什么是量子瞬間傳輸技術(shù)？看完你可能就懂了^_^
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近日中國量子通信衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)射上天，舉國科技界一遍歡騰之聲，媒體也連日大肆宣揚(yáng)，到底什么是量子通信、什么是量子魅距效應(yīng)，下面以民科身份簡單科普一下： 2015年3月有一條消息《中科大潘建偉項(xiàng)目組實(shí)現(xiàn)量子瞬間傳輸技術(shù)重大突破》。這項(xiàng)成果后來被英國物理學(xué)會(huì)評(píng)為2015年度十大物理學(xué)突破之首，被中國科技部評(píng)為2015年度中國科學(xué)十大進(jìn)展之首。這條新聞剛出來時(shí)就令許多人激動(dòng)不已，觀者如堵。怎么個(gè)激動(dòng)法？最常見的反應(yīng)有兩種。一種是：“你們說的每一個(gè)字我都認(rèn)識(shí)，但是你們說的東西我特么一點(diǎn)都聽不懂！贊！！”可以簡稱“不明覺厲”。另一種是：“以后到了公交站，刷卡，選地點(diǎn)，biu的一聲就出現(xiàn)在目的地公交站啦！爽！”可以簡稱“瞬間移動(dòng)”。其實(shí)兩種反應(yīng)都是被小編誤導(dǎo)的。因?yàn)樾【幍呐鋱D是《星際迷航》中的瞬間傳輸裝置（每次與量子傳態(tài)有關(guān)的報(bào)道他們總要配這個(gè)），后者就當(dāng)真了。而前者可能認(rèn)真地讀了報(bào)道，發(fā)現(xiàn)根本沒法連成一個(gè)完整的故事。沒辦法，懂得科學(xué)原理的小編不多，小編能想到的“日常生活”對應(yīng)物只有這個(gè)“beam me up”。是不是很希望專業(yè)人士來做個(gè)準(zhǔn)確的科普？ 64380cd7912397dd9d6885f75e82b2b7d0a2872b.jpg) 《星際迷航》中的瞬間傳輸裝置
我的專業(yè)是理論物理化學(xué)，按說量子信息不是該我科普的。不過我好歹懂得比公眾多一些，并且請教了一位潘建偉院士組里的同事陳博士。雖然陳博士不是這篇文章的作者，而且一再聲稱他做的不是這一塊，對整個(gè)量子信息也了解有限（這是科研工作者的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)度，有一分證據(jù)說一分話），但還是提供了很多深入淺出的解讀，特此鳴謝。于是乎，我覺得我對這項(xiàng)工作有一定的宏觀了解，可以向公眾解釋解釋了。雖然在內(nèi)行看來很粗淺，但至少可以澄清一些誤解，讓你明白這項(xiàng)成果實(shí)際上是什么，不是什么，在科學(xué)史上處于什么位置，重要性有多高。我的敘述會(huì)力求簡明，讓高中以上文化水平的人都能看明白，同時(shí)力求準(zhǔn)確，給出正確的科學(xué)圖像。其實(shí)準(zhǔn)確的表述往往比似是而非的表述更容易理解，這是看了很多半通不通的報(bào)道和教材之后的感受。總之，包你懂！如果還是不懂……再看一遍?。?） 這項(xiàng)工作是2015年2月26日以封面標(biāo)題的形式發(fā)表在國際頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》（Nature）上的，作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室的潘建偉院士、陸朝陽教授等人，文章標(biāo)題是《單個(gè)光子的多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)》（“Quantum teleportation of multiple degrees offreedom of a single photon”）。這里新的成果是“多個(gè)自由度”，因?yàn)?997年就實(shí)現(xiàn)了單個(gè)光子的單個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)。那么，什么是光子？（光子是光的最小單元，日常見到的一束光中包含非常多個(gè)光子。）什么是自由度？什么是量子？什么是態(tài)？什么是量子傳態(tài)？ 7e3e6709c93d70cfb4c9b6feffdcd100baa12b15.jpg) 潘建偉和陸朝陽
