量子隱形傳態

量子隱形傳態（Quantum teleportation），又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息（physical information）的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術。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，在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子態如同經歷了科幻小說中描寫的“逾時空傳輸”，在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。

必須說明的是，量子遙傳並不會傳送任何物質或能量。這樣的技術在量子信息與量子計算上相當有幫助。然而，這方式無法傳遞傳統的資訊，因此無法使用在超光速的通訊上面。量子遙傳與一般所說的瞬間移動沒有關係–量子遙傳無法傳遞系統本身，也無法用來安排分子以在另一端組成物體。

2015年12月11日，英國物理學會主辦的《物理世界》（Physics World）公布2015年度國際物理學領域的十項重大突破，中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隱形傳態”的研究成果榮登榜首；中國科學院物理所方忠、翁紅明等憑藉外爾費米子的先驅性研究入選。

基本介紹

• 中文名：量子隱形傳態
• 外文名：Quantum teleportation
• 又稱：量子遙傳、量子隱形傳輸等
• 類別：利用分散量子纏結與一些物理訊息

定義

量子隱形傳態（Quantum teleportation）是一種傳遞量子狀態的重要通信方式，是可擴展量子網路和分散式量子計算的基礎。在量子隱形傳態中，遙遠兩地的通信雙方首先分享一對糾纏粒子，其中一方將待傳輸量子態的粒子（一般來說與糾纏粒子無關聯）和自己手裡的糾纏粒子進行貝爾態分辨，然後將分辨的結果告知對方，對方則根據得到的信息進行相應的么正操作。糾纏態預先分發、獨立量子源干涉和前置反饋是量子隱形傳態的三個要素。

通俗來講就是：將甲地的某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。量子力學的不確定原理和量子態不可克隆原理，限制我們將原量子態的所有信息精確地全部提取出來。因此必須將原量子態的所有信息分為經典信息和量子信息兩部分，它們分別由經典通道和量子通道送到乙地。根據這些信息，在乙地構造出原量子態的全貌。

過程

要實現量子隱形傳態，首先要求接收方和傳送方擁有一對共享的EPR對（即BELL態（貝爾態）），傳送方對他所擁有的一半EPR對和所要傳送的信息所在的粒子進行聯合測量，這樣接收方所有的另一半EPR對將在瞬間坍縮為另一狀態（具體坍縮為哪一狀態取決於傳送方的不同測量結果）。傳送方將測量結果通過經典信道傳送給接收方，接收方根據這條信息對自己所擁有的另一半EPR對做相應么正變換即可恢復原本信息。到乙地,根據這些信息,在乙地構造出原量子態的全貌。

與廣為傳言的說法不同，量子隱形傳態需要藉助經典信道才能實現，因此並不能實現超光速通信。在這個過程中，原物始終留在傳送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態，而且傳送者對這個量子態始終一無所知；接受者是將別的物質單元(如粒子)製備成為與原物完全相同的量子態，他對這個量子態也始終一無所知；原物的量子態在測量時已被破壞掉—不違背“量子不可克隆定理”；未知量子態(量子比特)的這種傳送，需要經典信道傳送經典信息(即傳送者的測量結果)，傳送速度不可能超過光速—不違背相對論的原理。

原理

量子隱形傳態的基本原理，就是對待傳送的未知量子態與EPR對的其中一個粒子實施聯合Bell基測量，由於EPR對的量子非局域關聯特性，此時未知態的全部量子信息將會“轉移”到EPR對的第二個粒子上，只要根據經典通道傳送的Bell基測量結果，對EPR的第二個粒子的量子態施行適當的么正變換，就可使這個粒子處於與待傳送的未知態完全相同的量子態，從而在EPR的第二個粒子上實現對未知態的重現。

量子隱形傳態原理圖

研究成果

1997年，奧地利Zeilinger小組在室內首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領域的經典之作。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱形傳態距離提高到了600米。但是由於光纖信道中的損耗和退相干效應，傳態的距離受到了極大的限制，如何大幅度地提高量子隱形傳態的距離成了量子信息實驗領域的重要研究方向。

中國實現量子通信100公里隱形傳態

2004年，中國科學技術大學的潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間信道中實現更遠距離的量子通信。該小組2005年在合肥創造了13公里的雙向量子糾纏分發世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子對的可行性。

2007年開始，中國科學技術大學-清華大學聯合研究小組開始在北京八達嶺與河北懷來之間架設長達16公里的自由空間量子信道，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隱形傳態，證實了量子隱形傳態過程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。除此之外，聯合小組還在該研究平台上針對未來空間量子通信需求開展了誘騙態量子密鑰分發等多個方向的研究，取得了豐富的成果。

2012年8月，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎。“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將能達到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。

2012年9月，維也納大學和奧地利科學院的物理學家實現了量子態隱形傳態最遠距離—143公里，創造了新的世界紀錄。

2015年中國科學技術大學潘建偉院士及其同事陸朝陽、劉乃樂等組成的研究小組在國際上首次成功實現多自由度量子體系的隱形傳態。這是自1997年國際上首次實現單一自由度量子隱形傳態以來，是量子信息實驗研究領域取得的又一重大突破，將為發展可擴展的量子計算和量子網路技術奠定堅實基礎。

2016年9月中國科學技術大學潘建偉教授、張強教授小組首先和清華大學合作開發了適合光纖網路傳輸的時間相位糾纏光子源，然後通過發展皮秒級的遠程光同步技術和使用光纖布拉格光柵進行窄帶濾波，成功地解決了兩個獨立光子源之間的同步和干涉問題；接著開發了針對遠距離光纖所造成的延遲和偏振漲落以及實驗系統的穩定性等問題的主動反饋系統；最後利用中國科學院上海微系統與信息技術研究所開發的超導納米線單光子探測器，在合肥量子城域通信網路的30公里鏈路上實現了滿足糾纏態預先分發、獨立量子源干涉和前置反饋是量子隱形傳態的三個要素，為未來可擴展量子網路的構建奠定了堅實基礎，相關成果發表於《Nature Photonics》（Doi:10.1038/nphoton.2016.179）上。

科學意義

量子隱形傳態是量子通信中最簡單的一種。 從事量子隱形傳態實驗，是實現全球量子通信網路的可行性的前提研究。

量子通信擁有“絕不泄密”的本領，保護用戶通信安全。由於量子具有不可再分、不可複製的特性，如果在傳輸中受到干擾就會改變狀態，接收方就可以發現。也就是說，除了在保護通信安全的前提下，量子通信還有“反竊聽”的功能。如果有人竊聽，信息就被偷聽動作改變了，從而可以保證內容的絕密。