哇,天地之间有个“传送门”!“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。其中,从地面到卫星的量子隐形传态实验是“墨子号”的三大科学任务之一,8月10日,该实验成果在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。
在电影《星际迷航》里,“传送门”的科幻构想是一大亮点——人体或者其他什么物体,在一个地方分解,然后在另一个遥远的地方重新出现,几乎不用什么时间,就实现了空间穿越。如果真的有这样的传送门,那我们岂不是都能轻松玩转“乾坤大挪移”啦?这样的传送门真的存在吗?答案可能会让你小激动一下了——真的存在。
墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动,主要以面向大众的自然科学科普为主,后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次,邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。
1993年,他们提出了一种量子传输模式来绕过这个障碍,它允许将任意未知量子态从一个发送者(Alice)传输到一个空间遥远的接收器(Bob),而不需要实际传输对象本身。这种传输模式,叫做“量子隐形传态(quantum teleportation)”。
2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个97公里的量子隐形传态,不仅将这一纪录拉长到了百公里级别,实验中开发的高频率和高精度的获取、定位和跟踪技术,更是可以直接用于未来基于卫星的量子通信,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。
2017年1月18日正式交付开展科学实验。地星量子隐形传态作为卫星的三大科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子隐形传态实验。
量子隐形传态传送的是“态”,而非实物。就算你想传递你这个人所有态的信息,你需要传送的数据量也太过巨大。一个人的原子数量大约在10的27次方到10的28次方的数量级,而每个原子包含的哪怕最基本的粒子又包含波长、动量、自旋和轨道角动量等很多个自由度,更何况实物传送还要求传送组成实物的基本粒子的所有信息。理论上说,至少同数量级的纠缠粒子才能实现人体的传送。这么大量级的纠缠粒子制备目前看来是不可接受的。
何况,传送过去的你还有没有现在的思想和意识?还是不是现在的你,都不知道。量子密钥分发实现的是经典信息的安全传输(通过下行链路(从卫星到地面)完成),而量子隐形传态实现的是量子信息的可靠传送(通过上行链路(从地面到卫星)完成)。这两项工作第一次在空间和地面之间进行双向量子连接,将来,这些技术都会被应用到实际的空间尺度量子通信网络。
虽然目前看来,我们接触到的主要是经典信息,但是量子信息离我们并不遥远,电子、光子、原子这类系统信息是无法用经典信息方法描述的,而且,未来的量子计算中间过程会产生很多寄存器量子比特状态,也是处于叠加态的,需要用隐形传态才能传递,如果你直接去测量,就会因为塌缩而丧失量子计算的并行优势。所以,未来的全量子网络,离不开量子隐形传态。