引言:人们对于“瞬间联通”这样的科技幻能总是怀有好奇心,梦想着有三天才能急速抵达自己想去的地方,随着化学学家和工程师逐渐揭露量子隐型传输技术神秘的面纱,你们倾向于将“瞬间联通”等同于“量子隐型传输”,然而本文作者Cho的答案可能会令你们倍感沮丧了。
有两个团队早已在量子隐型传输研究领域创造了新的传输记录:借助深不可测的量子热学知识将一个粒子的量子态迅速从一个位置迁移到另一个位置的粒子上。其中一个团队采用这些方式,运用一种光学纤维将一个光子的量子态穿越美国西北部的一个城市,卡尔加里,传输到6.2公里之外;另一个团队将多个光子的量子态穿越中国北京,传输到14.7公里之外。
据明天报导,这两个团队在量子隐型传输领域的突破最终将催生一个牢不可破的量子互联网。并且,量子隐型传输是否会带来其他令人意想不到的益处?未来量子隐态传输,我们真的能借助它在十月一个阴冷的清晨实现“瞬间联通”吗?
●●●
我们何时才能借助量子隐型传输技术实现“瞬间联通”?
十分抱歉给出的答案令你们沮丧,然而,事实是,这些“科技幻能”将永远不能实现。撇去这些技术的名称不说,量子隐型传输与悬疑电视系列剧《星际迷航》及其他悬疑小说中描述的“瞬间联通”真的一点关系都没有。这种类型的“瞬间联通”通常是分解一个物质对象,通过空间传输分子物质,之后再另一个遥远的地方立刻且完美地重组该物质实体。量子隐型传输不分解和重组任何对象,不涉及任何物质的联通。据悉,该技术只运用于单一量子粒子层面:光子,电子,原子等。不论如何,量子隐型传输与“真的”瞬间联通不仅名称相同外,再无其他共同点。
●●●
如果量子隐型传输不能联通物体或人,这么此类技术的用途究竟彰显在那里?
与将一个远征队送到一个人类未至的星球上这么大的创举相比,量子隐型传输的“小目标”似乎稍显逊色,不过,却有一种微妙的魔力。量子隐型传输就能立刻将一个粒子的量子态传输到任意一个未知的位置,却不传送粒子本身。在某种意义上,有点像根据一个时钟上显示的时间,一模一样地调整远处另一个时钟上的时间。
为什么读取一个时钟的时间,然后再另一个时钟上设置相同的时间,才能为我们带来这么大的惊艳?
与读取时钟所显示的时间相比,一个粒子,如一个光子,的量子态更为复杂,更为微妙。读取一个时钟所显示的时间,之后,在另一个时钟上设置相同的时间,这些操作简单的不能再简单了,并且,我们难以在不改变一个粒子的量子态的前提下检测其量子态。我们难以将一个粒子的量子态“克隆”到另一个粒子上。量子热学的规律是不容许这样做的。相反,我们须要做的是找到一种方式,将甲粒子的量子态迁移到乙粒子上,而无需检测甲粒子的量子态。按前面提及的“时钟类比”来理解,就似乎是在将一个时钟所显示的时间迁移到另一个时钟上,前提是不看第一个时钟上的时间。
●●●
怎么能够使这些“时钟类比”法成为可能?
这的确有点难。你须要对量子态有些了解,能够更好地理解量子隐型传输。以单个光子为例。光子实质上是一种电磁波,因此,光子才能被“极化”,其电场将呈现水平或垂直分布。在神奇的量子热学中,光子就能同时以两种状态分布——因而,光子就能同时被垂直和水平极化。光子的状态由垂直量和水平量共同决定。
然而,量子隐型传输所涉及的知识并不是那么简单。不仅光子就能同时呈垂直和水平两种偏振光态,光子的状态由另一个参数决定,即“相位”。故,光子的状态由垂直量、水平量及相位两者共同决定。可以将光子想像成一个具象的圆球,南极代表垂直偏振光态,北极代表后期的水平偏振光态。
光子的精确状态是圆球上的一个点,经度代表在该状态水平偏振光态和垂直偏振光态之间的平衡,纬度代表相位。为此,比如,赤道上的每一个点代表光子的一个状态,在该状态下垂直偏振光态与水平偏振光态达到平衡,然而,该状态的相位却是不同的,这时的相位才能通过个别更为复杂的检测方法获得。
●●●
为什么不能直接从该“抽象圆球”上直接读取该点(光子)的状态?
我们不能否直接从该“抽象圆球”上直接读取该点(光子)的状态,由于量子粒子的检测结果仅才能提供有限的信息。就一个处于未知状态的光子而言,我们不能问圆球上该状态的“坐标”是哪些。相反,必须采用一种检测方式能够确定该状态的座标。一个尤为重要的问题是:这个光子的极化方法是哪些,垂直式或水平式?运用这些检测方式将获取一种结果,或则才能获取另一种结果,并且获取另一种结果的机率是由光子所处状态的垂直和水平偏振光态共同决定的。不过,运用这些检测方式不能得出该状态的相位。检测光子的状态将造成原有状态发生改变,光子的状态将偏向一个极,完全呈水平偏振光态或垂直偏振光态。按照量子理论,搅乱光子原有的状态是不可防止的。
运用“布洛赫球”上的一个点的“坐标”描述单个光子的状态。该点的经度(角θ)决定水平极化和垂直极化三者间的平衡状态。纬度(角ψ)没有对应的精典类比量,并且会形成许多不可思议的量子影响。
●●●
如果不能否精确地检测光子的状态,有将怎样实现量子隐型传输?
