精選答案

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)。 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，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)?！?br />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)。”處在低地球軌道的衛(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)?！?
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，稱之為“量子位”(qubit)?？梢杂昧孔討B(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)和人工智能之類的領(lǐng)域。 《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：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。 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。。?！　《覝y(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。
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)?！　∥覀円獜牧孔討B(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。