量子傳輸 [1]

量子隱形傳輸并不僅僅是科幻小說(shuō)里面的故事。它是真實(shí)的，并且已經(jīng)存在了?；蛘咧辽?，量子的隱形傳輸已經(jīng)成為了可能：這是指量子態(tài)從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的傳輸。

量子隱形傳輸?shù)姆绞绞前逊派湓捶乓黄鸷桶l(fā)電機(jī)的原理一樣轉(zhuǎn)起來(lái)實(shí)現(xiàn)的！

使得這個(gè)技術(shù)成為可能的奇怪現(xiàn)象叫做量子糾纏，它是指對(duì)于某些特定的粒子而言，即使它們已經(jīng)在空間上分離了，但它們之間仍然存在著的某種神秘連接。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)于這一現(xiàn)象的控制。這不是項(xiàng)容易的工作，將革新計(jì)算和通訊的速度。很顯然，沒(méi)有什么比即時(shí)通訊要更快了。要想象這樣的場(chǎng)景簡(jiǎn)直是違背直覺(jué)的。 [2]

量子信息學(xué)就是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，重新審視主流的計(jì)算和通訊理論及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)的嘗試，之所以用嘗試這個(gè)詞，是我認(rèn)為這個(gè)學(xué)科的建立也還是在向經(jīng)典信息理論妥協(xié)的結(jié)果。

今天量子信息學(xué)在其智力的觸角能伸到的地方已經(jīng)取得了一些成果，其中容易理解的是量子比特的概念和隱形傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，也就是前文的實(shí)驗(yàn)。

在經(jīng)典信息論中，信息量的基本單位是比特，一個(gè)比特代表經(jīng)典二值系統(tǒng)（0，1）的一個(gè)取值的信息量。量子信息學(xué)中，基本單位是量子比特或稱(chēng)為量子位，量子比特是一個(gè)雙態(tài)量子系統(tǒng)，這里的雙態(tài)指的是兩個(gè)線性獨(dú)立態(tài)。在量子信息中，用作量子位實(shí)現(xiàn)的雙態(tài)系統(tǒng)就是光子。解釋一下，愛(ài)因斯坦是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到電磁輻射是以量子形式進(jìn)行的，而且是以量子形式傳播的。

我們掌握了量子比特的概念，其實(shí)就獲得了一個(gè)更廣闊的物質(zhì)財(cái)富效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)在比特領(lǐng)域無(wú)法想象的操作。

量子隱形傳態(tài)技術(shù)就是正在新興的通訊領(lǐng)域，利用量子糾纏現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)不發(fā)送任何量子位而把量子位的未知態(tài)（即這個(gè)態(tài)包含的信息）發(fā)送出去。這樣的凈結(jié)果，就是張三所擁有的“笑態(tài)=笑容+滑稽動(dòng)作+搞笑服裝”，從張三處消失，并經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲（經(jīng)典通訊和李四的操作時(shí)間），出現(xiàn)在李四那里。張三位置不動(dòng)，李四位置也沒(méi)有動(dòng)，動(dòng)的只是張三擁有的“笑態(tài)”，在李四處復(fù)活了。這在中國(guó)古代學(xué)術(shù)領(lǐng)域稱(chēng)為“遁術(shù)”。

與小說(shuō)中稱(chēng)為“遠(yuǎn)距取物”不同的是，這只能稱(chēng)為“遠(yuǎn)距送物”，時(shí)間上送在先，復(fù)活在后。特別需要指出的是，上面的解說(shuō)還受到線性的局限，理論上可以借助量子的隱形傳態(tài)技術(shù)，傳輸任意復(fù)雜的量子態(tài)，包括這些態(tài)的組合。

比如量子密鑰分配等超乎經(jīng)典信息論可以理解的人間奇跡。

量子信息學(xué)的進(jìn)展不盡如人意，發(fā)展緩慢，主要原因是世界科學(xué)界自二戰(zhàn)以后，具有遠(yuǎn)見(jiàn)的學(xué)術(shù)巨擘鳳毛麟角；其次，各國(guó)和社會(huì)均對(duì)此重視不夠，科學(xué)淪為經(jīng)濟(jì)的頭飾；這樣才能有經(jīng)費(fèi)支持，有社會(huì)名聲。如果搞前瞻性的量子信息這樣的探索行為，在學(xué)科內(nèi)部彼此學(xué)術(shù)交流都困難，更不用說(shuō)和現(xiàn)實(shí)社會(huì)的交流了。

