀真實。 它沒有固定的位置，因為它本質上就是這樣。 ，不是因為我們的信息不完整。 例如，有些狀態可以用指向上、下、左、右的箭頭來表示，所以你將“方向”定義為一個物理量，但也有一些狀態是一個圓圈！ 圓圈狀態與箭頭狀態一樣真實，但它沒有明確的方向。
但讀者仍然會感到困惑，因為我們總是可以用儀器來測量粒子的位置，而測量的結果總是粒子出現在一個地方，而不是同時出現在兩個地方，或者被測量無處。 好了，這里是量子力學的關鍵思想：在P的本征態上測量P時，粒子的狀態沒有改變，測量到的就是這個本征態的本征值。 在 P 的非本征態 s 上測量 P 將導致粒子的狀態突然從 s 變為 P 的某個本征態 f。概率是 s 和 f 的內積絕對值的平方 | (s,f)|^2，這個變異發生后測得的就是f的特征值。 從 s 到 f 的狀態突變的概率為 |(s, f)|^2。 實際含義是，兩個狀態越相似，概率就越大。 還是用上面的例子，如果測量箭頭狀態的方向，如果狀態不變，就得到箭頭的方向； 如果你測量圓圈狀態的方向，圓圈狀態將以相同的概率改變為任何箭頭狀態，并且你將得到這個新的箭頭狀態的方向。 通過測量該位置的非本征態的位置，將測量粒子出現在隨機位置，并且出現在空間中所有位置的概率之和等于1。
你怎么知道測量結果是隨機的？ 準備多個相同狀態的粒子，重復實驗多次，你會發現每次的實驗結果都不一樣。 是的，量子力學本質上是隨機的，同樣的原因可能會導致不同的結果。 這是與經典力學的又一大區別。
有人可能會問，如此奇怪的測量本質是什么？ 答案是：量子力學最大的謎團之一是沒有人知道測量的本質！ 目前，測量只能理解為操作性定義：對本征態的測量不改變狀態，得到特征值； 對非本征態的測量隨機將其變為本征態，并得到相應的本征值。 價值。
你可能會覺得上面的說法令人費解，但現在大多數科學家都相信它們。 為什么？ 因為這個奇怪的理論與實驗非常吻合，但經典力學卻不然。 當然，這是一個哲學原因，操作原因很簡單：今天的科學家都受過量子力學的教育。 普朗克有句話很有趣：“新的科學真理不是靠說服對手而獲勝，而是因為對手死了，熟悉它的新一代人成長起來。” 單詞！
事實上，對量子力學提出各種挑戰的人還有很多，包括很多專業科學家，甚至更多的民間科學家（當然還有更多的民間科學家挑戰相對論）。 歷史上，挑戰量子力學的力量變得更加強大，而其中的領軍者就是愛因斯坦！ 老艾堅信粒子應該有確定的位置和動量，世界的演化應該是決定性的。 他對上述量子力學的不確定性和隨機性非常不滿意。 用他自己的話說，他相信“無人看月時，月亮依然存在”，“上帝不擲骰子”。
愛因斯坦相信：“上帝不擲骰子。”
如果你是一個普通人，表達你的信仰之后就沒事了。 但愛因斯坦是一位超級偉大的科學家，是一位神一般的人物。 他不滿足于僅僅說說而已。 他計劃按照科學規范設計一個決定性的實驗，以可驗證的方式證明量子力學的錯誤。 于是，1935年，愛因斯坦（）、波多爾斯基（）和羅森（Rosen）提出了思想實驗，后人以他們名字的首字母命名為EPR實驗。 你可以準備兩個粒子A和B的“圓”態，使得在該狀態下兩個粒子的某個性質（如電子的自旋角動量、光子的極化）相加為零，并且單個粒子的這種性質是不確定的。 這樣的一對粒子被稱為“EPR對”，屬于量子力學中的“糾纏態”，因為兩個粒子的性質是不可分割地糾纏在一起的。 然后你將這兩個粒子在空間中分開很遠，任意遠，然后測量粒子 A 的這個屬性。例如，如果你測量 A 為“向上”，那么你立即知道 B 現在是“向下”。 就像成龍電影《雙龍》中的心靈感應雙胞胎。 其中一個執行某個動作，另一個無論距離多遠都會執行相同的動作（方向相反）。 問題是，由于A和B相距很遠，B如何知道A發生了變化，然后做出相應的變化呢？ EPR認為A和B之間存在“幽靈般的超距作用”，信息傳輸的速度超過了光速，違反了相對論。 因此，量子力學一定有問題。
成龍《二龍俱樂部》
