仅供参考：量子隐形传态如何为我们带来安全通信

量子隐形传态技术的新进展不断涌现。今天，一支欧洲物理学家团队将标准提高到了前所未有的高度。在正式报告了跨越近 90 英里、穿越加那利群岛湍急海洋大气的隐形传态之后，物理学家们可能已经准备好迎接迄今为止最大的挑战——尝试将粒子传送到太空。但为什么呢？

因为量子隐形传态虽然非常复杂，但可能是一种有用且安全的信息传输方式。不幸的是，它不是人——这不是《星际迷航》 。但在 2012 年，以不可破解的纯加密形式进行数据隐形传态可能比以往任何时候都更近了。

周四， 《自然》杂志在线发表了一篇由量子奇才安东·泽林格及其维也纳量子光学和量子信息研究所同事撰写的论文。该团队将光子传送到了加那利群岛拉帕尔马岛和特内里费岛之间 89 英里远的地方。上个月，同一期刊发表了中国团队的最新传送记录，完全打破了他们之前将光子传送到 60 英里之外的纪录。两支团队在 5 月份的几天内首次报告了这些成就。

但破纪录掩盖了事情的复杂性。毕竟，从技术上讲，粒子并没有真正飞到那么远。

法国帕莱索光学研究所的菲利普·格兰吉尔 (Philippe Grangier) 解释说，有些光子确实在物理上穿越了两地之间的距离，但它们只是作为一种准备工具，用来建立物理学家所说的“纠缠资源”。然后，描述要传送的实际光子的信息（尤其是它们的偏振以及其他特性）被移动。被传送的粒子存在于一个地方，然后它们存在于另一个地方。

这是可能的，因为在远距传送实验中，光子之间存在一种不可分割的键，这种键非常紧密，以至于无论它们相距多远，一个粒子上发生的事情都会影响另一个粒子。这就是爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”。让它们纠缠在一起本身就是一项挑战；稍后会详细介绍。然后，格兰吉尔说，远距传送它们依赖于创建其中一个的远程副本。可以把它想象成传真，但原件会被销毁——而副本会在收到的那一刻销毁。你必须以某种方式传递信息，而量子纠缠使这成为可能。

所选择的纠缠方法取决于要传送的粒子类型。例如，如果要传送带电原子，可以使用纠缠离子。对于光子，可以使用纠缠偏振光子。或者可能是光的量子态，Noriyuki Lee 和同事去年就实现了这一目标。后者是一种极其复杂的场景，您要传送一小包同时处于两种量子态的光子。（这称为量子叠加，最好用薛定谔猫的例子来描述——一旦放入一个理论盒子，它就会同时处于死亡和活着的状态，直到您打开盒子检查，它就只有一种状态。）无论是什么主题，您都必须先纠缠一些粒子，将它们的命运交织在一起，这样无论它们发生什么，它们都会有相同的结果。

这种纠缠可以通过多种方式发生，随着每一项新研究的开展，纠缠方式变得越来越详细和复杂。但更重要的是，纠缠光子不能受到干扰，否则它们的纠缠会在你传送之前被打断。当传送范围覆盖数十或数百英里时，这一点很难做到——雨、云、沙子甚至风都会干扰光的传输。

“现实生活中的长距离环境提供了许多
“这是当前远程传送实验面临的挑战。这些挑战最显著的结果是，在使用标准技术时，需要应对极低的信噪比，”Zeilinger 及其同事写道。

“对于普通物体来说，纠缠资源的复杂性变得令人难以置信且难以管理，并且会立即被摧毁。” 在加那利群岛实验中，Zeilinger 和同事使用了两个光学链路，一个是经典链路，一个是量子链路，横跨拉帕尔马岛和特内里费岛。他们希望在两个站点之间传送光子的偏振，这两个站点通常在信息传输实验中以字母名称“Alice”和“Bob”来引用。

经典链路可以发送两个光子，一个发送给爱丽丝，一个发送给鲍勃，以创建纠缠资源。简而言之，光子由蓝宝石激光器创建，并通过光纤电缆移动到 A 和 B。量子链路允许爱丽丝和鲍勃共享有关这些光子的偏振信息，这些光子被称为光子 2 和 3（#1 稍后出现）。爱丽丝有光子 2，鲍勃有光子 3 — 这是“纠缠资源”。然后第三方“查理”放入光子 1。爱丽丝和鲍勃都不知道这个新光子的偏振。然后爱丽丝必须进行所谓的贝尔态测量，其结果将决定每个光子的命运。

“测量结果会破坏初始系统。你从测量中得到的是一个结果，一个数值结果，”Grangier 说。“然后你将这个结果发送到另一端，在那里你想要重新创建新系统。”

爱丽丝对光子 1 的测量决定了鲍勃的光子将如何变换。爱丽丝使用经典的光子中继通道将她的测量结果发送给鲍勃。当鲍勃获得信息时，他可以执行爱丽丝对光子 1 的测量所决定的光子变换，然后瞧——鲍勃有了光子 3，但现在它与新输入的光子 1 处于相同的状态。这是一个完美的副本。

这种测量信息的转发被称为主动前馈，这也是李等人去年在光数据包薛定谔猫实验中使用的技术。格兰吉尔说，这种规模的实验以前从未进行过。加那利群岛团队还取得了新的突破，同步了爱丽丝和鲍勃所在位置的时钟，提高了测量的准确性。

格兰吉尔说：“独创的是所有技术的结合，超长距离前馈和高质量传输。”

所有这些量子混乱的意义何在？格兰吉尔解释说，这是为了确保通信安全。将光子传送到特定的可测量状态，只有进行适当的转换测量后才能接收，这是非常安全的。证明它可以在海洋对岸以高保真度完成，也是一项了不起的壮举。泽林格和他的同事表示，这项研究为未来的地面到卫星量子中继传输加密数据带来了希望。

研究团队表示，这里实现的距离实际上比连接地球和卫星所需的距离更难。他们写道：“我们的实验代表着向未来太空量子网络迈出的关键一步，这需要太空到地面的量子通信。”“这两项实验中实施的技术无疑已经达到了卫星和长距离地面通信所需的成熟度。”

唯一的困难是，这只能在非常严格控制的量子系统内实现。例如，量子隐形传态可能作为量子计算机内部的“布线”元件发挥作用。但它不适用于物理对象。

要传送一个人，你必须创造一个合适的——但不容易想象的——纠缠资源，即第二个“人”。然后你必须摧毁被传送生物的原始自我，格兰吉尔说。

“传送光子和离子是完全有可能的，也许许多光子和离子都可以在一台非常精确控制的量子计算机内传送。但除此之外，资源的复杂性及其对退相干的脆弱性使它完全不可能实现，”他说。

“对于通常的宏观物体来说，纠缠资源的复杂性变得令人难以置信且难以控制，并且会因退相干而瞬间被摧毁。”