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第82集 量子态传输

第82集 量子态传输 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-23   浏览数:
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  当一个人进入一间屋子,一按电钮,屋子空了。同时,这个人出现在了远在几百光年外的另一间屋子,科幻电影中经常出现的“超时空穿越”让人们大开眼界。这种幻想是否能够实现呢? 

  如果大家看过《星际迷航》,相信您对电影中的人体瞬间转移一定不陌生。电影里企业号飞船上的成员们在一台科技装置中,身体忽然一闪,便消失得无影无踪,之后他会出现在任何一处希望抵达的地点,甚至是外星球。电影让长距离移动看起来似乎轻而易举。虽然这些能力是虚构出来的,但自从科研人员研究发现“量子远距传输技术或许实现“瞬时移动”不再那么遥不可及 

  量子远距离传输并不仅仅是科幻小说里面的故事它是真实的,并且已经存在了。或者至少,量子的隐形传输已经成为了可能 

  量子远距传输”简单来说,就是量子态从一个地方到另一个地方的传输。 

  传输的量子态如同科幻小说中描绘的超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。 

  2010年6月1日,在英国《自然光子学》期刊上发表的中国科技大学潘建伟团队最新研究成果,引起了国际学术界的广泛关注。在取得了一系列关键技术突破后,我国已成功实现16公里距离的量子态隐形传输,这比原世界纪录提高了20多倍。通俗的来说,就是一个量子态在一个地方消失,又在另一个地方出现,两个地方的距离已经达到16公里。 

  这个实验,由中国科技大学与清华大学组成的联合小组完成,实验中一个量子态在八达岭消失后,没有经过任何载体,就瞬间出现在了16公里以外。这是量子态远距离传输的一个重大飞跃。 

  那么,信息的瞬间传递能不能发展到实物的瞬间传递?甚至发展到生命体的瞬间传递呢? 

  或许我们真的很想把这项技术称为瞬间移动,但它还不能算,至少现在还不能算。我们可以把量子态理解为一种信息量,但它并不是实体。其实,量子隐形传输与科幻电影《星际迷航》及其他科幻小说中描述的“瞬间移动”,还是有很大差距的。 

  科幻电影中的“瞬间移动”通常是分解一个物质对象,通过空间传输分子物质,然后再另一个遥远的地方立即且完美地重组这个物质实体。而量子隐形传输,不分解和重组任何对象,不涉及任何物质的移动。 

  另外,这项技术只运用于单一量子粒子层面,例如,光子、电子、原子等。量子隐形传输与真正的物质瞬间移动虽然差的还很远,不过,却有一种微妙的魔力。量子隐形传输能够立即将一个粒子的量子态传输到任意一个未知的位置,却不传送粒子本身。作为未来量子通信网络的核心要素,量子态隐形传输是一种全新的通信方式,它传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息。 

  听起来,这确实是一个难以令人理解的研究领域。想要弄清楚其中的奥秘,还得从量子说起。 

  量子是不可分的最小能量单位,“光量子”就是光的最小单位。 

  在奇特的量子世界里,量子存在一种奇妙的“纠缠”运动状态。物理学家爱因斯坦用“鬼魅般的超距作用”来形容“量子纠缠”。 

  在量子物理的世界中,两个或两个以上处于纠缠态的粒子,无论相隔多远,都能“感知”和影响对方的状态。 

  中科大量子信息实验室彭承志教授,把一对纠缠状态下的光子比作有着“心电感应”的两个粒子。再用个更贴切的比喻,纠缠光子就好像一对“心有灵犀”的骰子,甲乙两人身处两地,分别各拿其中一个骰子,甲随意掷一下骰子是5点,与此同时,乙手中的骰子会自动翻转到5点。当甲刚刚掷出了5点,乙即便不用摊开手掌,也可以知道自己手边这个“心电感应”的骰子也成了5点。这一切源于量子的“纠缠”运动状态。彭承志教授介绍说:“在经典状态下,一个个独立的光子各自携带信息,通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下,两个纠缠的光子互为一组,互相关联,并且可以在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性,我们首先把一对携带着信息的纠缠光子进行拆分,把其中一个光子发送到特定位置,这时,两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态,就能准确推测另外一个光子的状态,从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。” 

  在量子纠缠理论中,两个相互纠缠的量子对,即使一个在地球一个在月球,只要你观测到了其中一个量子的状态,另一个量子也会瞬间产生相同的改变。利用这种“鬼魅般的超距作用”,量子通信就可以把另一个粒子的未知量子态,传送到遥远的地点,而不用传送这个粒子本身。 

  这听起来就像一场魔术表演。很显然,前面的举例中,甲和乙之间传送的只是类似“转成5点”之类的信息,而不是实物。一位参加这项研究的科学家说道:“我们对世界的了解仍然不够透彻。很多人都认为,这个实验的成功代表着超时空穿越可能实现。但是,现在还不知道应该如何通过隐形传输的方式传送实物,更不用说生命体了。不过,这项实验意义重大,科技发展的速度有多快谁能知道呢?就好像打算盘时的人们永远想不到,在不久的将来,人类发明出了每秒运行几千亿次的电子计算机。” 

  我国科学家创造的这段16公里的量子态旅程,刷新了当时新的世界纪录。这一切源于研究者对量子通信信道从光纤信道到自由空间信道的改变。下面,我们来听听这段量子态旅程的研究过程。 

  早在2004年,中科大潘建伟、彭承志等研究人员,就开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间里,环境对光量子态的干扰效应极小,而光子一旦穿透大气层进入外层空间,其损耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更有优势。 

  2005年,研究小组在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠分发的世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。然后,从2007年开始,中科大—清华大学联合研究小组在北京八达岭与河北怀来之间架设了长达16公里的自由空间量子信道,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。 

  事实上,除了远距离传输实验之外,在2012年的8月份,潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通讯卫星”提供了技术支持。潘建伟教授介绍说:“在高损耗的地面成功传输100公里,意味着在低损耗的太空传输距离将能达到1000公里以上,基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。” 

  到了2015年潘建伟教授与同事组成研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来,量子信息实验研究领域取得的又一重大突破,为发展可扩展的量子计算和量子网络技术做好了充分准备 

  2016年,潘建伟团队自主研制的,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在酒泉卫星发射中心成功发射,这也标志着世界首次实现了卫星和地面之间的量子通信,意味着我国量子保密通信技术取得了重大进展。 

  这么多年来,我国在科学技术上的快速发展是世界有目共睹的。今天,我们在量子传输研究领域获得的世界领先技术成果,离不开众多默默耕耘的科研工作者,我们应该向他们致敬,为祖国自豪。 


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