量子隱形傳態(tài)(上):如何實(shí)現絕對安全的信息傳輸?
發(fā)布時(shí)間:2024-06-26
出品:科普中國
作者:欒春陽(yáng)(清華大學(xué)物理系)
監制:中國科普博覽

最近,《哆啦A夢(mèng)》又有新電影上映了,勾起了很多人的童年回憶。還記得,小時(shí)候這個(gè)電視劇里最吸引人的神奇道具之一,就是可以實(shí)現遠距離傳輸真實(shí)物體的“任意門(mén)”。

《哆啦A夢(mèng)》里的任意門(mén)

(圖片來(lái)源:Doraemon wiki)

雖然人們至今還無(wú)法實(shí)現真實(shí)物體的遠距離傳輸,但是科學(xué)家們受到科幻作品的啟發(fā),已經(jīng)實(shí)現了微觀(guān)粒子量子態(tài)的遠距離傳輸,這也正是今天我們要分享的“量子隱形傳態(tài)”。

量子隱形傳態(tài)中的“隱形傳態(tài)”,就是指不改變某個(gè)微觀(guān)粒子的位置,而將微觀(guān)粒子的量子態(tài)信息直接進(jìn)行遠距離傳輸,從而避免了微觀(guān)粒子本身的傳送過(guò)程。

因此,量子隱形傳態(tài)作為一種全新的信息傳輸方案,可以避免微觀(guān)粒子的傳送過(guò)程中容易被不法分子竊聽(tīng)的問(wèn)題,從而保證了信息傳送的絕對安全性。

量子隱形傳態(tài)(quantum teleportation)概念方案圖

(圖片來(lái)源:Wikipedia)

在實(shí)際應用中,量子隱形傳態(tài)方案已經(jīng)實(shí)現了上千公里的超遠距離傳遞,并且具有較高的信息傳輸規模,從而成為了實(shí)現絕對安全的量子保密信息傳輸的關(guān)鍵技術(shù)之一。

那么,科學(xué)家們是如何提出如此奇妙的量子隱形傳態(tài)方案呢?要想實(shí)現該方案,我們需要做哪些技術(shù)儲備呢?對于量子隱形傳態(tài)方案,科學(xué)家們目前又取得了哪些研究突破和具體應用了呢?

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量子隱形傳態(tài)的基礎——奇妙的“量子糾纏”

其實(shí),要想將某個(gè)微觀(guān)粒子的量子態(tài),通過(guò)量子隱形傳態(tài)方案傳輸到遠處,并不能像科幻作品中那樣,說(shuō)一聲“變”就能實(shí)現。而是需要消息的發(fā)送方和接收方,提前擁有一對特殊的“電報機”才可以實(shí)現。在量子隱形傳態(tài)方案中,通常采用一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特來(lái)充當這對“電報機”。

生活中的電報機

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

因此,要想了解量子隱形傳態(tài)方案,我們就必須要先了解一下什么是量子糾纏。

在奇妙的量子世界中,量子比特就是我們所能調控和運算的最小信息單元。而量子比特之間會(huì )發(fā)生奇妙的量子糾纏,仿佛“心靈感應”一般,可以實(shí)現遠距離的相互作用。

打個(gè)比方,一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特就像一副手套一樣,它們之間無(wú)論相距多遠,總是彼此存在特定的關(guān)聯(lián)。

假如其中一只手套被遺忘在家里,而另外一只手套仍然在我們隨身的包中。在我們未觀(guān)察到包中的手套狀態(tài)之前,我們并不知道這兩只手套各自的狀態(tài),只能說(shuō)它們處于不確定的“左/右”糾纏狀態(tài)。

一旦我們觀(guān)察到包中的手套處于左手的確定狀態(tài)時(shí),我們就可以立即推斷出,遺忘在家里的手套是處于右手的確定狀態(tài)。也就是說(shuō),雖然我們沒(méi)有拿到另外一只手套,卻已經(jīng)完成了手套狀態(tài)的信息傳輸。

處于量子糾纏的一對量子比特

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

對于一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特而言,也是類(lèi)似的道理,無(wú)論彼此相距多遠,它們之間始終存在特殊的關(guān)聯(lián)性。當發(fā)送方的量子比特的狀態(tài)發(fā)生改變,接收方的量子比特也會(huì )發(fā)生相應的變化。

因此,科學(xué)家們就可以利用量子比特之間奇妙的量子糾纏,來(lái)作為通信雙方特殊的“電報機”,實(shí)現微觀(guān)粒子量子態(tài)的遠距離傳輸。

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量子隱形傳態(tài)的第一步——分發(fā)處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特對

作為遠距離量子信息傳輸的核心技術(shù),量子隱形傳態(tài)需要利用量子糾纏技術(shù),來(lái)將微觀(guān)粒子的量子態(tài)傳輸到遙遠的地方,從而實(shí)現絕對安全和可靠的量子信息傳輸。