實(shí)際上，早在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交時(shí)，物理學(xué)就完成了從牛頓力學(xué)向量子力學(xué)的轉(zhuǎn)型。遺憾的是，世界如故，各國(guó)的高考試題全部都在為經(jīng)典數(shù)學(xué)和力學(xué)唱贊美詩(shī)。

國(guó)內(nèi)研究

由中國(guó)科大和清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組在量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)上取得的新突破，可能使這種以往只能出現(xiàn)在科幻電影中的“超時(shí)空穿越”神奇場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

據(jù)聯(lián)合小組研究成員彭承志教授介紹，作為未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素，量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息。

“在經(jīng)典狀態(tài)下，一個(gè)個(gè)獨(dú)立的光子各自攜帶信息，通過(guò)發(fā)送和接收裝置進(jìn)行信息傳遞。但是在量子狀態(tài)下，兩個(gè)糾纏的光子互為一組，互相關(guān)聯(lián)，并且可以在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對(duì)攜帶著信息的糾纏的光子進(jìn)行拆分，將其中一個(gè)光子發(fā)送到特定位置，這時(shí)，兩地之間只需要知道其中一個(gè)光子的即時(shí)狀態(tài)，就能準(zhǔn)確推測(cè)另外一個(gè)光子的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似‘超時(shí)空穿越’的通信方式?！迸沓兄菊f(shuō)。

據(jù)介紹，量子態(tài)隱形傳輸一直是學(xué)術(shù)界和公眾的關(guān)注焦點(diǎn)。1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子“超時(shí)空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾，量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以大幅度提高。

2004年，中國(guó)科大潘建偉、彭承志等研究人員開(kāi)始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。在自由空間，環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光子一旦穿透大氣層進(jìn)入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。

據(jù)悉，該小組早在2005年就在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發(fā)送的世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開(kāi)始，中國(guó)科大——清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在北京架設(shè)了長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。 [1]

國(guó)際前沿

中國(guó)科學(xué)家日前曾經(jīng)創(chuàng)造了97公里的量子遠(yuǎn)距離傳輸世界紀(jì)錄，引起轟動(dòng)，不過(guò)長(zhǎng)江后浪推前浪。新浪科技援引美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)的報(bào)道稱(chēng)，維也納大學(xué)和奧地利科學(xué)院的物理學(xué)家憑借143公里的成績(jī)?cè)賱?chuàng)了新高，朝著基于衛(wèi)星的量子通訊之路邁出了重要一步。

實(shí)驗(yàn)中，奧地利物理學(xué)家安東-澤林格領(lǐng)導(dǎo)的一支國(guó)際小組成功在加那利群島的兩個(gè)島嶼——拉帕爾瑪島和特納利夫島間實(shí)現(xiàn)量子態(tài)傳輸，距離達(dá)到143公里，比中國(guó)的遠(yuǎn)了46公里之多。

其實(shí)，打破傳輸距離并不是科學(xué)家的首要目標(biāo)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為一個(gè)全球性信息網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，量子機(jī)械效應(yīng)能夠大幅提高信息交換的安全性，進(jìn)行確定計(jì)算的效率也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)。在這樣一個(gè)未來(lái)的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，量子遠(yuǎn)距傳輸將成為量子計(jì)算機(jī)之間信息傳送的一個(gè)關(guān)鍵協(xié)議。

在量子遠(yuǎn)距傳輸實(shí)驗(yàn)中，兩點(diǎn)之間的量子態(tài)交換理論上可以在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即使接收者的位置未知也是如此。量子態(tài)交換可以用于信息傳輸或者作為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的一種操作。在這些應(yīng)用中，量子態(tài)編碼的光子必須能夠傳輸相當(dāng)長(zhǎng)距離，同時(shí)不破壞脆弱的量子態(tài)。奧地利物理學(xué)家進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)讓量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)木嚯x超過(guò)100公里，開(kāi)辟了一個(gè)新疆界。

