/p/
这个问题详细解释一下。
量子瞬时传输技术科普，保证让你看懂！
袁兰峰
2015年3月，有消息称“中国科学技术大学潘建伟项目组在量子瞬时传输技术方面取得重大突破”（中国科学技术大学潘建伟项目组已量子瞬时传输技术取得重大突破）。 该成果随后被英国物理学会评为2015年物理学十大突破第一名，并被中国科技部评为2015年中国十大科学进展第一名。 这个消息一出，不少人都激动不已，围观的人群也挤满了人。 什么样的兴奋方法？ 有两种最常见的反应。 一是：“你说的每一个字我都认识，但你说的我什么都听不懂！比如！！” 可以缩写为“未知意识”。 另一条是：“到了公交车站，刷卡物理学家拉摩，选择位置，‘biu’的一声就出现了目的地公交车站！太棒了！” 它可以缩写为“传送”。 事实上，这两种反应都被小编误导了。 因为小编的图片是《星际迷航》中的隐形传物装置（他们每一篇涉及量子隐形传态的报道都会有这张图片），所以后者很重视。 前者可能仔细阅读了这份报告，发现它无法连接成一个完整的故事。 没办法，懂科学原理的编辑不多，我能想到的“日常生活”对等词就只有这个“beam me up”了。 真的要专业人士做精准科普吗？
星际迷航中的传送装置
我的专业是理论物理化学，所以量子信息不是我应该科普的东西。 不过我至少比大众了解多一点，我咨询了潘建伟院士课题组的同事陈博士。 虽然陈博士不是这篇文章的作者，并且多次声称他不是这样做的，并且对整个量子信息的了解有限（这是科研人员的标准态度，每一个证据都不言而喻） ，但是他还是提供了很多深入的解释，非常感谢。 从那时起，我觉得我对这部作品有了一定的宏观层面的了解，可以向公众解释它了。 虽然对于业内人士来说可能显得很肤浅，但它至少可以澄清一些误解，让大家了解这个成就到底是什么、不是什么、它在科学史上的地位以及它有多么重要。 我的叙述会尽可能简洁，让高中以上文化程度的人能够理解，同时我会力求准确，给出正确的科学形象。 事实上，准确的表达往往比似是而非的表达更容易理解。 这是我看了很多半懂不懂的报告和教材后的感受。 简而言之，我保证你知道！ 如果你还是不明白……再读一遍！ :-)
该成果于2015年2月26日以封面标题发表在国际顶级科学期刊《自然》（）上。作者为中科大合肥微尺度物理科学国家实验室潘建伟院士和陆朝阳教授。中国技术. 等人的文章标题为“单光子多自由度量子隐形传态”（“of a”）。 这里的新成就是“多自由度”，因为单光子单自由度的量子隐形传态在1997年就已经实现了。那么，光子是什么？ （光子是光的最小单位，我们每天看到的一束光含有很多光子。）什么是自由度？ 什么是量子？ 什么是态度？ 什么是量子隐形传态？
潘建伟、陆朝阳
如果一个物理量有最小的不可分割的基本单位，我们就说这个物理量是量子化的，这个最小的单位就称为量子。 光子是光的量子。 一束光至少含有一个光子，少了一个就不会存在。 实验发现，原子中电子的能量并不是连续变化的，而只能取一些离散值。 也就是说，原子中电子的能量是量子化的。 量子化是微观世界中的普遍现象。 20世纪上半叶（主要是1900年至1930年），普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等伟大物理学家创造了量子力学，这是我们目前对量子力学最准确的描述。微观世界。 相对论几乎是爱因斯坦一个人创造的，但量子力学却是恒星的产物。 爱因斯坦在其中也扮演了非常重要的角色（提出光量子，这就是他获得诺贝尔物理学奖的原因——它不是相对论！），但他不是最重要的，两个最重要的贡献者。 是普朗克和海森堡。 不过，无论是谁在上面，都比活着的物理学家伟大得多（也许杨振宁离泡利不是很远？）。 这是时代的恩惠，是个人无法改变的。