一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說這個(gè)物理量是量子化的，把這個(gè)最小單位稱為量子。光子就是光量子，一束光至少包含一個(gè)光子，再少就不存在了。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子中電子的能量不是連續(xù)變化的，而是只能取一些分立的值，也就是說，原子中的電子能量是量子化的。量子化是微觀世界的普遍現(xiàn)象。20世紀(jì)上半葉（主要是從1900年到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、泡利等偉大的物理學(xué)家們創(chuàng)立了量子力學(xué)，這是我們目前對微觀世界最準(zhǔn)確的描述。相對論幾乎是愛因斯坦獨(dú)力創(chuàng)造出來的，量子力學(xué)卻是群星璀璨的產(chǎn)物。愛因斯坦在其中也發(fā)揮了非常重要的作用（提出光量子，這是他得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的原因，——居然不是相對論?。?，但并不是最重要的，最重要的兩個(gè)貢獻(xiàn)者是普朗克和海森堡。不過上面無論哪一位，都比在世的物理學(xué)家偉大多了（楊振寧可能跟泡利相差不是很遠(yuǎn)？），這是時(shí)代的垂青，個(gè)人無法改變的。 d8f9d72a6059252df54701f7339b033b5ab5b9f4.jpg) 普朗克 d1a20cf431adcbef351c62f5abaf2edda3cc9f1c.jpg) 海森堡
量子力學(xué)描述世界的語言跟經(jīng)典力學(xué)有根本區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)描述一個(gè)粒子的狀態(tài)，說的是它在什么位置，具有什么動(dòng)量。不言而喻的是，在任何一個(gè)時(shí)刻這個(gè)粒子總是位于某個(gè)位置，具有某個(gè)動(dòng)量，即使你不知道是多少。量子力學(xué)描述一個(gè)粒子的狀態(tài)，卻是給出一個(gè)態(tài)函數(shù)或者稱為態(tài)矢量，這個(gè)態(tài)矢量不是位于日常所見的三維空間，而是位于一個(gè)數(shù)學(xué)抽象的線性空間。在這里我們不需要深究這是個(gè)什么空間，關(guān)鍵在于兩個(gè)態(tài)矢量之間可以進(jìn)行“內(nèi)積”（或者稱為“點(diǎn)積”）的運(yùn)算。內(nèi)積是什么？在三維空間中，兩個(gè)矢量a和b做內(nèi)積(a, b)，得到的是它們的長度相乘再乘以夾角的余弦。夾角的余弦，在兩個(gè)矢量方向相同時(shí)等于1，方向相反時(shí)等于-1，互相垂直時(shí)等于0。所以內(nèi)積的絕對值越大，就說明兩個(gè)矢量的方向越接近。對兩個(gè)態(tài)矢量也可以求這樣的內(nèi)積，內(nèi)積的絕對值表征出它們的相似程度。 adaf2edda3cc7cd9c5092b2a3e01213fb80e9118.png) 兩個(gè)矢量的內(nèi)積
好，現(xiàn)在不可思議的新概念來了：對于任何一個(gè)物理量P（例如位置、動(dòng)量），態(tài)矢量都可以分為兩類。一類具有確定的P，稱為P的本征態(tài)，P的取值稱為這個(gè)本征態(tài)的本征值；另一類不具有確定的P，稱為P的非本征態(tài)。非本征態(tài)比本征態(tài)多得多，如同無理數(shù)比有理數(shù)多得多。也就是說，絕大多數(shù)情況下，一個(gè)粒子是沒有確定的位置的！等等，什么叫做“沒有確定的位置”？是因?yàn)榱Ｗ优艿锰炝?，我們看不清嗎？量子力學(xué)說的不是這種常規(guī)（而錯(cuò)誤）的理解，而是說：非本征態(tài)是一個(gè)客觀真實(shí)的狀態(tài)，跟本征態(tài)同樣客觀真實(shí)，它沒有確定的位置是因?yàn)樗举|(zhì)上就是如此，而不是因?yàn)槲覀兊男畔⒉蝗?。來打個(gè)比方，有些狀態(tài)可以用指向上下左右的箭頭來表示，于是你定義“方向”為一個(gè)物理量，但是還有些狀態(tài)是一個(gè)圓！