量子態

量子態即一組量子表徵，用來表示量子力學孤立系統的狀態。

純態可以用定義在希爾伯特空間

上的一個復矢量

表示，希爾伯特空間

的維度由量子系統的維度決定。如對於一個量子比特（維度為2）量子態可以表示為

其中

和

是複數，滿足

.

混態是一系列純態的概率混合，可以用密度矩陣

來表示

其中

和

表示純態和它相對應的概率。概率分佈滿足歸一化關係

且密度矩陣滿足

，等號在

是純態時成立，即

。

量子態隱形傳輸是以量子信號的方式傳輸信息，由於量子的特殊性，可實現完全隱秘的傳輸，無法被幹擾和劫獲，因此被稱為隱形傳輸。

量子態隱形傳輸經歷的漫長旅程中，每一點距離的進步都可以被視為一座里程碑。1997年年底，位於奧地利的蔡林格研究小組首次在實驗平台上幾米的距離內成功地進行了這一實驗。雖然當時的傳輸距離僅達數米，但卻是一個巨大的突破，被美國《科學》雜誌列為該年度全球十大科技進展。

《科學》雜誌的評語是：“儘管想要看到《星際旅行》中‘發送我吧’這樣的場景，我們還得等上一些年，但量子態隱形傳輸這項發現，預示着我們將進入由具有不可思議的能力的量子計算機發展而帶來的新時代。”科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂史上排名榜首。它講述了人類的夢想：宇航員在特殊裝置中平靜地説一句，“發送我吧，蘇格蘭人”，他就會瞬間轉移到外星球。在經典遊戲“暗黑破壞神”中，女巫角色的技能是“瞬間轉移”。只要施展這個魔法，女巫就會伴着一道閃光消失，並出現在任意一個想去的地方。“這種現象，與量子態隱形傳輸很類似。”一位聯合小組成員謹慎地選擇着用詞。當然，它們並不相同。在這項實驗中，被傳輸的是信息而並非實物。

1999年，奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等重大研究成果一起，被英國《自然》雜誌選為“百年物理學21篇經典論文”。當時26歲的年輕人潘建偉正在奧地利維也納大學跟着蔡林格教授學習量子技術，他的名字也在小組名單中。不過接下來，發展並不算順利。直到2004年，蔡林格小組才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態距離提高到600米。

據聯合小組研究成員彭承志教授介紹，作為未來量子通信網絡的核心要素，量子態隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸的不再是經典信息，而是量子態攜帶的量子信息。

“在經典狀態下，一個個獨立的光子各自攜帶信息，通過發送和接收裝置進行信息傳遞。但是在量子狀態下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關聯，並且可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現。量子態隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶着信息的糾纏的光子進行拆分，將其中一個光子發送到特定位置，這時，兩地之間只需要知道其中一個光子的即時狀態，就能準確推測另外一個光子的狀態，從而實現類似‘超時空穿越’的通信方式。

據介紹，量子態隱形傳輸一直是學術界和公眾的關注焦點。1997年，奧地利蔡林格小組在室內首次完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子“超時空穿越”距離提高到600米。但由於光纖信道中的損耗和環境的干擾，量子態隱形傳輸的距離難以大幅度提高。

2004年，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現更遠距離的量子通信。在自由空間，環境對光量子態的干擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層進入外層空間，其損耗更是接近於零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優勢。據悉，該小組早在2005年就在合肥創造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。2007年開始，中國科大——清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子信道，並取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基於衞星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。據悉，該成果已經發表在6月1日出版的英國《自然》雜誌子刊《自然光子學》上，並引起了國際學術界的廣泛關注。

聽上去這並不像是一個複雜的實驗：位於北京八達嶺長城腳下的送信者，要向站在河北省張家口市懷來縣的收信者發出一段信息。這段距離僅有16公里，在晴朗的白天，他們彼此甚至目力可及。只是，這並不是一封信、手機短信或電子郵件，而是好像“時鐘指針”一樣表示着量子運動狀態的量子態。