普朗克
海森堡
量子力学用来描述世界的语言与经典力学的语言有着根本的不同。 经典力学描述了粒子的状态，说明它的位置和动量。 不言而喻，在任何时刻，粒子总是处于某个位置并具有一定的动量，即使你不知道它是什么。 量子力学描述了粒子的状态，但它给出了状态函数或状态向量。 这个状态向量并不位于我们日常看到的三维空间中，而是位于数学抽象的线性空间中。 我们不需要深究这里到底是一个什么样的空间。 关键是两个状态向量之间可以进行“内积”（或“点积”）运算。 什么是内积？ 在三维空间中，两个向量 a 和 b 的内积 (a, b) 得到它们的长度乘以它们之间的角度的余弦的乘积。 当两个向量方向相同时，角度的余弦等于1；当方向相反时，角度的余弦等于1；当两个向量彼此垂直时，角度的余弦等于0。 因此，内积的绝对值越大，两个向量的方向越接近。 也可以对两个状态向量计算这样的内积，内积的绝对值代表它们的相似程度。
两个向量的内积
OK，现在来了一个令人难以置信的新概念：对于任何物理量P（例如位置、动量），状态向量都可以分为两类。 一种类型有一个确定的P，称为P的本征态，P的值称为该本征态的本征值； 另一种类型没有确定的 P，称为 P 的非本征态。非本征态比本征态多得多，就像无理数比有理数多得多一样。 也就是说，大多数情况下，粒子是没有确定位置的！ 等等，“没有确定的位置”是什么意思？ 是不是因为粒子跑得太快，我们看不清楚？ 量子力学不谈这种传统的（也是错误的）理解，而是说：非本征态是客观真实的状态，它和本征态一样客观真实。 它没有固定的位置，因为它本质上就是这样。 ，不是因为我们的信息不完整。 例如，有些状态可以用指向上、下、左、右的箭头来表示，所以你将“方向”定义为一个物理量，但也有一些状态是一个圆圈！ 圆圈状态与箭头状态一样真实，但它没有明确的方向。
但读者仍然会感到困惑，因为我们总是可以用仪器来测量粒子的位置，而测量的结果总是粒子出现在一个地方，而不是同时出现在两个地方，或者被测量无处。 好了，这里是量子力学的关键思想：在P的本征态上测量P时，粒子的状态没有改变，测量到的就是这个本征态的本征值。 在 P 的非本征态 s 上测量 P 将导致粒子的状态突然从 s 变为 P 的某个本征态 f。概率是 s 和 f 的内积绝对值的平方 | (s,f)|^2，这个变异发生后测得的就是f的特征值。 从 s 到 f 的状态突变的概率为 |(s, f)|^2。 实际含义是，两个状态越相似，概率就越大。 还是用上面的例子，如果测量箭头状态的方向，如果状态不变，就得到箭头的方向； 如果你测量圆圈状态的方向，圆圈状态将以相同的概率改变为任何箭头状态，并且你将得到这个新的箭头状态的方向。 通过测量该位置的非本征态的位置，将测量粒子出现在随机位置，并且出现在空间中所有位置的概率之和等于1。
你怎么知道测量结果是随机的？ 准备多个相同状态的粒子，重复实验多次，你会发现每次的实验结果都不一样。 是的，量子力学本质上是随机的，同样的原因可能会导致不同的结果。 这是与经典力学的又一大区别。
有人可能会问，如此奇怪的测量本质是什么？ 答案是：量子力学最大的谜团之一是没有人知道测量的本质！ 目前，测量只能理解为操作性定义：对本征态的测量不改变状态，得到特征值； 对非本征态的测量随机将其变为本征态，并得到相应的本征值。 价值。
你可能会觉得上面的说法令人费解，但现在大多数科学家都相信它们。 为什么？ 因为这个奇怪的理论与实验非常吻合，但经典力学却不然。 当然，这是一个哲学原因，操作原因很简单：今天的科学家都受过量子力学的教育。 普朗克有句话很有趣：“新的科学真理不是靠说服对手而获胜，而是因为对手死了，熟悉它的新一代人成长起来。” 单词！