這個問題非常深刻，至今仍然激勵著人們。 然而，量子力學的正統捍衛者有一個標準答案：處于糾纏態的A和B是一個整體。 當您測量 A 時，A 和 B 同時發生變化。 并不是A改變了然后傳輸消息。 給B，B又改變了，所以這里沒有信息傳遞，不違反相對論。 這個答案怎么樣？ 不管你信不信，我反正信了。 然而，愛因斯坦從不相信這一點，并且一生都作為他幫助創建的理論的反對者而生活。
在愛因斯坦時代，EPR 實驗只能在頭部進行。 隨著技術的進步，這個實驗已經可以實現。 20世紀80年代，等人進行了EPR實驗。 你猜結果是什么？ 與量子力學的預測完全一致！ 實際上，當您測量 EPR 對中的 A 處于“上升”狀態時，B 就會變為“下降”。 它本來是為了否定量子力學，但卻驗證了量子力學的正確性。 這種事情在科學史上經常發生。 19世紀，泊松主張光是粒子，菲涅爾主張光是波。 。 1818年，菲涅爾計算了圓孔和圓板形狀的障礙物產生的衍射圖樣。 泊松指出，根據菲涅爾理論，在其正后方的不透明圓板的中心會出現一個亮點。 他認為這是不可能的，并聲稱駁斥了波浪理論。 但菲涅爾和阿拉戈立即進行了實驗，果然出現了亮點，波動理論獲得了偉大的勝利。 后人幽默地將這個亮點稱為泊松點。 這正是尼采所說的：“殺不死我的，將使我更堅強！”
泊松點
由于EPR現象是真實存在的效應而不是愛因斯坦等人認為的悖論，所以人們就想到了利用它。 量子隱形傳態 ( ) 是一個重要的應用。 這是1993年根據量子力學設計的實驗方案。 英文單詞是科幻藝術中的瞬間傳遞。 Tele 表示遠方，port 表示傳輸。 因此，編輯報道此類新聞時，總會附上人物照片。 《星際迷航》中的史波克發來賀電。 ！ 然而，量子隱形傳態實際上所做的是將一個粒子A的量子態傳輸到另一個遙遠的粒子B，使B成為A的原始狀態。傳輸的是狀態而不是粒子。 當然，你可以說，傳人也是將人所有原子的狀態轉移到遠處的另一堆原子上，將它們組合成同一個人。 好吧，我不反對，但是為了避免混淆，中國科學家還是小心翼翼地將其翻譯成了。 這個中文名其實比英文名好聽多了。 準確、簡潔，體現了漢語的優勢。
量子隱形傳態
量子隱形傳態的基本思想是這樣的：讓第三個粒子C和B組成EPR對，并且C距離A很近，距離B很遠。讓A和C相互作用，改變C的狀態，所以B的狀態也隨之改變。 此時，兩個粒子集A和C有四種可能的狀態，分別對應四個字符串00、01、10和11。 B的狀態也有四種可能。 每一種可能性都在一定程度上類似于A的初始狀態（即你想要傳輸的目標狀態），并且可以通過一定的量子力學運算改變為目標狀態。 。 當A和C作為整體進行測量時，A和C隨機變異為00、01、10、11四種狀態之一，B也變異為相應的狀態。 現在您有一個兩位字符串：00、01、10 或 11，您可以將其解釋為密碼。 通過經典通訊手段（如電話、光纜）告訴B方這個密碼，根據密碼操作B，就得到A的初始狀態。由此可見，量子隱形傳態的基本要素包括中間粒子、代碼和經典通道。
這里有一個常見的誤解需要澄清。 很多人把量子隱形傳態視為瞬間傳輸，不需要任何時間就可以傳輸到無限遠的距離，然后大呼它顛覆了相對論。 有人認為，通過這一招，信息傳輸的速度可以超過光速，我們可以與距離地球500萬光年的行星進行即時通訊。 這是完全錯誤的！ 仔細看上面的過程，通過測量來改變每個粒子的狀態并不需要時間，但僅靠這一步是不可能得到目標狀態的。 為了知道需要對B進行什么操作才能獲得目標狀態，必須傳輸兩位串，這需要經典通信，而經典通信不能超過光速。 由于傳輸碼步存在阻塞，量子隱形傳態無法超過光速。
看到這個結論是不是有點沮喪？ 我必須強調，成熟的科學理論不是那么容易被推翻的。 量子力學和相對論并非完全沒有矛盾，但它們與廣義相對論（引力問題）不一致。 狹義相對論和量子力學還是很和諧的。 量子隱形傳態是根據標準理論設計的解決方案，當然不會與標準理論沖突。 與其把他理解為一個推翻正統的革命者，不如把他理解為一個在現行體制下運用自己獨特思想的工匠大師。
還有一個常見的誤解，就是把量子隱形傳態視為一種復制狀態，然后開始擔心同時出現在兩個地方的自己是誰。 這種認識也是錯誤的。 仔細看量子隱形傳態的過程，最終的結果是B變成了A原來的狀態，但是A的狀態也發生了變化。 也就是說，任何時候只有一個粒子處于目標狀態。 如果這是復制物理學家拉摩，那么它也是破壞性復制。 創建副本后，必須銷毀原件。 所以樣本不會增加，它們只是從一個地方移動到另一個地方。
