什么是量子隐形传态？量子态如何实现跨距离传输

行业简报

• 量子隐形传态（Quantum teleportation）是一种协议，它利用纠缠、测量和经典通信将一个粒子的量子态传输到另一个粒子，而无需移动原始粒子。
• 该技术已在不断增加的距离上得到验证，包括基于卫星的实验和基于光纤的量子通信测试，但仍受限于纠缠分发和保真度损耗等工程挑战。
• 研究人员正在探索将量子隐形传态作为未来量子网络、量子中继器和分布式量子计算系统的基础。

在谈话中提到量子隐形传态，大多数人脑海中会浮现出人类在一个地方消失并在另一个地方出现的画面。就像 Star Trek 中的场景，或许还伴随着戏剧性的音效。

但这并不是它的作用。

量子隐形传态传输的是粒子的量子态，特别是其自旋、偏振或能级，传输到远处的一个不同粒子上。原始粒子留在原地。它的状态在过程中被破坏，并在别处的另一个粒子上重新创建。

这个名字确实具有误导性，而理解其中的原因——比大多数关于该主题的介绍所承认的更为重要。

本文涵盖了什么是量子隐形传态、该协议如何工作、它与科学幻想有何不同、已经实现的距离以及更多内容。

什么是量子隐形传态

量子态描述了一个粒子所有可测量的属性，例如其自旋方向、偏振、能级以及其量子特性的特定配置。对于光子，量子态可能会指定它是水平偏振还是垂直偏振，或者处于两者的叠加态。

量子隐形传态将该状态传输到远程位置的一个不同粒子。接收粒子最终会处于与原始粒子完全相同的量子态。

在任何时刻都不存在副本。不可克隆定理禁止对未知的量子态进行精确复制。隐形传态通过在传输过程中破坏原始状态来遵循这一原则。状态从一个粒子转移到另一个粒子而没有被复制。

该协议在 1993 年从理论上被提出，并在 1997 年首次通过实验验证，使用的是光子偏振态。随后的实验将其扩展到原子自旋态、连续变量光态和其他物理系统。在 2022 年，Alain Aspect, John F. Clauser, 和 Anton Zeilinger 因其在纠缠光子方面的独立工作、确立了贝尔不等式的违反以及开创了量子信息科学而共同获得诺贝尔物理学奖。Zeilinger 是 1997 年隐形传态演示论文的高级作者。

为了更深入地了解使这一现象成为可能的科学基础，TQI 关于量子纠缠的解释文章涵盖了底层物理学。

量子隐形传态是如何工作的？

该协议分为三个阶段：准备、测量和重构。

准备阶段

在隐形传态开始之前，发送者和接收者共享一对纠缠粒子。发送者持有一个粒子，接收者持有另一个。这对纠缠粒子可以在双方位于同一地点时创建然后分离，也可以通过量子通信信道进行分发。

发送者还持有第三个处于未知量子态的粒子。这个状态就是需要被传输的对象。

测量阶段

发送者同时对两个粒子进行贝尔态测量：要被传态的粒子和他们持有的一半纠缠粒子。贝尔态测量将这两个粒子投影到四个最大纠缠态之一。

测量产生四个可能结果之一，记录为两个经典比特（00, 01, 10, 或 11）。它还会永久破坏原始量子态。发送者无法恢复它，也无法获知它是什么。