事实上，对量子力学提出各种挑战的人还有很多，包括很多专业科学家，甚至更多的民间科学家（当然还有更多的民间科学家挑战相对论）。 历史上，挑战量子力学的力量变得更加强大，而其中的领军者就是爱因斯坦！ 老艾坚信粒子应该有确定的位置和动量，世界的演化应该是决定性的。 他对上述量子力学的不确定性和随机性非常不满意。 用他自己的话说，他相信“无人看月时，月亮依然存在”，“上帝不掷骰子”。
爱因斯坦相信：“上帝不掷骰子。”
如果你是一个普通人，表达你的信仰之后就没事了。 但爱因斯坦是一位超级伟大的科学家，是一位神一般的人物。 他不满足于仅仅说说而已。 他计划按照科学规范设计一个决定性的实验，以可验证的方式证明量子力学的错误。 于是，1935年，爱因斯坦（）、波多尔斯基（）和罗森（Rosen）提出了思想实验，后人以他们名字的首字母命名为EPR实验。 你可以准备两个粒子A和B的“圆”态，使得在该状态下两个粒子的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的极化）相加为零，并且单个粒子的这种性质是不确定的。 这样的一对粒子被称为“EPR对”，属于量子力学中的“纠缠态”，因为两个粒子的性质是不可分割地纠缠在一起的。 然后你将这两个粒子在空间中分开很远，任意远，然后测量粒子 A 的这个属性。例如，如果你测量 A 为“向上”，那么你立即知道 B 现在是“向下”。 就像成龙电影《双龙》中的心灵感应双胞胎。 其中一个执行某个动作，另一个无论距离多远都会执行相同的动作（方向相反）。 问题是，由于A和B相距很远，B如何知道A发生了变化，然后做出相应的变化呢？ EPR认为A和B之间存在“幽灵般的超距作用”，信息传输的速度超过了光速，违反了相对论。 因此，量子力学一定有问题。
成龙《二龙俱乐部》
这个问题非常深刻，至今仍然激励着人们。 然而，量子力学的正统捍卫者有一个标准答案：处于纠缠态的A和B是一个整体。 当您测量 A 时，A 和 B 同时发生变化。 并不是A改变了然后传输消息。 给B，B又改变了，所以这里没有信息传递，不违反相对论。 这个答案怎么样？ 不管你信不信，我反正信了。 然而，爱因斯坦从不相信这一点，并且一生都作为他帮助创建的理论的反对者而生活。
在爱因斯坦时代，EPR 实验只能在头部进行。 随着技术的进步，这个实验已经可以实现。 20世纪80年代，等人进行了EPR实验。 你猜结果是什么？ 与量子力学的预测完全一致！ 实际上，当您测量 EPR 对中的 A 处于“上升”状态时，B 就会变为“下降”。 它本来是为了否定量子力学，但却验证了量子力学的正确性。 这种事情在科学史上经常发生。 19世纪，泊松主张光是粒子，菲涅尔主张光是波。 。 1818年，菲涅尔计算了圆孔和圆板形状的障碍物产生的衍射图样。 泊松指出，根据菲涅尔理论，在其正后方的不透明圆板的中心会出现一个亮点。 他认为这是不可能的，并声称驳斥了波浪理论。 但菲涅尔和阿拉戈立即进行了实验，果然出现了亮点，波动理论获得了伟大的胜利。 后人幽默地将这个亮点称为泊松点。 这正是尼采所说的：“杀不死我的，将使我更坚强！”
泊松点
