“量子隱形傳態(tài)”的概念及技術發(fā)展

摘 要：量子隱形傳態(tài)是學術界關注的新焦點。隨著量子隱形傳態(tài)技術不斷取得突破，量子通信過程中的信息傳輸能力和可靠性有望獲得極大提升。文章詳細闡述了量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)過程，介紹了量子隱形傳態(tài)的最新研發(fā)成果、專利申請以及應用方向。

關鍵詞：量子隱形傳態(tài)，糾纏，量子通信

中圖分類號：N04；O431.2 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0033-03

The Conception and Technology Development of Quantum Teleportation

ZOU Lina

Abstract： Quantum teleportation is a new focus in academic circles. With the breakthrough of quantum teleportation technology， the transmission efficiency and security are improved significantly in quantum communication. This article describes the realization of quantum teleportation. The recent progress of experimental researches， patents and application fields of quantum teleportation are introduced.

Keywords： quantum teleportation， entanglemant， quantum communication

收稿日期：2014-06-10

作者介紹：鄒麗娜（1982—），女，遼寧撫順人，碩士，審查員，從事光電領域的專利審查。通信方式：zoulina@sipo.gov.cn。

引 言

量子隱形傳態(tài)由“quantum teleportation”翻譯而來。teleportation一詞源于穿越科幻小說，意為一個人或物體在某處突然消失與此同時在其他地方又重新出現(xiàn)。對于人類的穿越，科學家從未停止過探索與研究，至今卻依然只是一個幻想。隱形傳態(tài)是否絕對無法實現(xiàn)呢？班尼特（Bennett）等人于1993年發(fā)表文章提出了一個兩態(tài)粒子的未知量子態(tài)可以從一個地方隱形傳送到另一個地方去，描述了量子的隱形傳態(tài)方案，引起了學術界對量子隱形傳態(tài)的極大興趣[1]?；贐ennett等人的描述，關于量子隱形傳態(tài)的方案相繼出現(xiàn)，部分方案已在實驗上獲得實現(xiàn)。

一 量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)

量子隱形傳態(tài)過程就是允許A處粒子的未知量子態(tài)在B處的另一個粒子上還原出來。為了實現(xiàn)隱形傳態(tài)，A和B之間必須事先共同分享一個糾纏的量子通道，即EPR粒子對。其中量子糾纏指的是兩個或更多個量子系統(tǒng)之間的非定域、非經(jīng)典的關聯(lián)，是量子系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)或各自由度之間關聯(lián)的力學屬性。結合圖1中所示的量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)方案，假設甲要傳輸粒子1的未知量子態(tài)X給乙，甲和乙事先共同分享有一對互相糾纏的qubit，甲擁有qubit A、乙擁有qubit B。糾纏粒子對qubit A和qubit B將構成量子通道，于是，粒子1、qubit A和qubit B形成了一個總系統(tǒng)。為了完成隱形傳態(tài)，甲必須對粒子1和qubit A進行Bell聯(lián)合測量[2]，若粒子1為兩態(tài)（如粒子的水平偏振態(tài)和垂直偏振態(tài)）粒子，則測量的結果將出現(xiàn)4種可能的量子態(tài)分別為00、01、10、11，也就是說有四分之一的機會得到每個Bell基，而一次測量只能得到其中的一個Bell基。粒子1和qubit A的子系統(tǒng)在測量之后將塌縮到其中的一個Bell基上，并與粒子qubit B消糾纏，基于量子非局限性，乙手中的qubit B就會同時由原來的糾纏態(tài)塌縮到相應的量子態(tài)上。接下來，甲將測得的結果經(jīng)由經(jīng)典通道（因此傳輸速度不會超過光速）告訴乙，乙收到信息后，對qubit B進行與甲測量結果相應的幺正變換，就可以把qubit B的狀態(tài)變化成粒子1的原始狀態(tài)X，從而使得粒子1本身未被傳送，但其狀態(tài)的完整信息從甲處傳送到了乙處，qubit B成為粒子1的復制品。在形式上，如果不看甲與乙共同分享糾纏粒子對的過程，其傳遞好像只通過發(fā)送經(jīng)典信息就完成了超時空傳物。整個過程中原物量子信息經(jīng)由量子通道和經(jīng)典通道分別傳輸，此過程中，原物并未被傳送給接收者，它始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的物質單元（如粒子）變換成處于與原物完全相同的量子態(tài)，原物的量子態(tài)在發(fā)送者進行測量及提取經(jīng)典信息時已遭破壞。