因此,這對量子比特作為雙方特制的“電報機”,就需要科學(xué)家們提前將這對量子比特,分發(fā)到信息的發(fā)送方和接收方,從而讓雙方采用量子隱形傳態(tài)方案,實(shí)現微觀(guān)粒子的量子態(tài)傳輸

量子比特糾纏對的分發(fā)過(guò)程示意圖

(圖片來(lái)源:作者自繪)

為了讓大家能夠更加直觀(guān)地理解上述過(guò)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(shí),小王希望將自己手中微觀(guān)粒子的量子態(tài),采用量子隱形傳態(tài)方案來(lái)安全地傳輸給遠處的小李。

那么,小王和小李就需要一對處于量子糾纏狀態(tài)的量子比特,作為彼此特制的“電報機”。接下來(lái),科學(xué)家們就需要將一對糾纏的量子比特A和B,分別分發(fā)給小王和小李。

需要注意的是,由于量子比特A和B的分發(fā)過(guò)程,極其容易受到外界環(huán)境的干擾而降低保真度。因此,科學(xué)家們需要采用光纖網(wǎng)絡(luò )或者衛星傳輸等特定方式,來(lái)保證小王和小李各自都能接收到保真度足夠高的量子比特A和B。

也就是說(shuō),雖然在理論上,量子隱形傳態(tài)方案可以將微觀(guān)粒子的量子態(tài)傳輸到任意遠的距離。然而,受限于量子糾纏對有效的分發(fā)距離,微觀(guān)粒子量子態(tài)的實(shí)際傳輸距離仍然需要一步一步地提升。

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量子隱形傳態(tài)的第二步——通信雙方還需要再次溝通

在完成量子比特的分發(fā)后,小王和小李就各自擁有了量子比特A和B,并且兩個(gè)量子比特之間仍然存在量子糾纏。

那么,小王就可以將自己手中的微觀(guān)粒子與量子比特A,進(jìn)行一系列的特定測量操作,并且根據不同的測量操作得到一系列的測量結果。這個(gè)過(guò)程可以類(lèi)比于,小王采用自己手中特制的“電報機”,來(lái)將微觀(guān)粒子的量子態(tài)信息與“電報機”進(jìn)行一系列的交互操作。

量子態(tài)信息的發(fā)送方進(jìn)行操作的示意圖

(圖片來(lái)源:作者自繪)

與此同時(shí),量子比特A在經(jīng)過(guò)小王的操作后已經(jīng)發(fā)生改變。由于量子比特A和B之間存在量子糾纏,小李手中的量子比特B也會(huì )隨之發(fā)生改變。

但是,小李此時(shí)并不知道量子比特B發(fā)生的改變究竟意味著(zhù)什么。只有小王告訴小李,當初對量子比特A做了哪些測量操作和測量結果,小李才可以讀懂量子比特B改變的含義。

量子態(tài)信息的接收方進(jìn)行操作的示意圖

(圖片來(lái)源:作者自繪)

這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)難以理解,我們仍然可以用“電報機”進(jìn)行類(lèi)比。

也就是說(shuō),此時(shí)小李手中的“電報機”雖然也出現了一系列的變化,但是小李并不知道“電報機”輸出的奇怪代碼如何才能正確翻譯成為真實(shí)傳輸的量子信息。那么,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(guān)粒子的量子態(tài)信息。

因此我們不難發(fā)現,在量子隱形傳態(tài)方案中,雖然通信雙方可以借助量子糾纏來(lái)實(shí)現“瞬間的”量子態(tài)信息的傳輸,然而信息的接收方卻無(wú)法直接讀取量子態(tài)的信息。

也就是說(shuō),只有通信雙方借助光纖網(wǎng)絡(luò )、衛星傳輸等經(jīng)典信道,來(lái)實(shí)現彼此的測量信息交互,才能真正完成量子隱形傳態(tài)過(guò)程。

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結語(yǔ)

綜上所述,量子隱形傳態(tài)的優(yōu)勢在于能夠將微觀(guān)粒子的量子態(tài)信息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,受限于量子糾纏對有效的分發(fā)距離,科學(xué)家們仍然致力于不斷提升微觀(guān)粒子量子態(tài)的實(shí)際傳輸距離。此外,早期的量子隱形傳態(tài)方案信息傳輸的規模十分有限,單次只能傳輸微觀(guān)粒子少量的量子態(tài)信息,并不能有效傳輸微觀(guān)粒子的全部量子態(tài)信息。

那么,為了解決實(shí)際傳輸距離和傳輸規模的兩大限制,足智多謀的科學(xué)家們在實(shí)際應用中又采用了哪些奇妙的解決方案呢?當前,量子隱形傳態(tài)方案又是否已經(jīng)在實(shí)際中得到應用了呢?請各位小伙伴保持好奇心,讓我們在下一篇文章中為大家一一解答心中的疑惑吧!

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