經(jīng)常聽(tīng)到有人議論,“‘量子技術(shù)’太神奇,可以實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越,將人‘瞬間’轉(zhuǎn)移到別的星球上!”果真如此嗎?這一問(wèn)我們就稍微仔細(xì)得討論這個(gè)問(wèn)題。這些說(shuō)法主要依據(jù)所謂“量子隱形傳態(tài)”這個(gè)經(jīng)典物理無(wú)法做到的神奇過(guò)程。
量子隱形傳態(tài)
量子隱形傳態(tài)的英文是“QuantumTeleportation”。先說(shuō)一下,“Teleportation”的含義是“遠(yuǎn)距傳物”,通常在科幻電影或神話(huà)小說(shuō)中出現(xiàn),人或物在某地突然消失,瞬間在遠(yuǎn)處重現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)中當(dāng)然無(wú)法做到,但“量子糾纏”出現(xiàn)后,科學(xué)家提出“量子隱形傳態(tài)”的方案,可以使量子信息或者稱(chēng)量子態(tài)在某處消失,隨后在遠(yuǎn)處重現(xiàn),有點(diǎn)像上述神話(huà)中的“遠(yuǎn)距傳物”。具體過(guò)程如下:
Alice有個(gè)粒子C,處于量子態(tài)|ψ?c她希望將此量子信息|ψ?c傳送給遠(yuǎn)處的Bob,但信息載體C本身仍保留在Alice處。設(shè)A、B是來(lái)自于糾纏源的兩個(gè)例子,分別傳送給Alice和Bob,由于A和B處于糾纏態(tài),因此Alice和Bob就有了一個(gè)量子關(guān)聯(lián)的通道,只要一方被測(cè)量,另一方的量子態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變化,此時(shí),Alice處擁有兩個(gè)彼此獨(dú)立的粒子A和C,她對(duì)A、C進(jìn)行一種所謂的Bell態(tài)測(cè)量,這種測(cè)量可能有四種結(jié)果(即四個(gè)不同的Bell態(tài)),各自概率為1/4。Alice做一次測(cè)量,獲得其中一個(gè)結(jié)果(即某個(gè)Bell態(tài)),隨后,它將測(cè)量結(jié)果經(jīng)由一個(gè)經(jīng)典通道傳送給Bob,Bob獲取此經(jīng)典信息后,對(duì)粒子B實(shí)施相應(yīng)的操作,結(jié)果粒子B便處于量子態(tài)|ψ?c上,亦即量子態(tài)從C傳給了B,這就是所謂的“量子隱形傳態(tài)”。這個(gè)過(guò)程中,Alice和Bob可以完全不知|ψ?c是什么態(tài),C和B也可以不是同一類(lèi)的量子客體。
Alice對(duì)A、C實(shí)施Bell態(tài)測(cè)量后,ABC整個(gè)量子系統(tǒng)究竟發(fā)生了什么改變?
1.C的量子態(tài)改變了,亦即原來(lái)量子態(tài)|ψ?c消失了,C處于別的量子態(tài);
2.A、B不再處于糾纏態(tài),AB之間量子關(guān)聯(lián)中斷了;
3.B處于四種可能的量子態(tài)之一,究竟是哪個(gè)量子態(tài)取決于A、C的Bell態(tài)測(cè)量的具體結(jié)果;
4.A與C處于四種可能的糾纏態(tài),各自概率為1/4。
在“量子隱形傳態(tài)”過(guò)程中,量子態(tài)|ψ?c究竟是怎么被傳送到B上呢?我們無(wú)法按通常的傳送信息方式來(lái)想象這個(gè)過(guò)程,正因?yàn)槿绱?,故采用“隱形”來(lái)描述這種狀況。一般理解說(shuō),|ψ?c的信息被分成兩部分,一部分經(jīng)由AB的糾纏量子通道傳到B,另一部分是測(cè)量所得的經(jīng)典信息經(jīng)由經(jīng)典通道傳送給B。Bob實(shí)質(zhì)上是將兩部分糾結(jié)起來(lái),使量子態(tài)|ψ?c|ψ?c精確地賦予B粒子。單獨(dú)從量子通道或經(jīng)典通道獲得信息都無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài),因此在這個(gè)過(guò)程中,兩個(gè)通道是必不可少的。既然必須采用經(jīng)典通道傳輸信息,這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)決不可能超光速。所以,量子隱形傳態(tài)決不可能是“瞬時(shí)”的,不會(huì)發(fā)生超光速現(xiàn)象。
另一點(diǎn)特別要強(qiáng)調(diào)的是,A、B、C都應(yīng)當(dāng)是量子客體,它們可以不屬同一類(lèi),可以分別是光子、原子、電子等,但都遵從量子力學(xué)規(guī)律。結(jié)論是,量子隱形傳態(tài)是量子客體之間的一種“非瞬時(shí)的”量子信息傳送的過(guò)程。
這個(gè)結(jié)論否定了經(jīng)典客體之間實(shí)現(xiàn)這種隱形傳送信息的可能性。經(jīng)典信息的傳送必須有物理載體的攜帶才能實(shí)現(xiàn),這種物理載體可以是聲波、電磁波(包括光波)、引力波等。
當(dāng)然,如果C不是單個(gè)粒子,而是由許多粒子構(gòu)成的復(fù)雜量子客體,而量子態(tài)可以表達(dá)為|ψ?c,我們同樣可以經(jīng)由量子隱形傳態(tài)將|ψ?c傳送給B。
如果C不是量子客體而是無(wú)法用量子態(tài)描述的經(jīng)典客體,而A、B是量子客體,那么C所攜帶的經(jīng)典里的經(jīng)典信息仍然無(wú)法用此方式傳送到Bob處而保持C仍留在原處。此外,量子隱形傳態(tài)僅僅傳送量子客體C所攜帶的量子信息(即量子態(tài)),量子客體C并未消失,因此不能說(shuō),如果B與C是同類(lèi)物質(zhì)就可實(shí)現(xiàn)量子客體從某處傳送到另處。自然客體具有“物質(zhì)、能量、信息”三要素,只有這三個(gè)要素都消失才可以說(shuō)該客體被消失了。
至此,我們就可很容易地回答本文的命題了,答案是量子技術(shù)不可能將人“瞬間”地轉(zhuǎn)移到別的星球!即使是非瞬時(shí)地采用此過(guò)程也不能將僵尸、棉衣之類(lèi)的傳送到別的星球!
