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如果你能擁有一項(xiàng)超能力，你會選擇什么？相信“瞬間移動”會是不少人兒時(shí)的夢想。這種超能力在物理學(xué)上并非不可能。如果我們能夠?qū)?gòu)成物體的每一個(gè)粒子進(jìn)行測量，然后在目的地用同樣的粒子完全復(fù)制其狀態(tài)，就可以得到一模一樣的物體。如今，中國科學(xué)家在這項(xiàng)技術(shù)上取得了重大突破。

今年2月26日，《自然》雜志發(fā)表封面文章，介紹了中國科技大學(xué)潘建偉項(xiàng)目組的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究。通俗地說，這一技術(shù)可以讓科學(xué)家在異地瞬間獲知粒子狀態(tài)，從而開啟了瞬間傳輸技術(shù)的大門。

5日的政協(xié)小組會上，全國政協(xié)委員潘建偉用一個(gè)比喻向《科技日報(bào)》解釋了這項(xiàng)研究：“從合肥帶到北京一個(gè)保險(xiǎn)箱，鑰匙忘帶了。于是我請合肥的同事測量一下鑰匙，告訴我；我在北京復(fù)制它。”

經(jīng)典劇集《星際迷航》中的瞬間傳輸裝置。當(dāng)然潘建偉的研究并不是傳輸宏觀物體，而是用于量子通信。

理論基礎(chǔ)：量子糾纏

要想弄清楚“量子隱形傳態(tài)”的原理，就繞不開“量子糾纏”的概念。量子糾纏是指相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)量子所呈現(xiàn)出得關(guān)聯(lián)性?？茖W(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，處于特定系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)量子，即使相距遙遠(yuǎn)也總是呈現(xiàn)出相同的狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)量子狀態(tài)改變時(shí)，其他量子也會隨之改變。

愛因斯坦曾把量子糾纏稱為“鬼魅般的超距作用”，不過觀察者網(wǎng)曾經(jīng)報(bào)道，科學(xué)家如今認(rèn)為，量子糾纏其實(shí)也是需要信道的，潘建偉教授的項(xiàng)目組2013年也測出，量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個(gè)數(shù)量級。

這就是量子隱形傳態(tài)的理論基礎(chǔ)。在量子糾纏的幫助下，帶傳輸量子攜帶的量子信息可以被瞬間傳遞并被復(fù)制，因此就相當(dāng)于科幻小說中描寫的“超時(shí)空傳輸”，量子在一個(gè)地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方神秘地出現(xiàn)。

技術(shù)突破：非摧毀性測量

但想測量一下光子，再讓遠(yuǎn)方復(fù)制，實(shí)現(xiàn)起來是非常困難的。由于太小，光子“一觸而潰”，再精細(xì)的測量也讓它面目全非。

中科大網(wǎng)站介紹說，1997年，國際上首次報(bào)道了單一自由度量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

然而，以往所有的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)都存在著一個(gè)根本的局限，即只能傳輸單個(gè)自由度的量子狀態(tài)，而真正的量子物理體系自然地?fù)碛卸喾N自由度的性質(zhì)，即使是一個(gè)最簡單的基本粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等等。

潘建偉對科技日報(bào)介紹說：“測量一個(gè)自由度，不干擾其他自由度，很困難。好比測量身高，尺子一拉，體重就受了影響。”

中科大此次就是進(jìn)一步發(fā)展出了“非摧毀性的測量技術(shù)”。經(jīng)過多年艱苦努力，研究人員成功制備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件，突破了以往國際上只能操縱兩光子軌道角動量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實(shí)驗(yàn)平臺，從而首次讓一個(gè)光子的“自旋”和“軌道角動量”兩項(xiàng)信息能同時(shí)傳送。

中科大潘建偉教授

據(jù)中科大新聞網(wǎng)報(bào)道，該實(shí)驗(yàn)成果得到了《自然》雜志審稿人的高度評價(jià)，他們一致稱贊該工作“絕對新穎、重要，處于當(dāng)前量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域的最前沿，可以認(rèn)為是一個(gè)偉大的成就”、“在1997年單個(gè)自由度量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的18年之后，這個(gè)工作從基本概念上將量子隱形傳態(tài)提升到了一個(gè)新的水平”、“非常有趣，意義重大，且具有極其苛刻的技術(shù)難度”。

由于該成果的重要性，《自然》雜志專門邀請國際知名量子光學(xué)專家Wolfgang Tittel教授在同期的“新聞視角”（News and Views）欄目撰文評論：“該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)為理解和展示量子物理的一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的預(yù)言邁出了重要的一步，并可以作為未來量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)強(qiáng)大的基本單元”。

該論文發(fā)表后，第一時(shí)間受到了美國《科學(xué)新聞》（Science News）和歐洲物理學(xué)會新聞網(wǎng)站Physics World等多家國際媒體的報(bào)道，稱“該工作不僅為提升量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的理解邁進(jìn)了關(guān)鍵一步，也將在未來量子計(jì)算機(jī)的研制中扮演重要角色”。

應(yīng)用：謝耳朵的難題還很遙遠(yuǎn)

看過《生活大爆炸》的讀者可能還記得，謝耳朵曾經(jīng)在劇中談到過瞬間移動（teleportation）的倫理問題：如果我能夠在此地被摧毀，然后在異地重建，那么使用了不同原子重建的我，還是我嗎？

暫時(shí)還不用擔(dān)心。中科大的這項(xiàng)研究距離宏觀物體的遠(yuǎn)距傳輸還差的很遠(yuǎn)，其應(yīng)用主要在于量子通信。在無線通信中，如果直接使用二進(jìn)制編碼會造成嚴(yán)重的誤差，因此在數(shù)字通信中，人們還需要進(jìn)行更復(fù)雜的編碼。同樣，從單自由度傳輸?shù)蕉嘧杂啥葌鬏數(shù)倪M(jìn)步，對量子通信的實(shí)用化意義重大。