由于EPR现象是真实存在的效应而不是爱因斯坦等人认为的悖论，所以人们就想到了利用它。 量子隐形传态 ( ) 是一个重要的应用。 这是1993年根据量子力学设计的实验方案。 英文单词是科幻艺术中的瞬间传递。 Tele 表示远方，port 表示传输。 因此，编辑报道此类新闻时，总会附上人物照片。 《星际迷航》中的史波克发来贺电。 ！ 然而，量子隐形传态实际上所做的是将一个粒子A的量子态传输到另一个遥远的粒子B，使B成为A的原始状态。传输的是状态而不是粒子。 当然，你可以说，传人也是将人所有原子的状态转移到远处的另一堆原子上，将它们组合成同一个人。 好吧，我不反对，但是为了避免混淆，中国科学家还是小心翼翼地将其翻译成了。 这个中文名其实比英文名好听多了。 准确、简洁，体现了汉语的优势。
量子隐形传态
量子隐形传态的基本思想是这样的：让第三个粒子C和B组成EPR对，并且C距离A很近，距离B很远。让A和C相互作用，改变C的状态，所以B的状态也随之改变。 此时，两个粒子集A和C有四种可能的状态，分别对应四个字符串00、01、10和11。 B的状态也有四种可能。 每一种可能性都在一定程度上类似于A的初始状态（即你想要传输的目标状态），并且可以通过一定的量子力学运算改变为目标状态。 。 当A和C作为整体进行测量时，A和C随机变异为00、01、10、11四种状态之一，B也变异为相应的状态。 现在您有一个两位字符串：00、01、10 或 11，您可以将其解释为密码。 通过经典通讯手段（如电话、光缆）告诉B方这个密码，根据密码操作B，就得到A的初始状态。由此可见，量子隐形传态的基本要素包括中间粒子、代码和经典通道。
这里有一个常见的误解需要澄清。 很多人把量子隐形传态视为瞬间传输，不需要任何时间就可以传输到无限远的距离，然后大呼它颠覆了相对论。 有人认为，通过这一招，信息传输的速度可以超过光速，我们可以与距离地球500万光年的行星进行即时通讯。 这是完全错误的！ 仔细看上面的过程，通过测量来改变每个粒子的状态并不需要时间，但仅靠这一步是不可能得到目标状态的。 为了知道需要对B进行什么操作才能获得目标状态，必须传输两位串，这需要经典通信，而经典通信不能超过光速。 由于传输码步存在阻塞，量子隐形传态无法超过光速。
看到这个结论是不是有点沮丧？ 我必须强调，成熟的科学理论不是那么容易被推翻的。 量子力学和相对论并非完全没有矛盾，但它们与广义相对论（引力问题）不一致。 狭义相对论和量子力学还是很和谐的。 量子隐形传态是根据标准理论设计的解决方案，当然不会与标准理论冲突。 与其把他理解为一个推翻正统的革命者，不如把他理解为一个在现行体制下运用自己独特思想的工匠大师。
还有一个常见的误解，就是把量子隐形传态视为一种复制状态，然后开始担心同时出现在两个地方的自己是谁。 这种认识也是错误的。 仔细看量子隐形传态的过程，最终的结果是B变成了A原来的状态，但是A的状态也发生了变化。 也就是说，任何时候只有一个粒子处于目标状态。 如果这是复制物理学家拉摩，那么它也是破坏性复制。 创建副本后，必须销毁原件。 所以样本不会增加，它们只是从一个地方移动到另一个地方。
总而言之，量子隐形传态是一个粒子的未知状态以不高于光速的速度破坏性地传输到另一个粒子。 例如，用颜色来表示状态，粒子A最初是红色的。 通过隐形传送，我们让远处的粒子B变成红色，粒子A同时变成绿色。 但我们不需要知道 A 最初是什么颜色。 无论A是什么颜色，这种方法都可以保证B变成A原来的颜色，同时A的颜色发生变化。
量子隐形传态何时实现？ 答案是，1997年，潘建伟还是奥地利因斯布鲁克大学安东·塞林格教授课题组的博士生时，他们在《自然》杂志上发表了一篇题为“实验量子隐形传态”（“ ”）的文章，潘建伟建伟为第二作者。 这篇文章后来被选入《自然》杂志的“世纪物理学21篇经典论文”。 与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等并列，这个阵容强大得可怕。 当然，量子隐形传态虽然没有那些神级成就那么重要，但仍然相当了不起，尤其是在基础科学长期没有革命性变革的当代。
