量子隱形傳態突破距離紀錄

加入我們的科學愛好者社群!

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


兩組研究人員已將量子隱形傳態的距離擴充套件到前所未有的長度,大致相當於紐約市和費城之間的距離。但不要期望隱形傳態站會取代機場或火車站——隱形傳態方案僅轉移單個光子的量子態。儘管部分轉移是瞬間發生的,但讀取隱形傳態量子態所需的步驟確保了資訊的傳遞速度不會超過光速。

量子隱形傳態依賴於量子糾纏現象,量子粒子透過量子糾纏在空間中共享脆弱的、無形的聯絡。例如,兩個糾纏的光子可以具有相關的、相反的偏振態——例如,如果一個光子是垂直偏振的,那麼另一個光子必須是水平偏振的。但是,由於量子力學的複雜性,每個光子的特定偏振態都保持未確定狀態,直到其中一個被測量。在那一瞬間,另一個光子的偏振會立即變為相反的方向,即使糾纏對之間相隔數公里。

糾纏光子對充當標準隱形傳態方案中的中介。假設愛麗絲想將一個光子的量子態隱形傳態給鮑勃。首先,她取一對糾纏光子中的一個,鮑勃取另一個。然後,愛麗絲讓她的糾纏光子與要隱形傳態的光子發生干涉,並進行偏振測量,其結果取決於她的兩個粒子的量子態。


支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保未來能夠繼續講述有關發現和塑造我們今天世界觀點的具有影響力的故事。


由於愛麗絲和鮑勃之間透過糾纏建立的聯絡,鮑勃的光子瞬間感受到愛麗絲進行測量的影響。鮑勃的光子呈現出愛麗絲原始光子的量子態,但以某種混亂的形式呈現。鮑勃無法恢復愛麗絲想要隱形傳態的量子態,除非他透過根據愛麗絲的測量結果調整他的光子來逆轉這種混亂。因此,他必須等待愛麗絲的訊息,瞭解如何完成隱形傳態——而且這個訊息的傳遞速度不能超過光速。這種限制確保了隱形傳態資訊遵守宇宙速度限制。

即使隱形傳態不允許超光速通訊,它也確實提供了一條繞過另一個被稱為不可克隆定理的物理學障礙的途徑。該定理指出,人們不能完美地複製一個量子物體,例如,將副本傳送給另一個人。但隱形傳態並沒有建立副本本身——它只是將量子資訊從一個地方轉移到另一個地方,在此過程中摧毀了原始資訊。

即使愛麗絲不知道鮑勃在哪裡,隱形傳態也可以安全地傳輸量子資訊。鮑勃可以將他的糾纏粒子帶到任何他喜歡的地方,愛麗絲可以透過任何傳統渠道——無線電波、網際網路——廣播她的指令,說明如何解開隱形傳態狀態。如果沒有與愛麗絲的糾纏聯絡,這些資訊對竊聽者來說將毫無用處。

物理學家指出,量子糾纏和隱形傳態有一天可能成為連線假設的量子處理器或在遙遠方之間實現安全通訊的量子通道的支柱。但就目前而言,隱形傳態現象還處於令人驚歎的探索階段,各個物理學家小組正在設計新的測試,以突破實驗可能性的極限。

在8月9日出版的《自然》雜誌上,一箇中國研究小組報告稱實現了跨越中國青海湖的量子隱形傳態,距離為97公里。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)這一距離超過了之前的記錄,之前的記錄是由包括幾位相同研究人員的小組創造的,為16公里。

但最近的一項研究似乎將標準推得更高。在5月17日釋出到物理學預印本網站arXiv.org上的一篇論文中,就在中國研究小組在同一網站上宣佈他們的成就八天後,一個歐洲和加拿大小組聲稱已經將資訊從加那利群島的一個島嶼隱形傳態到另一個島嶼,距離為143公里。該論文尚未經過同行評審,但來自一個非常著名的研究小組。

兩組物理學家都面臨著嚴峻的實驗挑戰——將單個光子傳送100公里,然後將其從空氣中取出絕非易事。實際上,兩組研究人員的愛麗絲和鮑勃都需要雷射鎖定的望遠鏡來發送和接收他們的光子,以及用於修改和測量光子量子態的複雜光學器件。

但這與物理學家們為未來實驗所設想的相比,簡直不值一提。兩個研究小組都指出,他們的工作是未來基於太空的隱形傳態的一步,在這種隱形傳態中,量子資訊將從地面束縛到軌道衛星。

© .