圓狀態(tài)跟箭頭狀態(tài)同樣真實(shí)，只是沒有確定的方向而已。 但是讀者還會(huì)困惑，因?yàn)槲覀兛偸强梢杂脙x器去測量粒子的位置，測量的結(jié)果總是粒子出現(xiàn)在某個(gè)地方，而不是同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，或者哪里都測量不到。好，下面就是量子力學(xué)的關(guān)鍵思想：對P的本征態(tài)測量P，粒子的狀態(tài)不變，測得的是這個(gè)本征態(tài)的本征值。而對P的非本征態(tài)s測量P，會(huì)使粒子的狀態(tài)突然從s變成某個(gè)P的本征態(tài)f，概率是s與f的內(nèi)積的絕對值的平方│(s, f)│^2，發(fā)生這個(gè)突變后測得的就是f的本征值。狀態(tài)從s突變到f的概率是│(s, f)│^2，實(shí)際意思就是這兩個(gè)態(tài)越相似，概率就越大。用上面的例子來說，對箭頭狀態(tài)測方向，狀態(tài)不變，得到的就是箭頭的方向；對圓狀態(tài)測方向，圓狀態(tài)會(huì)以相同的幾率變成任何一個(gè)箭頭狀態(tài)，得到的是這個(gè)新的箭頭狀態(tài)的方向。對位置的非本征態(tài)測量位置，就會(huì)測得粒子出現(xiàn)在某個(gè)隨機(jī)的位置，而出現(xiàn)在空間所有位置的幾率之和等于1。 怎么知道測量結(jié)果是隨機(jī)的呢？制備多個(gè)具有相同狀態(tài)的粒子，把實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次，就會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果每次都不一樣。沒錯(cuò)，量子力學(xué)具有本質(zhì)的隨機(jī)性，同樣的原因可以導(dǎo)致不同的結(jié)果，這是跟經(jīng)典力學(xué)的又一大區(qū)別。 有人要問了，測量如此奇特，它的本質(zhì)是什么？回答是：量子力學(xué)最大的神秘之一，就是測量的本質(zhì)誰也不知道！目前只能把測量理解為一種操作定義：對本征態(tài)的測量不改變狀態(tài)，得到本征值；對非本征態(tài)的測量隨機(jī)地把它改變成某個(gè)本征態(tài)，得到相應(yīng)的本征值。 你也許會(huì)覺得上面這些說法莫名其妙，但是現(xiàn)在絕大多數(shù)科學(xué)家都對它們奉若圭臬。為什么呢？因?yàn)檫@套奇怪的理論跟實(shí)驗(yàn)符合得很好，而經(jīng)典力學(xué)卻不能。當(dāng)然，這是哲學(xué)性的原因，而操作性的原因很簡單：現(xiàn)在的科學(xué)家受的都是量子力學(xué)的教育。普朗克有一句非常有趣的話：“新的科學(xué)真理并不是由于說服它的對手取得勝利的，而是由于它的對手死光了，新的一代熟悉它的人成長起來了?！闭\哉斯言！ 事實(shí)上，現(xiàn)在仍然有不少人對量子力學(xué)提出各種各樣的挑戰(zhàn)，包括不少專業(yè)科學(xué)家，民科就更多了（當(dāng)然挑戰(zhàn)相對論的民科更多）。歷史上，挑戰(zhàn)量子力學(xué)的勢力更加強(qiáng)大，其中的帶頭大哥就是——愛因斯坦！老愛堅(jiān)信粒子應(yīng)該具有確定的位置和動(dòng)量，世界的演化應(yīng)該是決定性的，對前面說的量子力學(xué)的不確定性和隨機(jī)性十分不滿。用他自己的話來說，他相信“沒有人看月亮的時(shí)候，月亮仍然存在”，以及“上帝不擲骰子”。 9a504fc2d5628535b21cced297ef76c6a6ef6340.png) 愛因斯坦認(rèn)為：“上帝不擲骰子?！?/div>