要实现量子隐型传输须要更多的光子,这又彰显了量子热学不可思议的一面。两个光子可以用一种微妙的联系联接在一起,我们称之为“纠缠测度”。当两个光子“纠缠”在一起时,每一个光子的状态是完全不确定的,并且,两个光子的状态是紧密联系在一起的。因此,在我们的具象圆球上,每一个光子所处的位置仍然是完全不确定——可以毫不夸张地讲,一个光子在不同的状态将指向任意一个方向。虽然存在这些不确定性,两个光子所处的状态才能紧密联系在一起,因此其量子态是完全相同的。也就是说,假如我们检测一个光子所处的状态,最终将造成其原始量子态发生变化,依照上述剖析,我们会晓得,不论两个光子相距多远,第二个光子的量子态将立刻随第一个光子的量子态同步变化。对于量子隐型传输来讲,这种类型的光子对极为重要。
下边我们来介绍量子态紧密相联的光子对是怎样实现量子隐型传输的。假设有两个人,分别命名为Alice和Bob,另外还有第三个人处于Alice与Bob之间。Alice打算传输一个光子,即她把这个光子定位于具象圆球的一个点上,通过光学纤维将光子传送给。与此同时,打算好一对互相“纠缠”的光子。他保留其中一个光子,将另一个光子传送给Bob。
如今我们来看一下两个互相“纠缠”的光子是怎样实现量子隐型传输的。当接收到Alice的光子,他可以收下这个光子,并在自己保留的光子和来自Alice的光子之间建立一种特殊的“联合”测量方式。因为量子检测将改变光子的原始状态,的检测实质中将强制性地把这两个光子放在一种互相“纠缠”的状态。(的检测实质上提出这样一个问题:这两个光子是处于一个特殊的互相“纠缠”的状态,还是处于一个互补的状态?)
一旦用这些“纠缠测度”来检测两个光子的状态——来自Alice的光子与他从原始“纠缠”光子对中保留的光子,一件令人惊讶的事情即将发生了。由传送给Bob的光子立刻还原Alice原先拥有的光子的量子态。也就是说,Alice的光子在圆球上的座标早已被隐型传输给Bob的光子,虽然Bob离的距离有几公里远。
●●●
然而为何会出现这些现象?
实验结果在很大程度上依赖于“纠缠测度”内在的联系。据悉,为了弄清楚:为何Alice光子的量子态最终迁移到Bob光子上,我们最好还是回过头来,好好思索这个物理问题。一旦我们熟悉这些检测方式量子隐态传输,任意一个学习过小学代数的人还会做这些估算。
●●●
莫非化学学家的工作真的那么简单吗?
与上述提到的物理算法惟一不同的是,化学学家在实验中要保证两个光子的基本状态所抵达的时间稍稍不同,而不是极化状态不同。实验的难点在于:要确保传送给Bob的两个光子抵达的时间大致相同,但是颜色和极化状态都要相同,否则,实验将不能成功进行。要在这么远的空间内实现隐型传输,这种将是技术层面的挑战。
●●●
这么量子隐型传输将会带来哪些益处?
虽然上述剖析有些具象,量子隐型传输可以用于构建量子互联网。量子互联网将会与我们现今的互联网一样,不过,才能容许用户传输量子态,及量子态所包含的信息,不用传输精典信息,传输所花费的时间为0秒到一秒之间。
目前,化学学家和工程师早已构筑出了不太成熟的量子互联网,才能运用光学纤维传送安全信息。这种技术是通过运用单个光子分布数值键加密或揭秘经过编码的信息。该技术的实现主要在于病毒代码不能在不干扰光子,曝露自己的情况下,检测这种光子的量子态。并且,目前,这类网路不全是以量子热学为理论支撑,由于在网路的每一个结点出都须要对信息进行解码,编码,致使这种结点容易影响黑客。
运用量子隐型传输技术,化学学家与工程师可能会在一个网路中相距较远的结点间构建一种“纠缠”联系。原则上,这将造成用户在这种结点处忽视一些经过编码的信息,致使这种信息不易被破解。假如化学学家才能成功地研制出一种通用的量子计算机——使这些计算机才能运用量子比特进行估算,估算效率因为传统计算机,这种类型的量子网路将运用从远程终端加载计算机的初始设置。
●●●
未来将会发生哪些?
没有人晓得?不过,量子互联网将有可能比通用量子计算机更早地出现在我们的生活中。
本文由雷锋网独家编译,未经准许拒绝转载!