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瞬時從一個地方到達另一個地方的科幻夢想（或完全的幻想）在今年 2 月 14 日繼續存在，道格·裡曼的電影《心靈傳輸者》上映了，該片改編自史蒂文·古爾德的小說。我們請加州理工學院的量子物理學家 H. Jeff Kimble 解釋物理學家如何理解量子隱形傳態，結果發現它與計算的相關性高於通勤。注：這是在《大眾科學》2008 年 3 月印刷版上發表的問答的擴充套件版本。《大眾科學》：關於隱形傳態的最大誤解是什麼？
Jeff Kimble：認為物體本身正在被髮送。我們沒有在傳送物質的東西。如果我想送你一架波音 757，我可以把所有的零件都送給你，或者我可以送你一張顯示所有零件的藍圖，送藍圖要容易得多。隱形傳態是一種關於如何將量子態（波函式）從一個地方傳送到另一個地方的協議。
傳輸量子態很難嗎？
最直接的方法是想象它是一個電子：只需將電子從 A 點射到 B 點，它就會隨身攜帶它的量子態。但這並不總是那麼好，因為在這個過程中狀態會變得混亂。
隱形傳態如何避免量子態的擾亂？ 使隱形傳態成為可能的特殊資源是糾纏。你（在 A 地點的愛麗絲）手上有一個處於未知量子態的電子。你的任務是將量子態（而不是電子）傳送到 B 地點的鮑勃那裡。如果你嘗試直接測量它，你必然會擾亂它。
你和鮑勃還共享一對電子，你有一個，鮑勃有另一個，它們處於糾纏態，如果你的電子自旋向上，他的電子就會自旋向下，反之亦然。
你對兩個電子（我給你的電子和你與鮑勃共享的電子）進行聯合測量。這會給你兩個資訊位。你打電話給鮑勃，把這兩個資訊位告訴他，他用它們來操縱他的電子。瞧，在理想情況下，他可以完美地重新建立我給你的電子的狀態。
為什麼愛麗絲不直接複製量子態並存儲副本？ 存在類似海森堡不確定性原理的不確定關係。當我把我的電子交給愛麗絲時，她可能會想做的就是保留一個副本——克隆它。她嘗試獲取的關於狀態的資訊越多，隱形傳態的效果就越差。如果她試圖保留一個完美的副本，那麼鮑勃就會建立一個完全隨機的狀態。
為什麼要傳輸量子態？有哪些應用？ 想象一下，你想構建一臺量子計算機。量子計算機就像你桌面上的計算機一樣，會有各個部件。它們必須以量子力學的方式連線在一起。量子儲存器必須與量子處理器對話。隱形傳態只是一根奇特的量子導線。
為什麼不直接發射電子？ 如果我把這個電子從儲存器攜帶到處理器，並且我犯了一個錯誤——例如它與導線中的某些雜質碰撞——那麼我失去的不僅僅是那個電子的狀態。那個自旋可能與計算機中的所有自旋糾纏在一起。
自從 1997 年首次演示量子隱形傳態以來，該領域取得了哪些進展？
所有最初的工作都是用光完成的。1998 年，我的團隊演示了光束的隱形傳態。我會說這是第一次真正意義上的演示。一束光進入，一束光出來。在你們雜誌報道的實驗中，從來沒有哪個時刻你可以說，啊哈，狀態已經出現並被隱形傳送了。
幾年前（2004 年），科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究所的 David J. Wineland 領導的團隊以及奧地利因斯布魯克的 Rainer Blatt 領導的團隊同時隱形傳輸了捕獲離子的內部自旋。這是第一次使用大質量粒子的狀態進行隱形傳態。一個離子的量子態使用中間的第三個離子隱形傳送到第二個離子。
最近（2006 年），哥本哈根大學的 Eugene S. Polzik 團隊將光的量子態直接隱形傳輸到材料系統中。所有其他實驗都是從原子或光子到完全相同的粒子型別的隱形傳態。
這些演示有任何實際價值嗎？ 它具有實際意義，因為量子計算機將是一個混合系統。光非常適合以非常低的損耗從一個地方傳播到另一個地方，但儲存光真的很難。一些量子資訊協議要求你將光對映到某些材料系統中，在那裡你可以長時間儲存它。然後，如果你想在你的計算機或全國各地進行通訊，你再將其映射回光。
我還應該告訴你另一個實驗。東京大學的一位名叫 Akira Furusawa* 的科學家隱形傳送了糾纏。他有一束光與第二束光糾纏；他隱形傳送了第一束光，並且可以證明它仍然與未被隱形傳送的夥伴糾纏在一起。
保持隱形傳送的物體與其未隱形傳送的夥伴糾纏在一起有什麼用？ 量子計算機正在處理數千個糾纏的自旋，有時我需要將第 561 個電子的狀態隱形傳送到另一個地方。但這並不像僅僅認為它是那個電子那麼簡單。
換個話題——這部新電影《心靈傳輸者》是關於一個孩子和其他一些人從一個地方隱形傳送到另一個地方。
我不知道。
如果你看過《X戰警》，其中的夜行者…
我也沒看過《X戰警》。
你看 NBC 的《英雄》嗎？
不，我看一些橄欖球季後賽。
但你認識柯克船長…
我有一些建議。在你的故事中不要談論隱形傳送人。我們社會的技術基礎是資訊商業，在未來 20 年內它將發生根本性的變化。閱讀半導體行業的路線圖。我們只會興高采烈地認為它會在電影螢幕上發生，而我們會忽視對科學和技術的投資。
科學中有一個非常令人興奮的前沿領域，它在 15 或 20 年前並不存在，那就是量子資訊科學，它將傳統的計算機科學和量子力學結合在一起。正在發生的事情令人興奮。
*更正 (2009 年 1 月 20 日)：Akira Furusawa 最初被認定為 TK Furusawa。