如果是一般人，表達(dá)完信念也就沒事了。但愛因斯坦是超級(jí)偉大的科學(xué)家，神一樣的人物，他不滿足于只做口舌之爭，打算按照科學(xué)規(guī)范，設(shè)計(jì)一個(gè)判決性的實(shí)驗(yàn)，以可驗(yàn)證的方式證明量子力學(xué)的錯(cuò)誤。于是乎，1935年，愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，后人用他們的首字母稱為EPR實(shí)驗(yàn)。你可以制備兩個(gè)粒子A和B的“圓”態(tài)，使得在這個(gè)狀態(tài)中兩個(gè)粒子的某個(gè)性質(zhì)（如電子的自旋角動(dòng)量、光子的偏振）相加等于零，而單個(gè)粒子的這個(gè)性質(zhì)不確定。這樣一對粒子稱為“EPR對”，屬于量子力學(xué)中的“糾纏態(tài)”，因?yàn)檫@兩個(gè)粒子的性質(zhì)不可分割地糾纏在一起了。然后你把這兩個(gè)粒子在空間上分開很遠(yuǎn)，任意的遠(yuǎn)，然后測量粒子A的這個(gè)性質(zhì)。好比你測得A是“上”，那么你就立刻知道了B現(xiàn)在是“下”。好比成龍電影《雙龍會(huì)》中有心靈感應(yīng)的雙胞胎，一個(gè)做了某個(gè)動(dòng)作，另一個(gè)無論有多遠(yuǎn)都會(huì)做同樣的動(dòng)作（在相反的方向）。問題是，既然A和B已經(jīng)離得非常遠(yuǎn)了，B是怎么知道A發(fā)生了變化，然后發(fā)生相應(yīng)的變化的？EPR認(rèn)為A和B之間出現(xiàn)了“鬼魅般的超距作用”，信息傳遞的速度超過光速，違反相對論。所以，量子力學(xué)肯定有錯(cuò)誤。 472309f7905298227f3f2630d0ca7bcb0a46d430.jpg) 成龍《雙龍會(huì)》
這個(gè)問題非常深邃，直到現(xiàn)在都不斷給人以啟發(fā)。不過量子力學(xué)的正統(tǒng)衛(wèi)道士有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)回答：處于糾纏態(tài)的A和B是一個(gè)整體，當(dāng)你對A進(jìn)行測量的時(shí)候，A和B是同時(shí)發(fā)生變化的，并不是A變了之后傳一個(gè)信息給B，B再變化，所以這里沒有信息的傳遞，不違反相對論。這個(gè)回答怎么樣？無論你信不信，反正我信了。不過愛因斯坦一直都不信，以這個(gè)他參與創(chuàng)建的理論的反對者的身份走完了一生。 在愛因斯坦的時(shí)代，EPR實(shí)驗(yàn)只能在頭腦中進(jìn)行。隨著科技的進(jìn)步，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)了。1980年代，阿斯佩克特等人做了EPR實(shí)驗(yàn)，結(jié)果你猜怎么著？完全跟量子力學(xué)的預(yù)言符合！真的是你測得一個(gè)EPR對中的A是“上”的時(shí)候，B就變成了“下”。本來是設(shè)計(jì)出來否定量子力學(xué)的，反而驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。這種事在科學(xué)史上屢見不鮮。19世紀(jì)的時(shí)候，泊松主張光是粒子，菲涅耳主張光是波動(dòng)。。1818年，菲涅耳計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋。泊松指出，按照菲涅耳的理論，在不透明圓板的正后方中央會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。他認(rèn)為這是不可能的，于是宣稱駁倒了波動(dòng)說。但菲涅耳和阿拉果立即做實(shí)驗(yàn)，果然有個(gè)亮斑，波動(dòng)說大獲全勝。后人很有幽默意味地把這個(gè)亮點(diǎn)稱為泊松亮斑。這正應(yīng)了尼采的話：“殺不死我的，使我更強(qiáng)大！” 4b90f603738da977ef1899d8b751f8198618e30a.jpg) 泊松亮斑
EPR現(xiàn)象既然是一個(gè)真實(shí)的效應(yīng)，而不是愛因斯坦等人以為的悖論，人們就想到利用它。量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）就是一個(gè)重要的應(yīng)用，這是1993年按照量子力學(xué)設(shè)計(jì)出來的一種實(shí)驗(yàn)方案。英文單詞teleportation就是科幻藝術(shù)中biu的一聲把人傳過去的瞬間傳輸，tele是遠(yuǎn)，port是傳，所以小編們報(bào)道這種新聞總是配傳人的圖片，《星際迷航》中的Spock發(fā)來賀電！可是，量子隱形傳態(tài)實(shí)際做的是把一個(gè)粒子A的量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子B，讓B變成A最初的狀態(tài)，傳的是狀態(tài)而不是粒子。當(dāng)然你可以說傳人也是把人的所有原子的狀態(tài)傳到遠(yuǎn)處的另外一堆原子上，組合成一個(gè)同樣的人。好，我沒意見，只不過為了避免混淆，中國的科學(xué)家還是小心謹(jǐn)慎地把teleportation翻譯成了隱形傳態(tài)。這個(gè)中文名稱其實(shí)比英文名稱好得多，準(zhǔn)確而簡練，反映出中文的優(yōu)勢。 7acb0a46f21fbe097f4adce76c600c338744ad28.jpg) 量子隱形傳態(tài)
