最近，【哆啦A夢】又有新電影上映了，勾起了很多人的童年回憶。還記得，小時候這個電視劇裏最吸引人的神奇道具之一，就是可以實作遠距離傳輸真實物體的「任意門」。
【哆啦A夢】裏的任意門
（圖片來源：Doraemon wiki）
雖然人們至今還無法實作真實物體的遠距離傳輸，但是科學家們受到科幻作品的啟發，已經實作了微觀粒子量子態的遠距離傳輸，這也正是今天我們要分享的「量子隱形傳態」。
量子隱形傳態中的「隱形傳態」，就是指不改變某個微觀粒子的位置，而將微觀粒子的量子態資訊直接進行遠距離傳輸，從而避免了微觀粒子本身的傳送過程。
因此，量子隱形傳態作為一種全新的資訊傳輸方案，可以避免微觀粒子的傳送過程中容易被不法分子竊聽的問題，從而保證了資訊傳送的絕對安全性。
量子隱形傳態（quantum teleportation）概念方案圖
（圖片來源：Wikipedia）
在實際套用中，量子隱形傳態方案已經實作了上千公裏的超遠距離傳遞，並且具有較高的資訊傳輸規模，從而成為了實作絕對安全的量子保密資訊傳輸的關鍵技術之一。
那麽，科學家們是如何提出如此奇妙的量子隱形傳態方案呢？要想實作該方案，我們需要做哪些技術儲備呢？對於量子隱形傳態方案，科學家們目前又取得了哪些研究突破和具體套用了呢？
量子隱形傳態的基礎——奇妙的「量子纏結」
其實，要想將某個微觀粒子的量子態，透過量子隱形傳態方案傳輸到遠處，並不能像科幻作品中那樣，說一聲「變」就能實作。而是需要訊息的發送方和接收方，提前擁有一對特殊的「電報機」才可以實作。在量子隱形傳態方案中，通常采用一對處於量子纏結狀態的量子位元來充當這對「電報機」。
生活中的電報機
（圖片來源：veer圖庫）
因此，要想了解量子隱形傳態方案，我們就必須要先了解一下什麽是量子纏結。
在奇妙的量子世界中，量子位元就是我們所能調控和運算的最小資訊單元。而量子位元之間會發生奇妙的量子纏結，仿佛「心靈感應」一般，可以實作遠距離的交互作用。
打個比方，一對處於量子纏結狀態的量子位元就像一副手套一樣，它們之間無論相距多遠，總是彼此存在特定的關聯。
假如其中一只手套被遺忘在家裏，而另外一只手套仍然在我們隨身的包中。在我們未觀察到包中的手套狀態之前，我們並不知道這兩只手套各自的狀態，只能說它們處於不確定的「左/右」纏結狀態。
一旦我們觀察到包中的手套處於左手的確定狀態時，我們就可以立即推斷出，遺忘在家裏的手套是處於右手的確定狀態。也就是說，雖然我們沒有拿到另外一只手套，卻已經完成了手套狀態的資訊傳輸。
處於量子纏結的一對量子位元
（圖片來源：veer圖庫）
對於一對處於量子纏結狀態的量子位元而言，也是類似的道理，無論彼此相距多遠，它們之間始終存在特殊的關聯性。當發送方的量子位元的狀態發生改變，接收方的量子位元也會發生相應的變化。
因此，科學家們就可以利用量子位元之間奇妙的量子纏結，來作為通訊雙方特殊的「電報機」，實作微觀粒子量子態的遠距離傳輸。
量子隱形傳態的第一步——分發處於量子纏結狀態的量子位元對
作為遠距離量子資訊傳輸的核心技術，量子隱形傳態需要利用量子纏結技術，來將微觀粒子的量子態傳輸到遙遠的地方，從而實作絕對安全和可靠的量子資訊傳輸。
因此，這對量子位元作為雙方特制的「電報機」，就需要科學家們提前將這對量子位元，分發到資訊的發送方和接收方，從而讓雙方采用量子隱形傳態方案，實作微觀粒子的量子態傳輸
