量子糾纏態(tài)：超越光速的傳輸？
在一個月以前，潘建偉團隊曾登上另一頂級期刊《科學》的封面。當時，他們創(chuàng)下了世界量子糾纏分發(fā)距離的記錄，達到1200千米，實現了一個數量級上的突破。
量子是物理學中不可再分的基本單元，由德國物理學家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半個光子”的說法。
科學家們在量子的世界中，發(fā)現了許多奇妙的現象。其中，量子糾纏就是一種奇妙的表現，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進行觀測），另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應改變，仿佛“心靈感應”。比方說，如果一個光子的偏振態(tài)是“向上”的，那么另一個光子的偏振態(tài)必然是“向下”的。
這個構思源于愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）在頭腦里做的一個實驗，因此，這樣的一對粒子也被稱為“EPR”對。
在量子糾纏的幫助下，量子態(tài)的塌縮是瞬間發(fā)生的。這就好比，你去北京出差，打開行李箱一看，只帶了一只左手的手套。那么，你立刻就能知道，落在上海家中的另一只手套肯定是右手的。一個事件影響的傳播超過了光速，這不符合定域實在論。終其一生，愛因斯坦都認為量子力學是個不完備的理論。
不過，后人在實驗中成功地實現了量子糾纏， “墨子號”衛(wèi)星將糾纏光子對分發(fā)到青海德令哈和云南麗江地面站，更是刷新了量子糾纏的最遠距離：1200公里。
量子隱形傳態(tài)：到底是什么“瞬移”了？
這次，潘建偉團隊在量子糾纏的基礎上更進一步，玩了一個更為匪夷所思的“魔術”：大變光子。
首先，科研人員在西藏阿里的地面站制備糾纏光子對A和B，將其中一個光子B分發(fā)給“墨子號”衛(wèi)星，組成一條隱形傳態(tài)的信道?？蒲腥藛T同時對另一個地面上的光子C和A進行一個操作，稱為“貝爾態(tài)測量”（BSM）。根據量子的一些基本特性，光子C和A經過測量之后，他們的量子態(tài)會改變，與A處于糾纏態(tài)的B也會發(fā)生相應變化。在得到某一個測量結果時，光子B恰好會變到光子C最初的狀態(tài)。
也就是說，一個與原來的光子A狀態(tài)一模一樣的光子，出現在了衛(wèi)星上，仿佛光子A完成了“瞬間移動”。這里面有兩個值得注意的地方：首先，這并不是光子本身被轉移到衛(wèi)星上，原來的光子A還在地面上，而且狀態(tài)已經由于測量而改變了。所以，這中間并不存在“復制”的問題。
即使有朝一日，科技的發(fā)展真的能實現人類的隱形傳態(tài)，我們也大可不必擔憂世界上存在“兩個我”的倫理問題。
另一方面，在量子隱形傳態(tài)的過程中，信息的傳播并沒有超過光速。如果信息的發(fā)送方想要通過衛(wèi)星這個中繼站，把手中光子的量子態(tài)傳給另一個地面站的接收方，那么他們需要通過傳統(tǒng)的通信渠道，比如電話、短信或者互聯(lián)網，溝通貝爾態(tài)測量結果。
“百年物理學21篇經典論文”
1993年，IBM的查爾斯·本內特（Charles H. Bennett）和其他5位科學家一起提出了量子隱形傳態(tài)的構想。值得一提的是，此次潘建偉團隊發(fā)表在《自然》上的另一個實驗，量子密鑰分發(fā)，也是基于本內特和合作者在1984年提出的一個構想。
1997年，潘建偉在他的老師、奧地利因斯布魯克大學的蔡林格（Anton Zeilinger）團隊首次實現了單光子自旋態(tài)的傳輸。這篇題為《實驗量子隱形傳態(tài)》的論文后來入選了《自然》雜志的“百年物理學21篇經典論文”，跟它并列的論文包括倫琴發(fā)現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現DNA雙螺旋結構等。
不過，考慮到光子在光纖中的損耗率，量子隱形傳態(tài)的距離拓展一直十分艱難。直到2004年，蔡林格團隊才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。2008年，潘建偉團隊與清華大學合作，在北京八達嶺與河北懷來之間實現了16公里的量子態(tài)隱形傳態(tài)，相當于此前世界紀錄的27倍。
2012年，潘建偉團隊在青海湖實現了97公里自由空間的量子態(tài)隱形傳輸。
2015年，潘建偉團隊首次實現單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，也就是說，傳輸了一個單光子的多個信息。
2015年，潘建偉團隊多光子糾纏干涉成果獲得了2015年度國家自然科學一等獎。
“上傳”與“下載”
自2005年加入潘建偉團隊以來，任繼剛就一直進行量子隱形傳態(tài)的研究工作，并參與了上述八達嶺和青海湖等實驗。
在任繼剛看來，在這次“墨子號”圓滿完成的三大科學實驗任務：量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)中，地星之間量子隱形傳態(tài)最大的挑戰(zhàn)，在于它是唯一一個從地面往上傳的實驗。
“那兩個實驗（量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā)）是從天上往地下發(fā)，地面上是大口徑的望遠鏡接收。這種大口徑的望遠鏡，我們國家的技術已經比較成熟?！?br/>從衛(wèi)星上下行的光束，先經過長距離的真空，再穿過最后十幾公里的近地面大氣層，光斑直徑大約有十幾米。此時產生一些擾動，對接收效果影響并不大。而從地面“上傳”，光束會首先經過大氣層的干擾。
為此，團隊挑選了阿里這個實驗地點：海拔高，光束可以少“走”一些路，年均降水少，空氣干燥，人類活動的干擾較少。不過，研究人員也不得不接受惡劣的自然條件的挑戰(zhàn)。
在這次實驗中，量子糾纏和貝爾態(tài)測量都是在阿里的地面站中進行的。下一步，團隊將先進行遠距離的量子糾纏分發(fā)，再進行貝爾態(tài)測量，實現地面站之間的量子隱形傳態(tài)。
我們當然可以暢想，未來有一天，我們站在地面的機器里，說出《星際迷航》中的那句經典臺詞：“Beam me up.”（傳送我吧）。我們的身體被分解成無數粒子，然后這些粒子的狀態(tài)被傳送給衛(wèi)星里的粒子。這時，一個“我”在地面上被分解了，一個“我”在衛(wèi)星上重構。
不過，量子隱形傳態(tài)目前處于十分初期的發(fā)展階段，因而，我們還無需過早地操心“衛(wèi)星上的那個我還是不是我”這種哲學問題。

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