研究人員首次隱形傳輸了三元量子位，這是一種由三部分組成的量子資訊單元。兩個獨立團隊的成果是量子隱形傳態領域的重要進展，該領域長期以來一直侷限於量子位——類似於經典計算中使用的二進位制“位元”的量子資訊單元。
這些概念驗證實驗表明，三元量子位比量子位能夠攜帶更多資訊，且對噪聲的抵抗力更強，未來或可用於量子網路。
中國物理學家郭光燦及其在中國科學技術大學（USTC）的同事於 4 月 28 日在預印本論文中報告了他們的研究結果，儘管該論文尚待在同行評審期刊上發表。6 月 24 日，另一個團隊，一個由奧地利科學院的安東·塞林格和中國科學技術大學的潘建偉領導的國際合作團隊，在預印本論文中報告了他們的研究結果，該論文已被《物理評論快報》接受發表。如此接近的時間——以及結果的重要性——使得每個團隊都在爭奪榮譽，並對對方的工作提出批評。
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威廉姆斯學院的物理學家威廉·伍特斯（他沒有參與這兩項研究）說：“這些[實驗]中的每一項都是隱形傳態技術的重要進步。”
把我傳送上去？
量子隱形傳態這個名字讓人聯想到《星際迷航》中的技術，其中的“傳送器”可以將宏觀物體——甚至是活人——在遙遠的空間點之間“傳送”。但現實並沒有那麼迷人。在量子隱形傳態中，被傳輸的是兩個量子糾纏粒子的狀態——例如，電子的自旋。即使相隔遙遠，糾纏粒子也共享著一種神秘的聯絡；就兩個糾纏電子而言，無論其中一個電子的自旋發生什麼，都會瞬間影響另一個電子的自旋。
“隱形傳態”也讓人聯想到超光速通訊，但這種想法也是錯誤的。如果愛麗絲想透過量子隱形傳態向鮑勃發送訊息，她必須用透過光子傳輸的經典資訊來配合——速度是光速，但不會更快。那麼，這有什麼用呢？
奇怪的是，量子隱形傳態在未來也可能對安全通訊具有重要的實用價值，而且許多研究的資金都考慮到了網路安全應用。2017 年，潘建偉、塞林格及其同事利用中國的“墨子號”衛星進行了世界上最長的通訊實驗，跨越 7600 公里。兩個光子——每個都充當量子位——被髮射到維也納和中國。透過獲取關於光子狀態的資訊，每個地點的研究人員都能夠有效地構建一個無法破解的密碼，他們用這個密碼進行了一次安全的視訊通話。這項技術就像信件上的火漆封印：任何竊聽都會干擾並留下可檢測的痕跡。
研究人員已經嘗試隱形傳輸更復雜的粒子狀態，並取得了一些成功。在 2015 年發表的一項研究中，潘建偉及其同事成功地隱形傳輸了一個光子的兩種狀態：自旋和軌道角動量。然而，這些狀態中的每一個都是二進位制的——該系統仍然在使用量子位。到目前為止，科學家們從未隱形傳輸過任何更復雜的狀態。
化不可能為可能
一個經典位元可以是 0 或 1。它的量子對應物，量子位，通常被稱為 0和 1——兩種狀態的疊加。例如，考慮一個光子，它可以表現出水平或垂直偏振。這樣的量子位對於研究人員來說很容易構建。
一個經典三進位制位可以是 0、1 或 2——這意味著一個三元量子位必須體現所有三種狀態的疊加。這使得三元量子位比量子位更難製造。
為了建立他們的三元量子位，兩個團隊都使用了光子的三分支路徑，這透過精心設計的雷射器、分束器和硼酸鋇晶體光學系統來實現。潘建偉和塞林格團隊新論文的共同作者、物理學家陸朝陽說，思考這種神秘裝置的一種方式是著名的雙縫實驗。在那個經典的實驗中，一個光子同時穿過兩條狹縫，形成波狀干涉圖樣。每條狹縫都是 0和 1 的狀態，因為一個光子同時穿過兩條狹縫。為光子新增第三條狹縫以穿過，結果就是一個三元量子位——一個由三種狀態的疊加定義的量子系統，其中光子的路徑有效地編碼了資訊。
從光子建立三元量子位只是更大戰役中的開場小衝突。兩個團隊還必須將兩個三元量子位糾纏在一起——這不是一件容易的事，因為光很少與自身相互作用。
至關重要的是，他們必須確認三元量子位的糾纏，也稱為貝爾態。貝爾態是以量子資訊理論的先驅約翰·斯圖爾特·貝爾命名的，它是粒子最大程度糾纏的條件。確定三元量子位處於哪種貝爾態對於從中提取資訊並證明它們以高保真度傳遞了該資訊是必要的。
在這種情況下，“保真度”的構成是什麼？伍特斯說，想象一下一對灌鉛的骰子：如果愛麗絲有一個總是擲出 3 的骰子，但當她把它送到鮑勃那裡後，它只有一半的時間擲出 3，那麼系統的保真度就很低——它很可能會破壞它傳輸的資訊。準確地傳輸訊息非常重要，無論通訊是否是量子的。在這裡，各團隊對保真度存在爭議。郭光燦和他的同事認為，他們對 10 個狀態進行的貝爾態測量足以作為概念驗證實驗。但塞林格和潘建偉的團隊認為，郭光燦的團隊未能測量足夠多的貝爾態，以明確證明其具有足夠高的保真度。
儘管存在溫和的互相批評，但各小組之間的競爭仍然相對友好，即使第一個三元量子位的量子隱形傳態的來源懸而未決。兩個團隊都同意各自已經隱形傳輸了一個三元量子位，並且他們都有超越三元量子位的計劃：達到四能級系統——四元量子位——甚至更高。
不過，一些研究人員不太信服。東京大學的物理學家古澤明（Akira Furusawa）表示，這兩個團隊使用的方法不適合實際應用，因為它速度慢且效率低下。研究人員承認了這種批評，但為他們的研究結果辯護，認為這是一項正在進行中的工作。
陸朝陽說：“科學是循序漸進的。首先，你讓不可能的事情成為可能。然後你努力讓它更完美。”
編者注（2019 年 8 月 6 日）：本文在釋出後經過編輯，以更正安東·塞林格和潘建偉最近的預印本研究的日期，以及他們 2017 年涉及中國“墨子號”衛星的實驗的描述。