量子隱形傳態(tài)的基本思路是這樣：讓第三個(gè)粒子C跟B組成EPR對，而C跟A離得很近，跟B離得很遠(yuǎn)。讓A跟C發(fā)生相互作用，改變C的狀態(tài)，于是B的狀態(tài)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。這時(shí)A和C這個(gè)兩粒子集合的狀態(tài)有四種可能，分別對應(yīng)00、01、10、11四個(gè)字符串。B的狀態(tài)也相應(yīng)地有四種可能，每一種可能都跟A最初的狀態(tài)（即你想傳輸?shù)哪繕?biāo)狀態(tài)）有一定程度的相似之處，可以通過某些量子力學(xué)的操作變成目標(biāo)狀態(tài)。對A和C的整體做一次測量，A和C就隨機(jī)地突變到了00、01、10、11這四種狀態(tài)中的某一個(gè)上，B也突變到了相應(yīng)的狀態(tài)?，F(xiàn)在你得到了一個(gè)兩比特的字符串，00、01、10或11，你可以把它理解為一個(gè)密碼。把這個(gè)密碼通過經(jīng)典的通訊手段（比如電話、光纜）告訴B那邊的人，對B按照密碼進(jìn)行操作，就得到了A最初的狀態(tài)。由此可見，量子隱形傳態(tài)的基本元素包括中介粒子、密碼和經(jīng)典信道。 這里要澄清一個(gè)常見的誤解。許多人把量子隱形傳態(tài)當(dāng)成了瞬間傳輸，不花時(shí)間就能傳輸?shù)綗o限遠(yuǎn)處，然后高呼推翻了相對論。還有人以為憑這一招，信息傳播速度就可以超光速，我們可以跟離地球500萬光年的星球即時(shí)通話。這是完全錯(cuò)誤的！仔細(xì)看上面的流程，通過測量讓各個(gè)粒子的狀態(tài)突變確實(shí)可以不花時(shí)間，但是光憑這一步是無法得到目標(biāo)狀態(tài)的。為了知道對B要做什么操作才能得到目標(biāo)狀態(tài)，必須把那個(gè)兩比特的字符串傳過去，這就要通過經(jīng)典的通信，而經(jīng)典通信不能超過光速。由于有傳輸密碼這一步卡著，所以量子隱形傳態(tài)不能超光速。 對這個(gè)結(jié)論有些沮喪嗎？我得強(qiáng)調(diào)一句，成熟的科學(xué)理論不是這么容易推翻的。量子力學(xué)和相對論不是完全沒有矛盾，但那是跟廣義相對論有矛盾（引力問題），狹義相對論跟量子力學(xué)還是很和諧的。量子隱形傳態(tài)是個(gè)按照標(biāo)準(zhǔn)理論設(shè)計(jì)出來的方案，當(dāng)然不會(huì)跟標(biāo)準(zhǔn)理論沖突。與其把它理解成一個(gè)推翻正統(tǒng)的革命家，不如把它理解成一個(gè)在現(xiàn)行體制下發(fā)揮奇思妙想的工藝大師。 還有一個(gè)常見的誤解，是把量子隱形傳態(tài)當(dāng)成復(fù)制狀態(tài)，然后就開始擔(dān)憂兩地同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)自己，到底誰才是自己。這種理解也是錯(cuò)誤的。仔細(xì)看量子隱形傳態(tài)的流程，最終結(jié)果是B變成了A最初的狀態(tài)，但A的狀態(tài)也改變了。也就是說，任何時(shí)刻都只有一個(gè)粒子處于目標(biāo)狀態(tài)。如果要說這是復(fù)制的話，也是一種破壞性的復(fù)制，造出一個(gè)復(fù)本的同時(shí)就要把原本銷毀。所以樣品不會(huì)增多，只是從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)地方而已。 總而言之，量子隱形傳態(tài)是以不高于光速的速度、破壞性地把一個(gè)粒子的未知狀態(tài)傳輸給另一個(gè)粒子。