“量子隱形傳態(tài)”是量子糾纏的一種奇妙應(yīng)用,并被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。這個(gè)過(guò)程已成為量子通信等的重要物理基礎(chǔ),已開(kāi)辟出具有潛在應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)。
量子糾纏
量子糾纏是量子技術(shù)的重要資源,是量子計(jì)算機(jī)、量子模擬等重大應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。那么,如何產(chǎn)生量子糾纏呢?現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)掌握許多制備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是將一束激光照射到非線(xiàn)性晶體上便能產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。當(dāng)然,這種糾纏光子源屬概率性的。這種參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的許許多多光子對(duì)中才會(huì)有一對(duì)光子是糾纏的,人們甚至無(wú)法預(yù)先知道哪一對(duì)是糾纏光子,只能采用能確定糾纏的探測(cè)裝置來(lái)加以識(shí)別,但一旦確認(rèn)該光子對(duì)是糾纏的,糾纏也會(huì)因此測(cè)量而消失。這種后測(cè)量制備的糾纏應(yīng)用是有限的。理想的應(yīng)當(dāng)是確定性糾纏源,即每次僅產(chǎn)生一對(duì)光子,而且他們必定處于糾纏態(tài)。例如,具有合適能級(jí)結(jié)構(gòu)的單個(gè)量子點(diǎn),將其激發(fā)到某個(gè)特定上等級(jí),它會(huì)躍遷到某個(gè)中間能級(jí),伴隨著發(fā)射出一個(gè)光子,隨后又從中間能級(jí)躍遷到下能級(jí),發(fā)射出另一個(gè)光子,而且兩個(gè)光子處于糾纏態(tài)。
兩個(gè)獨(dú)立的粒子不糾纏,通過(guò)某種非線(xiàn)性相互作用,兩個(gè)粒子可以處在糾纏態(tài)上,這種非線(xiàn)性作用的途徑有許多:
兩個(gè)糾纏光子分別入射到兩個(gè)獨(dú)立量子客體(例如,冷原子系綜、固態(tài)量子存儲(chǔ)器等),可以使這兩個(gè)量子客體變成量子糾纏;
在上述量子隱形傳態(tài)中,Alice對(duì)相互獨(dú)立的粒子A和C實(shí)施Bell態(tài)測(cè)量,便使A和C成為糾纏態(tài);量子處理器中的量子受控非門(mén)可以使輸入的兩個(gè)量子比特在輸出端成為糾纏態(tài),等等。
量子糾纏盡管奇妙無(wú)比,用途廣泛,但它卻有天然的致命傷——量子糾纏十分脆弱,環(huán)境會(huì)不可避免地破壞其量子特性而使“糾纏”消失掉,即兩個(gè)糾纏的量子客體最終會(huì)演化為不糾纏的狀態(tài),非局域關(guān)聯(lián)完全斷開(kāi)。所謂環(huán)境不僅包括經(jīng)典噪聲,諸如熱運(yùn)動(dòng)、吸收、散射等,還包括量子噪聲,即真空起伏,即使我們有辦法將經(jīng)典噪聲完全隔絕,量子噪聲仍無(wú)法消除,而且無(wú)處不在。這種環(huán)境引起的量子性消失,被稱(chēng)為“消相干”(或“退相干”)?!跋喔伞笔恰傲孔酉喔尚浴钡奶鞌?!
量子器件是一種人造的量子系統(tǒng),“消相干”是實(shí)際量子器件應(yīng)用的主要障礙,必須采取措施加以克服。例如通用量子計(jì)算機(jī)必須采用量子糾錯(cuò)和容錯(cuò)來(lái)克服消相干的影響,遠(yuǎn)程量子通信必須采用量子中繼來(lái)建立遠(yuǎn)距離的糾纏通道等等。(中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
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