這已經是量子態在世界上跑出的最長距離。6月1日，世界頂級科學刊物《自然》雜誌的子刊《自然·光子學》以封面論文的形式，刊登了這項成果：一個量子態在八達嶺消失後，在並沒有經過任何載體的情況下，瞬間出現在了16公里以外。實驗的名稱叫做自由空間量子隱形傳態，由中國科學技術大學與清華大學組成的聯合小組完成。美國國際科技信息網站盛讚，這一成果代表着量子通信應用的巨大飛躍。

這確實是一個難以令人理解的研究領域，面對抱着巨大好奇心的公眾，研究者不禁感到苦惱，“想要給大家都講明白實在是一件痛苦的事”。

早在3年前，中科大前校長朱清時院士在形容負責組建聯合小組的中科大教授潘建偉時也聲稱，潘在量子通信領域的工作“對於一般人來説是難以理解的”，“不然會感到更強的震撼力”。

一切還要從量子説起。量子是不可分的最小能量單位，“光量子”就是光的最小單位。

在奇特的量子世界裏，量子存在一種奇妙的“糾纏”運動狀態。中科大量子信息實驗室教授彭承志願意將一對糾纏狀態下的光子比作有着 “心電感應”的兩個粒子。再用個更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對“心有靈犀”的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個骰子，甲隨意擲一下骰子是5點，與此同時，乙手中的骰子會自動翻轉到5點。

事實上，乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握着幾點。因為在物理學上，每一次對糾纏光子的測量都會破壞原有的狀態，“就像冰淇淋，你必須嘗一口才知道它的味道。但當你嚐了一口時，冰淇淋就已經發生改變。”一個專業人士這樣解釋。

因此，甲只需要通過電話、短信等渠道告訴乙，自己剛剛擲出了5點。乙即便不用攤開手掌，也可以知道自己手邊這個“心電感應”的骰子也成了5點。

這聽起來就像一場魔術表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類似“轉成5點”之類的信息，而不是實物。

這段16公里的旅程創造了新的世界紀錄，這是這個星球中量子態在自由空間中所能隱形傳輸的最遠距離。

事實上，這次中國的實驗在技術上有了重大創新，光子在傳播過程中會因偏振而引起變化，聯合小組的科學家們對此進行了“正反饋”，即用簡單的光學器械控制住光子的偏振態，使這次實驗的保真度最終達到了89%。也就是説，“儘管不能正確無誤地發送每一個碼，但信息是可以傳送的”。

“如果地點允許，我們本來希望能達到20公里。”聯合小組成員、清華大學物理系副研究員蔣碩覺得很遺憾。他在一間窗台上生長着翠綠爬藤的辦公室裏接受了記者的採訪。

隨着高度增加，空氣也會變得更加稀薄。所以，地表10公里的空氣密度，基本相當於從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度。“20公里的傳送距離，就表明光子可以在地表與外層空間衞星間打一個來回。”這也就意味着量子信息可以通過衞星在不同地區，甚至國家間傳遞。

可在野外實驗，狀況卻無法保證同實驗室裏一樣理想而精確。最終，因為位置便利，研究者們將“秘密基地”分別設在八達嶺長城腳下與河北懷來的兩家小旅館，地理距離16公里。

為了用激光為量子態傳輸打出一個光鏈路，他們的實驗大多在其他人沉入夢鄉的夜晚進行。光鏈路是為了幫助隨後分發的光量子“探路”。那些已經睡着了的人並不知道，這羣在半夜裏還擺弄着有點嚇人的綠色激光的年輕人，也正在實現這個世界全新的通信夢想。

“儘管我們只傳送了16公里，但這在科學上證明了量子信息的遠距離傳輸是可行的，也意味着量子信息通過衞星進行傳遞有可能實現。” 蔣碩説。 ^[1] 

這些站在科學領域最前沿的中國物理學家明白，進行量子通信研究，除了能夠實現隱形傳態這種奇妙的物理現象以外，還能夠實現更重要的使命，那就是防禦一種“還未出現的威脅”。