參與這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的馬小松(Xiao-song Ma音譯)表示：“讓量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)木嚯x達(dá)到143公里是一項(xiàng)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)?！眰鬏斶^(guò)程中，光子必須直接穿過(guò)兩座島嶼之間的湍流大氣。由于兩島之間的距離達(dá)到143公里，會(huì)嚴(yán)重削弱信號(hào)，使用光纖顯然不適合量子遠(yuǎn)距傳輸實(shí)驗(yàn)。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，科學(xué)家必須進(jìn)行一系列技術(shù)革新。德國(guó)加爾興馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所的一個(gè)理論組以及加拿大沃特盧大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)組為這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了支持。馬小松表示：“借助于一項(xiàng)被稱(chēng)之為‘主動(dòng)前饋’的技術(shù)，我們成功完成了遠(yuǎn)距傳輸，這是一項(xiàng)巨大突破。主動(dòng)前饋用于傳輸距離如此遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)還是第一次。它幫助我們將傳輸速度提高一倍?！痹谥鲃?dòng)前饋協(xié)議中，常規(guī)數(shù)據(jù)連同量子信息一同傳輸，允許接收者以更高的效率破譯傳輸?shù)男盘?hào)。

澤林格表示：“我們的實(shí)驗(yàn)展示了當(dāng)前量子技術(shù)的成熟程度以及擁有怎樣的實(shí)際用途。第一個(gè)目標(biāo)是基于衛(wèi)星的量子遠(yuǎn)距傳輸，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子通訊。我們?cè)谶@條道路上向前邁出了重要一步。我們將在一項(xiàng)國(guó)際合作中運(yùn)用我們掌握的技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院的同行也會(huì)參與這項(xiàng)合作。我們的目標(biāo)是實(shí)施一項(xiàng)量子衛(wèi)星任務(wù)?！?/p>

2002年以來(lái)就與澤林格進(jìn)行量子遠(yuǎn)距傳輸實(shí)驗(yàn)的魯珀特-烏爾森指出：“我們的實(shí)驗(yàn)取得了令人鼓舞的成果，為未來(lái)地球與衛(wèi)星之間或者衛(wèi)星之間的信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)奠定良好基礎(chǔ)?！碧幵诘偷厍蜍壍赖男l(wèi)星距地面200到1200公里。(國(guó)際空間站距地面大約400公里)烏爾森說(shuō)：“在從拉帕爾瑪島傳輸?shù)教丶{利夫島，穿過(guò)兩島間大氣過(guò)程中，我們的信號(hào)減弱了大約1000倍。不過(guò)，我們還是成功完成了這項(xiàng)量子遠(yuǎn)距傳輸實(shí)驗(yàn)。在基于衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)中，傳輸數(shù)據(jù)更遠(yuǎn)，但信號(hào)穿過(guò)的大氣也更少。我們?yōu)檫@種實(shí)驗(yàn)奠定了一個(gè)很好的基礎(chǔ)?！?[2]

量子傳輸

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的是0與1的二進(jìn)制計(jì)算，二進(jìn)制很容易以電路的開(kāi)與關(guān)，或者高電平與低電平表示。而量子計(jì)算則用一個(gè)個(gè)量子態(tài)代替了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制計(jì)算位，稱(chēng)之為“量子位”(qubit)。可以用量子態(tài)的正向和反向自旋分別代表0與1。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同的是，量子態(tài)可以處于0和1的 “線性疊加態(tài)”，這使得同時(shí)計(jì)算能力比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有極大的提升。但是一直以來(lái)最大的問(wèn)題在于，量子計(jì)算機(jī)的核心，即用于運(yùn)算的量子態(tài)本身極易受到擾動(dòng)，使得計(jì)算失敗。所以關(guān)鍵就在于如何找到一種方法，使得量子系統(tǒng)不受外界因素的擾亂。

使用一種稱(chēng)之為“量子退火”的技術(shù)，能夠找到8個(gè)超導(dǎo)流量子位的基態(tài)，使之不被熱運(yùn)動(dòng)或者噪聲擾亂。既然許多復(fù)雜的問(wèn)題最后都可以歸結(jié)為尋找一個(gè)相互作用的自旋系統(tǒng)的基態(tài)，量子退火則已經(jīng)有望解決一些形式的復(fù)雜問(wèn)題了。

調(diào)整8個(gè)量子位，使其排成一列。由于特定方向的自旋會(huì)產(chǎn)生特定方向的磁場(chǎng)，讓每一個(gè)量子位的自旋和它左右相鄰的兩個(gè)保持同一方向（向上或者向下）。把兩端的量子位調(diào)整為反向，并允許中間6個(gè)量子位根據(jù)它們各自相鄰的量子位，重新調(diào)整自旋方向。由于外力強(qiáng)制了那兩個(gè)量子位自旋反向，這一調(diào)整過(guò)程最終變成一個(gè)“受阻”的鐵磁體陣列。通過(guò)向同一方向傾斜量子位并升高能壘，最終使得該系統(tǒng)演化成了一種特殊的受阻自旋陣列即為基態(tài)。