圖1 量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)方案

二 量子隱形傳態(tài)的研究進展及應用

量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡，由于糾纏的非局域性，無論通信雙方在什么位置、相距多遠，只要他們建立量子通道，就可以進行量子信息的傳送，其量子信息的傳送與雙方的網(wǎng)絡線路無關。這種全新的通信方式傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的信息，從而能夠實現(xiàn)大容量、高速的信息傳送，實現(xiàn)不可破譯不可竊聽的保密通信。基于理論上的所展現(xiàn)的完美優(yōu)勢，科研人員利用各種實驗條件力爭使量子隱形傳態(tài)早日實踐應用。1997年Zeilinger（蔡林格）——潘建偉小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C[3]。2004年該小組成功地將量子“超時空穿越”的距離提高到了600米。2007年開始，中國科學技術大學-清華大學聯(lián)合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子通道，最終在2009年成功實現(xiàn)了當時世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，驗證了穿越大氣層實現(xiàn)基于衛(wèi)星的空間量子通信的可能性[4]，潘建偉團隊于2011年10月在青海湖首次成功實現(xiàn)了百公里級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和大尺度量子力學檢驗奠定了技術基礎。2012年9月，維也納大學和奧地利科學院的物理學家實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸?shù)淖钸h距離——143公里[5]，這一數(shù)字已經(jīng)接近了近地軌道衛(wèi)星與地面之間的距離。隨著量子隱形傳態(tài)技術不斷取得新的突破，將實現(xiàn)從衛(wèi)星發(fā)射保密信息到地面單元，甚至衛(wèi)星可以與潛水艇進行通信，而不需要其浮出水面或發(fā)射無線電來暴露位置。中國科學院于2011年啟動了空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項，力爭在2015年左右發(fā)射全球首顆“量子通信衛(wèi)星”。

伴隨著實驗的成功以及巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑖@量子隱形傳態(tài)的信息傳輸系統(tǒng)以及實現(xiàn)方法的相關專利申請也在逐年增加，盡管目前的專利申請數(shù)量還不足百篇。最早的相關專利由日本公司于1997年提出，而且日本也是申請總量位居第一位的國家，其次是美國。中國雖然在量子隱形傳態(tài)理論及實驗方面都做出了大量開創(chuàng)性工作，學術文章影響力位居世界前列，但僅有2篇專利申請。未來，量子隱形傳態(tài)的專利申請數(shù)量必然大幅增加，同時，伴隨著相關專利的申請、公開也必將有力地加快量子隱形傳態(tài)技術應用的步伐。

量子隱形傳態(tài)“超時空穿越”的通信運輸方式，將創(chuàng)建一個超級安全的全球通信網(wǎng)絡，完成一次真正意義上的信息革命。

參考文獻

[1] Bennett C H，Brassard G，Crepeau C，et al.Teleporting an unknown quantum state via dual classical and EinsteinPodolskyRosen channels[J]. Physical Review Letters，1993（70）：1895-1899.

[2] 李承祖.量子通信和量子計算[D]. 長沙：國防科技大學出版社，2000.

[3] Bouwmeester D，Pan J W. Experimental quantum teleportation[J]. Nature，1997（390）：575-578.

[4] Jin X M，Ren J G. Experimental FreeSpace Quantum teleportation[J]. Nature Photonics，2010（4）：376.

[5] Ma X S，Thomas H. Quantum teleportation over 143 kilometres using active feedforwad[J]. Nature，2012（489）：269-273.