简介(量子态 纠缠态)

量子隐形传输机制(量子隐形传输)

传输内容

简介

量子隐形传送与量子远程通信密切相关。“teleportation”一词是指一种无影无踪的传送过程。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。

6月1日出版的英国《自然—光子学》杂志，以封面文章发表了由中国科学技术大学和清华大学技术人员的实验报告，该实验成功实现了16公里的量子态隐形传输。在恭喜这些科学家的成就时，“量子隐形传输”这一科学名词也介入了我们的生活，而且随着技术的不断发展，它也将直接影响我们的生活。这里对“量子隐形传输”作简单介绍，让我们也对传说中“时光隧道”有直接的科学理解。下面我们逐步对“量子态”、“纠缠态”及“量子隐形传输机制”等逐一解释。

量子态

实际上，所有在宏观世界及微观世界的系统都是量子理论适用的范畴，而且在微观世界理，古典理论不能适用，微观现象只能用量子理论来描述。量子系统都是微观世界里的系统，如分子、原子、电子、光子、量子点(quantum dot)、辐射场等。从量子理论的观点，电磁波是由一群光子所组成。每一光子具有动量及两个极化态(polarization)。这三者互相垂直，我们把这两个极化态叫做水平极化态和垂直极化态。量子的状态测量是以原状态的破坏为前提的，这就是说如果想把一个不知道的光子状态传输给别人，你想靠测量此光子以获得及，进而告知对方进而重组是不可能的。如果研究只进行到这里，量子传输隐形传输是不可能了，可是柳暗花明又一村，纠缠态的发现让我们看到了光明。

纠缠态

在纠缠态中，两个光子之极化态互相关连，不受时空之限制，亦即具有非局域性关连(non-local correlation)。如果有一对光子，对第一个光子进行测量而得到水平极化态，则第二个光子就自动地瞬间地处在垂直极化态，不管它离第一个光子有多远(譬如在银河的另一端)，这就是所谓的非局域性关连。

量子隐形传输机制

如前所述，量子态是测不准的，譬如对一个粒子的位能测的愈正确，则它的动能就愈不正确，且对该粒子之干扰也愈 严重，终于完全破坏了该粒子之原先状态且无法得知所有信息，因此无法据以再造一个具有完全相同状态的粒子，所以认为完全的量子隐形传输是不可能的。但是，IBM科学家应用量子力学中所特有的纠缠态，不必要去测量原先粒子的所有信息而在理论上达成完全的量子隐形传输。量子隐形传输机制可以理解如下：

假定甲、乙、丙三个人各自拥有一个粒子，分别称为1、2、3粒子，甲扮演委托人的角色，乙扮演寄件者之角色，在这里丙扮演接收者的角色。乙跟丙所拥有的粒子2及粒子3事先就制成为纠缠态，乙收到甲送来的粒子1后，便对粒子1及粒子2作贝尔态测量，量到某个贝尔态后，便以古典通讯方式，如电话，通知丙其测量的结果，丙依据测量的结果对粒子3作适当处理使粒子3处在粒子1原先要传输的状态上，因此达成了完全的量子隐形传输，在这整个传输过程中，乙跟丙都不知道是甚么状态，而且粒子1上之原先状态完全被破坏了，所以这不是拷贝，而是真正的传输。

“在经典状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。”彭承志说。

量子隐形传输

量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。

1993年 IBM 特别研究员(IBM Fellow) Charles H. Bennett 研究小组证明量子隐形传输在理论上是可行的；

1997年 澳大利亚Innsbruck 大学 第一次实验成功地把一个光子的任意极化态完整地传输到另一个光子上，完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。该实验只有25%的传输成功概率；

1998年 美国加州理工学院由Jeff Kimble[6]领导的光学研究团队发表了一个完全成功的量子隐形传输，传输机率为100%。

2004年 澳大利亚Innsbruck 大学小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅度提高；

2004年 中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。

2009年 由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组，成功实现了16公里的量子态隐形传输据悉，该小组在2005年在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始，中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破

传输内容

量子隐形传送所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。