總而言之，量子隱形傳態是一個粒子的未知狀態以不高于光速的速度破壞性地傳輸到另一個粒子。 例如，用顏色來表示狀態，粒子A最初是紅色的。 通過隱形傳送，我們讓遠處的粒子B變成紅色，粒子A同時變成綠色。 但我們不需要知道 A 最初是什么顏色。 無論A是什么顏色，這種方法都可以保證B變成A原來的顏色，同時A的顏色發生變化。
量子隱形傳態何時實現？ 答案是，1997年，潘建偉還是奧地利因斯布魯克大學安東·塞林格教授課題組的博士生時，他們在《自然》雜志上發表了一篇題為“實驗量子隱形傳態”（“ ”）的文章，潘建偉建偉為第二作者。 這篇文章后來被選入《自然》雜志的“世紀物理學21篇經典論文”。 與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等并列，這個陣容強大得可怕。 當然，量子隱形傳態雖然沒有那些神級成就那么重要，但仍然相當了不起，尤其是在基礎科學長期沒有革命性變革的當代。
塞林格
現在終于可以談談潘建偉課題組的最新工作了。 1997年，實現了單光子單自由度的量子隱形傳態。 現在，實現了單光子多自由度的量子隱形傳態。 什么是自由度？ 自由度是描述系統所需的變量數量。 例如，在數學中，考慮一條線上的點。 只需要一個數字來描述它，自由度為1。曲面上的點有2個自由度。 三維空間中的點有 3 個自由度。 物理學中，要描述三維空間中運動的粒子，需要知道位置的三個分量和動量的三個分量，自由度為6。光子有自旋角動量和軌道角動量。 如果你看不懂這兩個詞，也沒關系。 只要理解它們是兩個自由度即可。 在之前的實驗中，僅傳輸自旋角動量的狀態。 但如果想要真正傳輸光子的完整狀態，就需要傳輸兩個自由度的狀態。 這是潘建偉課題組取得的成果。 所以，完整意義上的量子隱形傳態應該說是2015年才實現的。比如現在用顏色和形狀來表示狀態，粒子A最初是一個紅色的方塊，我們可以讓粒子B變成一個紅色的方塊，粒子A同時變成綠色圓圈。
二自由度量子隱形傳態
為什么這兩個實驗之間有18年的差距？ 因為我上面說的都是理論，實驗操作有很多技術難點。 為了解決這些困難，他們“巧妙地設計了一種新方案，利用單光子無損測量技術實現自旋和軌道角動量的多自由度貝爾態測量，并制備了最高亮度的自旋軌道”世界上的角動量超糾纏。” “源、高效軌道角動量測量裝置，并搭建了6光子11量子位自旋軌道角動量糾纏實驗平臺。”對于量子信息產業之外的人來說，這些都是技術細節，重要的是這些技術進展非常新穎，難度也非常大，通過這些實驗方法的創新，最終實現了多自由度隱形傳態的目標，這是現代科學研究的常態，看似簡單的背后隱藏著無數的技術細節這就是線之隔如山的原因，也是民科在當代的作用遠小于歷史的原因。
既然我們知道了這個成就是什么，我們就可以回答它不是什么了。 可惜沒有“biu”一聲將人送走。 當然，可以說是朝著這個方向邁出了一步，而且是一大步。 邁出多大的一步？ 如果用《老子》的話來說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。 1997年，Tao產生了一個，這次它實現了兩個。 然而，距離后代還有多遠？ 可以這樣估計。 12克碳原子等于1摩爾，即6.023*10^23。 如果一個人重 60 公斤，大約有 5,000 摩爾原子，即 3*10^27。 描述一個原子的狀態，我不知道需要多少個自由度，就算10吧。所以描述一個人，需要1??0^28個自由度。 我們剛剛從 1 進步到 2...所以，好吧，我們的旅程是前往星星和大海！ 騷年，向著夕陽奔跑吧！
由于這項工作的重要性，《自然》在同一期評論道：“這個實驗朝著理解和論證量子物理學最深刻、最令人費解的預測之一邁出了重要一步，可以作為未來量子物理學的指南”。 一個強大的網絡基本單元。”這是一個恰當的評價。如果你要問，你能獲得諾貝爾獎嗎？我不能說，但如果有一天他真的獲獎，塞林格應該排在前面，因為《陶生1》肯定比《人生2》更重要。當然，潘建偉和他的團隊還很年輕，他們有無限的可能性，未來是否會因為其他成就獲得諾貝爾獎還不得而知。其中之一科學最大的魅力就在于一切皆有可能。（來，喝完這碗雞湯！）