打個(gè)比方，用顏色表示狀態(tài)，A粒子最初是紅色的，通過隱形傳態(tài)，我們讓遠(yuǎn)處的B粒子變成紅色，而A粒子同時(shí)變成了綠色。但是我們完全不需要知道A最初是什么顏色。無論A是什么顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色，同時(shí)A的顏色改變。 量子隱形傳態(tài)是在什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的？答案是1997年，當(dāng)時(shí)潘建偉在奧地利因斯布魯克大學(xué)的塞林格（Anton Zeilinger）教授組里讀博士，他們在《自然》上發(fā)表了一篇題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》（“Experimental quantum teleportation”）的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等等，這個(gè)陣容強(qiáng)大得嚇?biāo)廊恕．?dāng)然，量子隱形傳態(tài)的重要性不如那些神級(jí)成果，不過也已經(jīng)相當(dāng)了不起了，尤其是在基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)很久沒有革命的當(dāng)代。 0e2442a7d933c8956b928488d61373f083020050.jpg) 塞林格
現(xiàn)在終于可以說到潘建偉研究組最新的這個(gè)工作了。1997年實(shí)現(xiàn)的是單個(gè)光子的單個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)的是單個(gè)光子的多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)。自由度是什么？自由度就是描述一個(gè)體系所需的變量的數(shù)目。例如在數(shù)學(xué)上，考慮一條線上的一個(gè)點(diǎn)，描述它只需要一個(gè)數(shù)，自由度就是1。一個(gè)面上的一個(gè)點(diǎn)，自由度就是2。三維空間中的一個(gè)點(diǎn)，自由度就是3。在物理中，描述三維空間中一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子，需要知道位置的3個(gè)分量和動(dòng)量的3個(gè)分量，自由度是6。光子具有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，如果你看不懂這兩個(gè)詞，沒關(guān)系，只要明白它們是兩個(gè)自由度就夠了。在以前的實(shí)驗(yàn)中，傳的只是自旋角動(dòng)量的狀態(tài)。但是如果你想真正傳輸一個(gè)光子的完整狀態(tài)，就需要把這兩個(gè)自由度的狀態(tài)都傳過去。潘建偉研究組實(shí)現(xiàn)的就是這件事。所以完整意義的量子隱形傳態(tài)，應(yīng)該說是2015年才實(shí)現(xiàn)的。打個(gè)比方，現(xiàn)在用顏色和形狀來表示狀態(tài)，A粒子最初是紅色的正方形，我們可以讓B粒子變成紅色的正方形，同時(shí)A變成綠色的圓形。 30adcbef76094b36e8eb041ea4cc7cd98c109dc3.jpg) 雙自由度量子隱形傳態(tài)
這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)之間為什么隔了18年之久呢？因?yàn)榍懊嬲f的全都是理論，而在實(shí)驗(yàn)操作中有非常多的技術(shù)困難。為了解決這些困難，他們“巧妙地設(shè)計(jì)了利用單光子非破壞測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)自旋和軌道角動(dòng)量多自由度貝爾態(tài)測量的新方案，制備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動(dòng)量超糾纏源、高效率的軌道角動(dòng)量測量器件，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動(dòng)量糾纏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”。