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“墨子號”地星量子隱型傳態(tài)實驗，2016年11月攝于拉薩阿里，星上紅色信標光將空中的薄云點亮。（中科院供圖）
新華社天津8月10日電（記者喻菲）中國科學家在首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”上完成了一項特殊實驗：從地面到太空的量子隱型傳態(tài)。這也是“墨子號”最難做的一項實驗，它還經常被人聯(lián)想到懸疑連續(xù)劇《星際迷航》中的超時空傳輸。它們是一回事嗎？
“墨子號”的地星量子隱型傳態(tài)實驗成果10日發(fā)表在國際權威學術刊物《自然》雜志上。《自然》雜志審稿人贊揚實驗結果“代表了遠距離量子通訊持續(xù)探求中的重大突破”，“目標十分新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通訊方案現(xiàn)實實現(xiàn)中的重大進步”。
中國科大學教授、量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉說，量子隱型傳態(tài)是量子通訊的一個重要內容，它借助量子糾纏可以將物質的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。
這有點像孫悟空的“筋斗云”，也像《星際迷航》中，宇航員在特殊裝置中說一句“發(fā)送我吧”，他就頓時轉移到另一個星球。
發(fā)送我吧（賀萌繪圖）
其實，這只是個比喻。科學家強調，量子隱型傳態(tài)實驗中，被傳輸?shù)氖切畔⒍⒎菍嵨铩０蚜Ｗ覣的未知量子態(tài)傳輸給遠處的另一個粒子B，讓B粒子的狀態(tài)弄成A粒子最初的狀態(tài)。注意傳的是狀態(tài)而不是粒子，A、B的空間位置都沒有變化，并不是把A粒子傳到遠處。當B獲得這個狀態(tài)時，A的狀態(tài)也必然改變，任何時刻都只能有一個粒子處于目標狀態(tài)，所以并不能復制狀態(tài)，或則說這是一種破壞性的復制。
神奇的量子糾纏（賀萌繪圖）
潘建偉說，“墨子號”量子隱型傳態(tài)實驗采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方法。衛(wèi)星過境時與海拔5100米的拉薩阿里地面站構建光鏈路，地面光源每秒形成8000個量子隱型傳態(tài)例子量子傳輸實物，實驗通訊距離從500公里到1400公里，實驗傳送了6個量子態(tài)，置信度均小于99.7%。
“假設在同樣寬度的光纖中重復這一工作，須要3800億年，也就是宇宙年紀的20倍，能夠觀測到1個例子。”潘建偉說。
他說：“這一重要成果為未來舉辦空間尺度量子通訊網路研究，以及空間量子化學學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。”
“墨子號”地星量子隱型傳態(tài)實驗，2017年4月攝于拉薩阿里。（中科院供圖）
潘建偉介紹，在“墨子號”開展的星地高速量子秘鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和地星量子隱型傳態(tài)三大實驗中，量子隱型傳態(tài)實驗是最難的。由于前兩個實驗都是從衛(wèi)星向地面?zhèn)魉凸庾樱谠镜?90公里真空中不會遭到大氣影響，只有最后10公里步入大氣層最稠密的部分時會遭到影響。并且量子隱型傳態(tài)實驗是從地面向衛(wèi)星發(fā)送光子，最初10公里就遭到影響，到后來光斑被放大，晃動非常厲害，接收效率都會大大減少。
量子隱型傳態(tài)是1993年由六位化學學家聯(lián)合提出的。1997年，潘建偉的老師、奧地利化學學家塞林格率領的團隊首次實現(xiàn)了傳送一個光子的載流子。她們在《自然》上發(fā)表了一篇題為《實驗量子隱型傳態(tài)》的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來榮獲《自然》“百年化學學21篇精典論文”，跟它并列的論文包括倫琴發(fā)覺X射線、愛因斯坦構建相對論、沃森和克里克發(fā)覺DNA雙螺旋結構等。
2016年12月10日，在拉薩阿里觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗（合成相片）。新華社記者金立旺攝
事實上，在量子態(tài)隱型傳態(tài)的漫長旅程中，每一點距離的進步都可以被視為一座里程碑。其實最初的傳輸距離僅為數(shù)米，但英國《科學》雜志的評語是：“盡管想要聽到《星際迷航》中‘發(fā)送我吧’這樣的場景，我們還得等上好多年，但量子態(tài)隱型傳態(tài)這項發(fā)覺，喻示著我們將步入由具有不可思議能力的量子計算機發(fā)展而帶來的新時代。”
人類想離開太陽系去瞧瞧，量子隱型傳態(tài)能夠在未來成為人類星際旅行的方法？
潘建偉強調，傳送幾十、幾百個微觀粒子會在不久的將來實現(xiàn)，但要傳送復雜的實物如今還是一種科學幻想。人是由10的28次方個粒子組成的，所以人類通過這些方法星際旅行還是個遙不可及的夢想。
2016年12月10日，在拉薩阿里觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星過境量子傳輸實物，科研人員在做實驗（合成相片）。新華社記者金立旺攝
但他說，300多年前開普勒給伽利略寫了一封信，說人類應當造一艘才能在太空中翱翔的帆船，去探求宇宙的奧秘。大概260年后的1969年，法國阿波羅計劃讓人類登錄地球成為現(xiàn)實，現(xiàn)今人類飛行器早已到了太陽系的邊沿。“我不敢說超時空傳送真的能實現(xiàn)，而且科學的發(fā)展是不能預測的。”
雖然這樣的懸疑永遠沒法實現(xiàn)，量子隱型傳態(tài)研究也是有現(xiàn)實意義的。潘建偉說，量子隱型傳態(tài)可用于量子估算和量子網路方面的研究。科學家正在研制的量子計算機之間未來要實現(xiàn)互聯(lián)互通，進行協(xié)同估算，就須要量子隱型傳態(tài)。
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