塞林格
现在终于可以谈谈潘建伟课题组的最新工作了。 1997年，实现了单光子单自由度的量子隐形传态。 现在，实现了单光子多自由度的量子隐形传态。 什么是自由度？ 自由度是描述系统所需的变量数量。 例如，在数学中，考虑一条线上的点。 只需要一个数字来描述它，自由度为1。曲面上的点有2个自由度。 三维空间中的点有 3 个自由度。 物理学中，要描述三维空间中运动的粒子，需要知道位置的三个分量和动量的三个分量，自由度为6。光子有自旋角动量和轨道角动量。 如果你看不懂这两个词，也没关系。 只要理解它们是两个自由度即可。 在之前的实验中，仅传输自旋角动量的状态。 但如果想要真正传输光子的完整状态，就需要传输两个自由度的状态。 这是潘建伟课题组取得的成果。 所以，完整意义上的量子隐形传态应该说是2015年才实现的。比如现在用颜色和形状来表示状态，粒子A最初是一个红色的方块，我们可以让粒子B变成一个红色的方块，粒子A同时变成绿色圆圈。
二自由度量子隐形传态
为什么这两个实验之间有18年的差距？ 因为我上面说的都是理论，实验操作有很多技术难点。 为了解决这些困难，他们“巧妙地设计了一种新方案，利用单光子无损测量技术实现自旋和轨道角动量的多自由度贝尔态测量，并制备了最高亮度的自旋轨道”世界上的角动量超纠缠。” “源、高效轨道角动量测量装置，并搭建了6光子11量子位自旋轨道角动量纠缠实验平台。”对于量子信息产业之外的人来说，这些都是技术细节，重要的是这些技术进展非常新颖，难度也非常大，通过这些实验方法的创新，最终实现了多自由度隐形传态的目标，这是现代科学研究的常态，看似简单的背后隐藏着无数的技术细节这就是线之隔如山的原因，也是民科在当代的作用远小于历史的原因。
既然我们知道了这个成就是什么，我们就可以回答它不是什么了。 可惜没有“biu”一声将人送走。 当然，可以说是朝着这个方向迈出了一步，而且是一大步。 迈出多大的一步？ 如果用《老子》的话来说：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。 1997年，Tao产生了一个，这次它实现了两个。 然而，距离后代还有多远？ 可以这样估计。 12克碳原子等于1摩尔，即6.023*10^23。 如果一个人重 60 公斤，大约有 5,000 摩尔原子，即 3*10^27。 描述一个原子的状态，我不知道需要多少个自由度，就算10吧。所以描述一个人，需要10^28个自由度。 我们刚刚从 1 进步到 2...所以，好吧，我们的旅程是前往星星和大海！ 骚年，向着夕阳奔跑吧！
由于这项工作的重要性，《自然》在同一期评论道：“这个实验朝着理解和论证量子物理学最深刻、最令人费解的预测之一迈出了重要一步，可以作为未来量子物理学的指南”。 一个强大的网络基本单元。”这是一个恰当的评价。如果你要问，你能获得诺贝尔奖吗？我不能说，但如果有一天他真的获奖，塞林格应该排在前面，因为《陶生1》肯定比《人生2》更重要。当然，潘建伟和他的团队还很年轻，他们有无限的可能性，未来是否会因为其他成就获得诺贝尔奖还不得而知。其中之一科学最大的魅力就在于一切皆有可能。（来，喝完这碗鸡汤！）
有人可能会问，量子隐形传态离工业应用还有多远？ 答案很远。 现在刚刚达到传输两个自由度的水平，相当于只传输两位数据。 但量子信息的另一个方面已经接近产业化，那就是量子安全通信，或者说量子密码学。 在这方面世界上谁最先进？ 答案仍然是中国，或者是科大。 中国已经建设了多个量子政府网络，科大讯飞将于2016年7月发射量子通信卫星。量子密码的作用是一旦有人窃听，你就会立即知道，而窃听者无法破译信息。 换句话说，实现了物理原理层面的绝对保密。