對量子信息的業(yè)外人士來說，這些是技術(shù)細(xì)節(jié)了。重要的是，這些技術(shù)進(jìn)步都非常新穎，非常困難，通過這些實(shí)驗(yàn)手段的創(chuàng)新，他們終于達(dá)到了多自由度隱形傳態(tài)的目的。這是現(xiàn)代科研的常態(tài)，在一個(gè)看似簡單的故事下面隱含著無數(shù)的技術(shù)細(xì)節(jié)。這是隔行如隔山的來源，也是民科在當(dāng)代的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)比歷史上小的原因。 知道了這項(xiàng)成果是什么，我們可以來回答它不是什么了。很遺憾，它不是biu的一聲把人傳走。當(dāng)然，可以說是朝這個(gè)方向前進(jìn)了一步，而且是一大步。多大的一步？如果用《老子》的話：“道生一，一生二，二生三，三生萬物?！?997年是實(shí)現(xiàn)了道生一，這次是實(shí)現(xiàn)了一生二。不過，離傳人有多遠(yuǎn)的距離呢？可以這樣估算。12克碳原子是1摩爾，即6.023*10^23個(gè)。人的體重如果是60公斤，就大約有5000摩爾的原子，3*10^27個(gè)。描述一個(gè)原子的狀態(tài)，我不知道要多少個(gè)自由度，姑且算作10個(gè)吧。那么要描述一個(gè)人，就需要10^28量級(jí)的自由度。我們剛剛從1進(jìn)步到了2……所以，嗯，我們的征途是星辰大海！騷年，向著夕陽奔跑吧！ 由于這項(xiàng)工作的重要性，《自然》在同一期上評(píng)論道：“該實(shí)驗(yàn)為理解和展示量子物理的一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的預(yù)言邁出了重要的一步，并可以作為未來量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)強(qiáng)大的基本單元?！边@是一個(gè)恰如其分的評(píng)價(jià)。如果你要問，能不能得諾貝爾獎(jiǎng)？我不好說，不過如果真有一天得獎(jiǎng)，塞林格應(yīng)該在前面，因?yàn)榈郎豢隙ū纫簧匾?。?dāng)然，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)都還很年輕，他們有無限的可能性，將來因?yàn)槠渌某删偷弥Z貝爾獎(jiǎng)也未可知?？茖W(xué)最大的魅力之一，就是一切皆有可能。（來，干了這碗雞湯?。?/p> 有人要問了，量子隱形傳態(tài)離產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？回答是非常遠(yuǎn)?，F(xiàn)在剛剛達(dá)到傳兩個(gè)自由度的水平，相當(dāng)于只能傳兩個(gè)比特的數(shù)據(jù)。但是量子信息的另一項(xiàng)內(nèi)容已經(jīng)接近產(chǎn)業(yè)化了，就是量子保密通信，或者稱為量子密碼術(shù)。這方面世界最先進(jìn)的誰？答案還是中國，還是科大。中國建了好幾個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)，科大將在2016年7月發(fā)射量子通信衛(wèi)星。量子密碼術(shù)的作用，是一旦有人竊聽你立刻就知道，而且竊聽者解讀不出信息，也就是說，實(shí)現(xiàn)了物理原理層面的絕對保密。 值得特別強(qiáng)調(diào)的是，中國的量子信息絕不是一花獨(dú)放，而是百花爭春。僅僅在科大的研究組就有郭光燦院士、潘建偉院士、杜江峰院士三家，比較小的就數(shù)不過來了。杜江峰研究組在2015年3月6日的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了題為《日常環(huán)境下單蛋白質(zhì)的自旋共振譜》（“Single-protein spin resonance spectroscopy underambient conditions”）的文章，這項(xiàng)成果也入選了中國科技部評(píng)的2015年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。 