量子位可以通過(guò)兩種方式改變自旋方向：通過(guò)量子力學(xué)的隧穿機(jī)制，或者通過(guò)經(jīng)典的熱運(yùn)動(dòng)。由于加熱會(huì)破壞量子位的量子性質(zhì)，必須使用一種純粹通過(guò)隧穿效應(yīng)使得自旋反轉(zhuǎn)的方法。使用冷卻系統(tǒng)，直到隧道和熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換都已經(jīng)停止，量子位被“凍結(jié)”。通過(guò)在不同溫度下重復(fù)這一過(guò)程，就能夠確定如何只使用隧道效應(yīng)完成量子退火。增加自旋的數(shù)量，可以使該系統(tǒng)提供一個(gè)物理上實(shí)際可行的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一些量子算法。研究人員如今正應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，并計(jì)劃將這一過(guò)程應(yīng)用于，諸如機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能之類(lèi)的領(lǐng)域。

人體傳輸

《星際迷航》中實(shí)現(xiàn)的人體量子傳輸

《星際迷航》中的量子隱形傳輸可以在數(shù)秒內(nèi)完成人體傳輸，但現(xiàn)實(shí)理論認(rèn)為這一過(guò)程的發(fā)生需要4500萬(wàn)億年。

到目前為止，關(guān)于量子傳輸?shù)难芯績(jī)H僅停留在理論探索階段，有研究人員表示該技術(shù)的掌握是宇宙先進(jìn)文明的標(biāo)志，將徹底改變空間旅行的途徑，只需要量子傳輸就能進(jìn)行空間旅行，根本不需要龐大而復(fù)雜的火箭?！缎请H迷航》中展示的量子傳輸技術(shù)可以應(yīng)用于人體，從傳輸物品到人體顯然又是一個(gè)飛躍。

影片中傳輸人體的時(shí)間似乎只要一瞬，那么現(xiàn)實(shí)中量子傳輸理論從A點(diǎn)到B點(diǎn)需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？來(lái)自英國(guó)萊斯特大學(xué)的一組物理研究小組試圖通過(guò)數(shù)學(xué)工具對(duì)其該課題進(jìn)行探索，其中一名叫做大衛(wèi)?斯塔基的研究人員稱(chēng)：根據(jù)我們的研究結(jié)果，如果完成一次人體瞬間轉(zhuǎn)移需要的時(shí)間可能有點(diǎn)長(zhǎng)，但是這種空間旅行方式仍然是可行的。那么具體的時(shí)間大約會(huì)是多少呢？一秒鐘？一分鐘？還是一個(gè)小時(shí)？影片中企業(yè)號(hào)飛船的量子傳輸通道可以在幾秒鐘之內(nèi)完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的隱形傳輸，但現(xiàn)實(shí)理論計(jì)算表明這個(gè)時(shí)間需要4,500,000,000,000,000年！即4500萬(wàn)億年！大約是宇宙年齡的350,000倍！

如果說(shuō)星際迷航中的量子傳輸技術(shù)如同極速寬帶，那么現(xiàn)實(shí)理論推導(dǎo)出的量子傳輸則更像撥號(hào)上網(wǎng)，實(shí)在是太慢了！研究人員進(jìn)一步假設(shè)，如果我們通過(guò)技術(shù)手段將一個(gè)單位的人完成變成數(shù)據(jù)，那么整個(gè)物理結(jié)構(gòu)將達(dá)到2.6乘以10的42次方數(shù)量級(jí)，我們使用一個(gè)29.5至30千兆赫的帶寬，加上350,000倍的宇宙年齡（137億年），從宇宙誕生到如今只傳輸過(guò)一個(gè)單位的人。毫無(wú)疑問(wèn)，根據(jù)人類(lèi)當(dāng)前掌握的量子傳輸理論，依然無(wú)法理解這項(xiàng)超級(jí)技術(shù)，能掌握量子瞬間傳輸技術(shù)的物種才可躋身宇宙先進(jìn)文明行列。

可能證偽

量子糾纏可以用來(lái)通訊是常見(jiàn)誤區(qū)

1. 糾纏態(tài)粒子雙方必須在約定好的時(shí)間上“同時(shí)”測(cè)量子在某一方向上的自旋，而這種自旋的狀態(tài)存在一種相關(guān)性（調(diào)整角度，可以達(dá)到100%正相關(guān)）