量子位元纏結對的分發過程示意圖
（圖片來源：作者自繪）
為了讓大家能夠更加直觀地理解上述過程，我們可以采取如下的假設：
首先，小王在甲地，而小李在遙遠的乙地。此時，小王希望將自己手中微觀粒子的量子態，采用量子隱形傳態方案來安全地傳輸給遠處的小李。
那麽，小王和小李就需要一對處於量子纏結狀態的量子位元，作為彼此特制的「電報機」。接下來，科學家們就需要將一對纏結的量子位元A和B，分別分發給小王和小李。
需要註意的是，由於量子位元A和B的分發過程，極其容易受到外界環境的幹擾而降低保真度。因此，科學家們需要采用光纖網路或者衛星傳輸等特定方式，來保證小王和小李各自都能接收到保真度足夠高的量子位元A和B。
也就是說，雖然在理論上，量子隱形傳態方案可以將微觀粒子的量子態傳輸到任意遠的距離。然而，受限於量子纏結對有效的分發距離，微觀粒子量子態的實際傳輸距離仍然需要一步一步地提升。
量子隱形傳態的第二步——通訊雙方還需要再次溝通
在完成量子位元的分發後，小王和小李就各自擁有了量子位元A和B，並且兩個量子位元之間仍然存在量子纏結。
那麽，小王就可以將自己手中的微觀粒子與量子位元A，進行一系列的特定測量操作，並且根據不同的測量操作得到一系列的測量結果。這個過程可以類比於，小王采用自己手中特制的「電報機」，來將微觀粒子的量子態資訊與「電報機」進行一系列的互動操作。
量子態資訊的發送方進行操作的示意圖
（圖片來源：作者自繪）
與此同時，量子位元A在經過小王的操作後已經發生改變。由於量子位元A和B之間存在量子纏結，小李手中的量子位元B也會隨之發生改變。
但是，小李此時並不知道量子位元B發生的改變究竟意味著什麽。只有小王告訴小李，當初對量子位元A做了哪些測量操作和測量結果，小李才可以讀懂量子位元B改變的含義。
量子態資訊的接收方進行操作的示意圖
（圖片來源：作者自繪）
這個過程有點難以理解，我們仍然可以用「電報機」進行類比。
也就是說，此時小李手中的「電報機」雖然也出現了一系列的變化，但是小李並不知道「電報機」輸出的奇怪程式碼如何才能正確轉譯成為真實傳輸的量子資訊。那麽，小李就需要等到小王告訴他當初采取了怎樣的編碼規則，才可以真正讀取微觀粒子的量子態資訊。
因此我們不難發現，在量子隱形傳態方案中，雖然通訊雙方可以借助量子纏結來實作「瞬間的」量子態資訊的傳輸，然而資訊的接收方卻無法直接讀取量子態的資訊。
也就是說，只有通訊雙方借助光纖網路、衛星傳輸等經典通道，來實作彼此的測量資訊互動，才能真正完成量子隱形傳態過程。
結語
綜上所述，量子隱形傳態的優勢在於能夠將微觀粒子的量子態資訊絕對安全地傳輸到遙遠的地方，而不需要傳輸物體本身。
但是，受限於量子纏結對有效的分發距離，科學家們仍然致力於不斷提升微觀粒子量子態的實際傳輸距離。此外，早期的量子隱形傳態方案資訊傳輸的規模十分有限，單次只能傳輸微觀粒子少量的量子態資訊，並不能有效傳輸微觀粒子的全部量子態資訊。
那麽，為了解決實際傳輸距離和傳輸規模的兩大限制，足智多謀的科學家們在實際套用中又采用了哪些奇妙的解決方案呢？當前，量子隱形傳態方案又是否已經在實際中得到套用了呢？請各位小夥伴保持好奇心，讓我們在下一篇文章中為大家一一解答心中的疑惑吧！
出品：科普中國
作者：欒春陽（清華大學物理系）
監制：中國科普博覽