據(jù)我了解，中國的量子信息研究是從1990年代開始的。那時(shí)郭光燦從量子光學(xué)轉(zhuǎn)向量子信息，迎來了事業(yè)的高峰。潘建偉和杜江峰那時(shí)只是研究生，現(xiàn)在已經(jīng)是國際領(lǐng)軍人物。從這些軌跡可以看出，一個(gè)國家的科學(xué)可以進(jìn)步得有多快。 1999年左右，楊振寧到科大演講《近代科學(xué)進(jìn)入中國的回顧與前瞻》，結(jié)論是：“以下的幾個(gè)長遠(yuǎn)的因素是使得一個(gè)社會(huì)、一個(gè)國家能夠有輝煌的科技發(fā)展的必要條件。第一個(gè)是需要有聰明的年輕人，有頭腦做科學(xué)研究；第二是需要有重視紀(jì)律、重視忍耐心、重視勤奮的社會(huì)傳統(tǒng)；第三要有決心；第四要有經(jīng)濟(jì)條件?！袊?0世紀(jì)里有前三者，到了21世紀(jì)我認(rèn)為將四者具備，所以我對21世紀(jì)中國科技的發(fā)展是絕對樂觀的?！碑?dāng)時(shí)我十分不以為然，因?yàn)橹袊刑嗟膯栴}，腐敗，專制，貧富差距，世風(fēng)日下……所以，楊先生，您是不是老糊涂了？當(dāng)時(shí)我傾向于崩潰論，對中國的前途十分悲觀。后來隨著眼界的擴(kuò)大，越來越發(fā)現(xiàn)楊振寧講的是完全正確的。雖然他這些道理看起來無比的質(zhì)樸，簡直是土得掉渣，但實(shí)際上是“重劍無鋒，大巧不工”?？茖W(xué)大師關(guān)于科學(xué)發(fā)展的眼光確實(shí)比我們高得多，不服不行。你說中國沒人才，耐心培養(yǎng)不就是了？以中國人的天分，說不定一搞就搞出個(gè)國際領(lǐng)導(dǎo)者來?？茖W(xué)最大的魅力之一，就是一切皆有可能。（來，再干了這碗雞湯?。?/p> 6c224f4a20a446230346ba919f22720e0df3d7b0.jpg) 楊振寧
在這里我要講一個(gè)故事。美國物理學(xué)家拉比（Isidor Isaac Rabi, 1898-1988）年輕的時(shí)候去歐洲留學(xué)，發(fā)現(xiàn)美國最重要的的物理學(xué)雜志《物理評(píng)論》是被一年一次用船運(yùn)過去的，說明在歐洲科學(xué)界看來美國的物理學(xué)根本不值得重視。拉比暗下決心振興美國物理學(xué)，回國后擔(dān)任了《物理評(píng)論》的主編，如今這本雜志是世界物理學(xué)界最著名的期刊之一。美國化學(xué)家鮑林（Linus Carl Pauling, 1901-1994）也是在去歐洲留學(xué)之后，把美國的化學(xué)提升到了世界最先進(jìn)水平。 e850352ac65c10387c63d031b5119313b07e8927.jpg) 拉比 10dfa9ec8a1363279bf2dcc0968fa0ec08fac722.jpg) 鮑林
如果當(dāng)時(shí)有“冷靜黨”跳出來說美國人不行，永遠(yuǎn)趕不上歐洲，也能找到無數(shù)的證據(jù)。而這樣的“冷靜黨”在中國一抓一大把，正如有些網(wǎng)友所說：“中國人的意識(shí)已經(jīng)跟不上中國的發(fā)展了。國家頂尖的科研人員已經(jīng)搞的是人類科學(xué)中頂尖的那些東西了，而民眾甚至人大委員卻還在迷戀日本的馬桶圈和電飯煲……腳用30年走了人家300年的路，腦子卻留在了30年前……” 你愿意向頂尖的科研人員看齊嗎？中國最大的魅力之一，就是一切皆有可能。 作者簡介：袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長，微博@中科大胡不歸 未經(jīng)百度知道日報(bào)書面授權(quán)許可，任何人不得復(fù)制、轉(zhuǎn)載、或以其他任何方式使用百度知道日報(bào)的內(nèi)容。百度知道日報(bào)保留追責(zé)權(quán)利。聯(lián)系方式：zhidaoribao@baidu.com 文章出處：百度知道日報(bào)（http://zhidao.baidu.com/daily） 原始鏈接：http://zhidao.baidu.com/daily/view?id=12465 該文章在 2016/8/19 10:41:20 編輯過 |
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