所以量子通信不可能達(dá)到超光速的信息傳遞

因?yàn)樽孕臓顟B(tài)是隨機(jī)的，比如1,0，-1，如果是完全正相關(guān)，在A點(diǎn)測(cè)的時(shí)候是1，B點(diǎn)也是1.但是A點(diǎn)的測(cè)試員不知道他會(huì)出現(xiàn)1還是0還是－1，這三個(gè)數(shù)字是隨機(jī)的，只不過(guò)AB兩點(diǎn)有超光速的“影響”而已

可以看做是一種糾纏態(tài)粒子之間的“加密”信息。。。

而且測(cè)量的時(shí)間必須是約定好的（如果參考系的運(yùn)動(dòng)速度有很大差異，要用狹義相對(duì)論修正約定的時(shí)間的），也就是說(shuō)不能用測(cè)量間隔做信息傳遞的方式（相隔長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量和相隔短時(shí)間測(cè)量），因?yàn)槿绾螠y(cè)量都是約定好的。 [3]

2. 首先，你可以制造一個(gè)糾纏態(tài)，（足夠長(zhǎng)的時(shí)間后）讓它可以在足夠遠(yuǎn)的空間點(diǎn)之上產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，但是一旦測(cè)量破壞了這個(gè)態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)里這個(gè)態(tài)的破壞（塌縮）是瞬時(shí)傳遍全空間的，我們一般說(shuō)的利用量子糾纏的超光速就是指這一步），你就不能重新（超光速的）在這兩點(diǎn)之間建立新的糾纏態(tài)。

我們要從量子態(tài)提取信息，就必須測(cè)量，一旦測(cè)量，糾纏態(tài)就會(huì)破壞，因此你如果要保持糾纏態(tài)，就不能對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。假設(shè)有一個(gè)糾纏態(tài)存在，在A進(jìn)行測(cè)量，波函數(shù)塌縮了，這時(shí)B處的狀態(tài)的確發(fā)生了變化，但由于它本身并不處在一個(gè)測(cè)量行為中（否則波函數(shù)之前就塌縮了），因此在B處不可能實(shí)時(shí)得知這個(gè)變化，只有通過(guò)打電話之類(lèi)的經(jīng)典行為，A處的人至少得告訴B處的人已經(jīng)做過(guò)測(cè)量了，B處的人再來(lái)進(jìn)行測(cè)量，才有可能能得知A處傳過(guò)來(lái)的信息具體是什么。

所以量子通信真正的優(yōu)勢(shì)不是超光速，而是其保密性。理論上信息傳遞過(guò)程中是絕對(duì)安全的，敵人最多可以破壞通信，但是絕對(duì)無(wú)法截獲通信內(nèi)容。 [3]

量子傳送“薛定諤的貓”（示意圖）

為了完成一個(gè)量子傳輸?shù)倪^(guò)程, 你需要準(zhǔn)備:

1. 需要被傳輸?shù)牧孔颖忍?Qubit). 比如一個(gè)量子態(tài)為|Φ＞的光子;

2. 一個(gè)可以傳輸兩個(gè)傳統(tǒng)比特信息的普通信道. 例如無(wú)線電;

3. 一個(gè)可以產(chǎn)生一組EPR糾纏對(duì)的裝置. 例如通過(guò)BBO晶體的光子;

4. 一個(gè)可以進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量的裝置.

對(duì)于光量子通信來(lái)說(shuō)，如果需要把信息從A地傳遞到B地，需要如下步驟:

1. 生成一對(duì)EPR糾纏的光子對(duì)，把它們分別分配到A地和B地。A地我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了需要傳輸?shù)墓庾觸Φ＞.

2. 對(duì)A地的兩個(gè)光子做貝爾態(tài)測(cè)量，使A地的兩個(gè)光子糾纏并坍塌到四種貝爾態(tài)的一種. 此時(shí)B地的光子狀態(tài)已經(jīng)改變，而且它不再處于糾纏狀態(tài).

3. 用傳統(tǒng)信道告訴B地的工作人員，剛才A地進(jìn)行的貝爾測(cè)量得到的是四種結(jié)果中的哪一種.

4. B的工作人員通過(guò)得到的信息，對(duì)B地的光子做一個(gè)正變換，就能得到光子|Φ＞的復(fù)制版本.

量子傳輸

對(duì)于傳統(tǒng)的傳輸方式, 如果要傳輸光子|Φ＞就需要對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，并傳遞相關(guān)參數(shù)。 但是對(duì)于量子比特，測(cè)量必然會(huì)導(dǎo)致波函數(shù)坍塌，因此我們無(wú)法獲得|Φ＞的準(zhǔn)確參數(shù)，進(jìn)而就無(wú)法完全復(fù)制它.