有人可能會問，量子隱形傳態離工業應用還有多遠？ 答案很遠。 現在剛剛達到傳輸兩個自由度的水平，相當于只傳輸兩位數據。 但量子信息的另一個方面已經接近產業化，那就是量子安全通信，或者說量子密碼學。 在這方面世界上誰最先進？ 答案仍然是中國，或者是科大。 中國已經建設了多個量子政府網絡，科大訊飛將于2016年7月發射量子通信衛星。量子密碼的作用是一旦有人竊聽，你就會立即知道，而竊聽者無法破譯信息。 換句話說，實現了物理原理層面的絕對保密。
值得強調的是，中國的量子信息絕不是一花獨放，而是百花齊放。 僅在中國科大，就有郭光燦院士、潘建偉院士、杜江峰院士三個大的研究組，還有無數的小研究組。 杜江峰課題組于2015年3月6日在《科學》雜志上發表了題為“日常環境中單一蛋白質的自旋共振譜”（“-spin”）的文章，該成果也被科技部入選中國的。 2015年中國十大科學進展
郭光燦
杜江峰
據我了解，我國量子信息研究起步于20世紀90年代。 彼時，郭光燦從量子光學轉向量子信息，達到了職業生涯的巔峰。 潘建偉和杜江峰當時只是研究生，但現在他們是國際領袖。 這些軌跡說明了一個國家的科學進步有多快。
1999年前后，楊振寧到科技大學做題為《現代科學進入中國的回顧與展望》的演講。 他總結道：“一個社會、一個國家科技要取得輝煌發展，以下幾個長期因素是必要條件。第一，我們需要有頭腦、有頭腦的年輕人來做科學研究；第二，我們需要有智慧的年輕人。”講究紀律、耐心、勤奮的社會傳統；第三，需要決心；第四，需要經濟條件……20年代的中國，21世紀有前三個，到了21世紀，我想四位都會出席，所以我對21世紀中國科技的發展絕對看好。” 當時我很不滿意，因為中國有太多的問題，比如腐敗、專制、貧困等等。 富人和世界的差距正在縮小……那么，楊先生，你是不是老了，糊涂了？ 當時我有一種理論傾向，對中國的未來非常悲觀。 后來，隨著視野的擴大，我越來越發現楊振寧說的完全正確。 他的這些道理雖然看似極其簡單樸實，實則“重劍無鋒，大技無工”。 科學大師們的科學發展愿景確實比我們高得多，我們很難不接受。 你說中國沒有人才，所以只是耐心培養。 以中國人的才華，也許他們馬上就能成為國際領袖。 科學的最大魅力之一就是一切皆有可能。 （來吧，再喝這碗雞湯吧！）
楊振寧
在這里我想講一個故事。 美國物理學家艾薩克·拉比（Isaac Rabi，1898-1988）年輕時去歐洲考察，發現美國最重要的物理雜志《物理評論》每年用船運一次，這表明在歐洲科學界似乎根本不值得關注。 拉比秘密決心振興美國物理學。 回到他的國家后，他擔任了身體審查的主編。 如今，這本雜志是物理學世界上最著名的期刊之一。 美國化學家萊納斯·卡爾（Linus Carl，1901- 1994年）在歐洲學習后，也將美國化學提升到了世界上最先進的水平。
拉比
鮑林
如果當時有一個“很酷的聚會”跳了出來，并說美國人還不夠好并且永遠不會趕上歐洲，那將被發現無數證據。 中國有很多這樣的“平靜聚會”。 正如一些網民所說：“中國人民的意識再也不能跟上中國的發展。該國的頂級科學研究人員已經在人類科學中參與其中。” 這已經成為一件事情，但是人民甚至全國人民大會的成員仍然沉迷于日本廁所座位和稻米炊具……腳花了30年的時間走了其他人花了300年的路徑，但是他們的大腦在30年前留下了……”
您愿意效仿頂尖的科學研究人員嗎？ 中國最偉大的魅力之一就是一切皆有可能。
關于作者：Yuan 博士中國科學技術大學化學博士學位，中國科學與技術大學Hefei國家微觀科學實驗室副研究員，科學與技術科學與戰略學會主席，科學技術與技術學會中國，微博 @中科大，Zhihu @ yuan （Yuan ）。
原始文章“流行科學量子瞬時傳輸技術”于2015年3月寫，我保證您會理解的！ “（關于量子瞬時傳輸技術的流行科學，可以確保您理解！）及其附錄（“量子瞬時傳輸技術的流行科學，保證您理解！” ），于2016年4月修訂。