值得强调的是，中国的量子信息绝不是一花独放，而是百花齐放。 仅在中国科大，就有郭光灿院士、潘建伟院士、杜江峰院士三个大的研究组，还有无数的小研究组。 杜江峰课题组于2015年3月6日在《科学》杂志上发表了题为“日常环境中单一蛋白质的自旋共振谱”（“-spin”）的文章，该成果也被科技部入选中国的。 2015年中国十大科学进展
郭光灿
杜江峰
据我了解，我国量子信息研究起步于20世纪90年代。 彼时，郭光灿从量子光学转向量子信息，达到了职业生涯的巅峰。 潘建伟和杜江峰当时只是研究生，但现在他们是国际领袖。 这些轨迹说明了一个国家的科学进步有多快。
1999年前后，杨振宁到科技大学做题为《现代科学进入中国的回顾与展望》的演讲。 他总结道：“一个社会、一个国家科技要取得辉煌发展，以下几个长期因素是必要条件。第一，我们需要有头脑、有头脑的年轻人来做科学研究；第二，我们需要有智慧的年轻人。”讲究纪律、耐心、勤奋的社会传统；第三，需要决心；第四，需要经济条件……20年代的中国，21世纪有前三个，到了21世纪，我想四位都会出席，所以我对21世纪中国科技的发展绝对看好。” 当时我很不满意，因为中国有太多的问题，比如腐败、专制、贫困等等。 富人和世界的差距正在缩小……那么，杨先生，你是不是老了，糊涂了？ 当时我有一种理论倾向，对中国的未来非常悲观。 后来，随着视野的扩大，我越来越发现杨振宁说的完全正确。 他的这些道理虽然看似极其简单朴实，实则“重剑无锋，大技无工”。 科学大师们的科学发展愿景确实比我们高得多，我们很难不接受。 你说中国没有人才，所以只是耐心培养。 以中国人的才华，也许他们马上就能成为国际领袖。 科学的最大魅力之一就是一切皆有可能。 （来吧，再喝这碗鸡汤吧！）
杨振宁
在这里我想讲一个故事。 美国物理学家艾萨克·拉比（Isaac Rabi，1898-1988）年轻时去欧洲考察，发现美国最重要的物理杂志《物理评论》每年用船运一次，这表明在欧洲科学界似乎根本不值得关注。 拉比秘密决心振兴美国物理学。 回到他的国家后，他担任了身体审查的主编。 如今，这本杂志是物理学世界上最著名的期刊之一。 美国化学家莱纳斯·卡尔（Linus Carl，1901- 1994年）在欧洲学习后，也将美国化学提升到了世界上最先进的水平。
拉比
鲍林
如果当时有一个“很酷的聚会”跳了出来，并说美国人还不够好并且永远不会赶上欧洲，那将被发现无数证据。 中国有很多这样的“平静聚会”。 正如一些网民所说：“中国人民的意识再也不能跟上中国的发展。该国的顶级科学研究人员已经在人类科学中参与其中。” 这已经成为一件事情，但是人民甚至全国人民大会的成员仍然沉迷于日本厕所座位和稻米炊具……脚花了30年的时间走了其他人花了300年的路径，但是他们的大脑在30年前留下了……”
您愿意效仿顶尖的科学研究人员吗？ 中国最伟大的魅力之一就是一切皆有可能。
关于作者：Yuan 博士中国科学技术大学化学博士学位，中国科学与技术大学Hefei国家微观科学实验室副研究员，科学与技术科学与战略学会主席，科学技术与技术学会中国，微博 @中科大，Zhihu @ yuan （Yuan ）。
原始文章“流行科学量子瞬时传输技术”于2015年3月写，我保证您会理解的！ “（关于量子瞬时传输技术的流行科学，可以确保您理解！）及其附录（“量子瞬时传输技术的流行科学，保证您理解！” ），于2016年4月修订。