另外, 其實(shí)量子傳輸并不能用超過(guò)光速的速度傳遞實(shí)際信息. 雖然B地光子的狀態(tài)在A地進(jìn)行貝爾測(cè)量的瞬間被改變了, 但我們還是需要使用貝爾測(cè)量的結(jié)果變換B的狀態(tài)才能得到需要的信息.

量子通信的理論原理

首先關(guān)于量子的“隱形”信道, 其實(shí)是處于糾纏狀態(tài)下的量子對(duì). 一般我們使用比較容易處理的EPR糾纏對(duì)(最大糾纏). 此時(shí)量子對(duì)處于四種貝爾態(tài)的一種:

|Φ+＞ (AB)= (|00＞ + |11＞) / sqrt(2);

|Φ-＞(AB) = (|00＞ - |11＞) / sqrt(2);

|Ψ+＞(AB) = (|01＞ + |10＞) / sqrt(2);

|Ψ-＞(AB) = (|01＞ - |10＞) / sqrt(2);

或者簡(jiǎn)單地說(shuō)他們狀態(tài)“必然一樣”或者“必然相反”. 當(dāng)其中的一個(gè)狀態(tài)改變的時(shí)候， 另外一個(gè)狀態(tài)也會(huì)立即相應(yīng)地變化. 假設(shè)AB處于 |Φ+＞ (AB)的狀態(tài):

|Φ+＞ (AB)= (|11＞ + |00＞) / sqrt(2);

假設(shè)需要傳輸?shù)牧孔颖忍厥?

|Φ＞(C) = α|0＞ + β|1＞ (α, β為復(fù)數(shù)，且|α|^2 + |β|^2=1);

因?yàn)镃和EPR對(duì)A,B是不相關(guān)的， 因此系統(tǒng)整體的狀態(tài)是:

|System＞ = |Φ+＞ (AB) ? |Φ＞(C)

= [(|11＞ (AB)+ |00＞(AB)) / sqrt(2)] ? [α|0＞ (C)+ β|1＞(C)]

由于:

|11＞ = (|Φ+＞ - |Φ-＞)/sqrt(2);

|00＞ = (|Φ+＞ + |Φ-＞)/sqrt(2);

|01＞ = (|Ψ+＞ + |Ψ-＞)/sqrt(2);

|10＞ = (|Ψ+＞ - |Ψ-＞)/sqrt(2);

所以, 可以把系統(tǒng)波函數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)于AC糾纏的貝爾基底:

|System＞ = 0.5( |Φ+＞(AC) ? (α|0＞(B) + β|1＞(B) ) + |Φ-＞(AC) ? (α|0＞(B) - β|1＞(B) ) + |Ψ+＞(AC) ? (β|0＞(B) + α|1＞(B) ) + |Ψ-＞(AC) ? (β|0＞(B) - α|1＞(B) ))

不難看出系統(tǒng)是以下幾種狀態(tài)的線性疊加:

|Φ+＞(AC) ? (α|0＞(B) + β|1＞(B) )

|Φ-＞ (AC) ? (α|0＞(B) - β|1＞(B) )

|Ψ+＞(AC) ? (β|0＞(B) + α|1＞(B) )

|Ψ-＞(AC) ? (β|0＞(B) - α|1＞(B) )

而且以上每種狀態(tài)的幾率幅相等. 所以，當(dāng)對(duì)于AC進(jìn)行貝爾測(cè)量的后， 系統(tǒng)會(huì)坍塌到以上的一種狀態(tài).

因?yàn)槲覀內(nèi)绻笲的狀態(tài)和C相同, 既：α|0＞(B) + β|1＞(B), 只要使用對(duì)應(yīng)的泡利矩陣變換就可以了.

所以當(dāng)對(duì)AC的測(cè)量結(jié)果為|Φ+＞(AC)時(shí)，B不需要任何變換;

當(dāng)對(duì)AC的測(cè)量結(jié)果為|Φ-＞(AC)時(shí)，B的變換矩陣是[0 1 / 0 -1];

當(dāng)對(duì)AC的測(cè)量結(jié)果為|Ψ+＞(AC)時(shí)，B的變換矩陣是[0 1 / 1 0];

當(dāng)對(duì)AC的測(cè)量結(jié)果為|Ψ-＞(AC)時(shí)，B的變換矩陣是[0 -1 / 1 0].

于是，量子傳輸就完成了.

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