威脅來自尚未被成功發明的量子計算機。早在上個世紀，科學家們就已經開始設想，用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，從而大幅度減少運算時間。如果將未來的量子計算機比作大學教授，今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。

你可以想象這樣一個驚人的對比：現在對一個500位的阿拉伯數字進行因子分解，最快的超級計算機將耗時上百億年，而量子計算機卻只需大約幾分鐘。

“一旦哪個瘋子發明出來量子計算機，他就可以攻破所有的密碼。”蔣碩指出了這個可怕的威脅。事實上，現在通用的加密方式並非如想象般安全，它們都有破譯的方法，只不過由於現有計算機運行能力的限制，破譯一個密鑰可能要耗費上萬年，甚至上百萬年。

如果量子計算機出現，我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個超級神偷，可以偷走現代文明中人們賴以生存的一切——銀行存款、網絡信息。它也足夠衝破軍事或安全系統，調轉導彈的軌道，令整個國家陷入混亂與災難。因此，沒有人敢懈怠，“這並不是一項杞人憂天的研究。所有的防禦必須出現在進攻之前。”美國科學家的預言就像一個倒計時牌，“量子計算機可能將在50年之後出現。”

因此，“只有採用量子信息才是安全的，必須佔據先機。”這樣一切“竊聽手段”將失去原有的意義。如果一個間諜想要收集情報，他必須竊取發送途徑中的光子，經過測量後再次傳給接收者。但因為光子對的糾纏特性，這樣的竊取就會被發現，“就像被嘗過的冰淇淋一樣”。

當然，眼下這只是一場看不見對手的戰爭。“如果沒有量子計算機這支矛，量子信息這面盾就發揮不出作用。”蔣碩説。他同時也認為，即便技術成熟，“如果量子計算機沒有出現，並沒必要進行大規模的產業換代”。

然而，這篇論文發表後，蜂擁而至的報道和議論卻讓科學家們發現，公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態的真正意義，“很多人都認為，這個實驗的成功代表着超時空穿越可能實現。”

顯然，能夠傳遞一組信息並不意味着已經可以傳遞實物。“我們對世界的瞭解仍然不夠透徹。”一位研究者説。科學家們現在還不知道應該如何通過隱形傳輸的方式傳送實物，“我們曾經以為世界上最小的是原子，可是後來發現原來裏面還有質子和中子。然而，沒有人知道質子和中子是否還能被繼續拆分。更何況想要傳送一個生命體，又該如何處理他複雜的腦電活動呢？”

“目前我們實現的僅僅是單光子量子態的隱形傳輸，在未來有可能實現複雜量子系統的量子態隱形傳輸，但距離宏觀物體的量子態隱形傳輸還具有非常遙遠的距離。”彭承志説。

也許，正是“非常遙遠的距離”帶給了人們遐想。畢竟，曾經實驗台上量子態只能前行幾米，而今，它已經可以穿越16公里。將來，它還可能在星球之間傳遞。

“科技發展的速度有多快誰能知道呢？”一位參加這項研究的科學家説，“就好像打算盤時的人們永遠想不到，在不久的將來，人類發明出了每秒運行幾千億次的電子計算機。” ^[1] 

在量子尺度上，温度和運動是一樣的：一個粒子振動得越多，它就越熱。這些振動包，也稱為聲子，必須被移除才能使物體進入基態。這隻在質量不到1g的物體上實現過。

麻省理工學院Chris Whittle團隊（Vivishek Sudhir等 ^[2]  ）利用美國激光干涉引力波天文台(LIGO)已經被冷卻到幾乎處於最低能量狀態、用來探測時空漣漪的一組4面鏡子標記出了迄今為止接近這種冷量子態的最大物體——將一個有效質量為10kg的系統從室温冷卻到77納米開爾文的温度(-273.15℃)，這標誌着一個可以接近基態的系統質量的巨大飛躍——相關研究結果發表於2021年6月18日《科學》。 ^[2]