“墨子號”地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，2016年11月攝于西藏阿里，星上綠色信標(biāo)光將空中的薄云照亮。（中科院供圖）
新華社北京8月10日電（記者 喻菲）中國科學(xué)家在首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”上完成了一項(xiàng)特殊實(shí)驗(yàn)：從地面到太空的量子隱形傳態(tài)。這也是“墨子號”最難做的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，它還常常被人聯(lián)想到科幻電影《星際迷航》中的超時空傳輸。它們是一回事嗎？
“墨子號”的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)成果10日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上�！蹲匀弧冯s志審稿人稱贊實(shí)驗(yàn)結(jié)果“代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”， “目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”。
中國科學(xué)院院士、量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉說，量子隱形傳態(tài)是量子通信的一個重要內(nèi)容，它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。
這有點(diǎn)像孫悟空的“筋斗云”，也像《星際迷航》中，宇航員在特殊裝置中說一句“發(fā)送我吧”，他就瞬間轉(zhuǎn)移到另一個星球。
發(fā)送我吧（賀萌繪圖）
當(dāng)然，這只是個比喻�？茖W(xué)家指出，量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，被傳輸?shù)氖切畔⒍⒎菍?shí)物。把粒子A的未知量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個粒子B，讓B粒子的狀態(tài)變成A粒子最初的狀態(tài)。注意傳的是狀態(tài)而不是粒子，A、B的空間位置都沒有變化，并不是把A粒子傳到遠(yuǎn)處。當(dāng)B獲得這個狀態(tài)時，A的狀態(tài)也必然改變，任何時刻都只能有一個粒子處于目標(biāo)狀態(tài)，所以并不能復(fù)制狀態(tài)，或者說這是一種破壞性的復(fù)制。
神奇的量子糾纏（賀萌繪圖）
潘建偉說， “墨子號”量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。衛(wèi)星過境時與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產(chǎn)生8000個量子隱形傳態(tài)事例，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，實(shí)驗(yàn)傳送了6個量子態(tài)，置信度均大于99.7%。
“假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年，也就是宇宙年齡的20倍，才能觀測到1個事例�！迸私▊フf。
他說：“這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。”
“墨子號”地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，2017年4月攝于西藏阿里。（中科院供圖）
潘建偉介紹，在“墨子號”開展的星地高速量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)三大實(shí)驗(yàn)中，量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是最難的。因?yàn)榍皟蓚�實(shí)驗(yàn)都是從衛(wèi)星向地面?zhèn)魉凸庾樱谄鸪醯?90公里真空中不會受到大氣影響，只有最后10公里進(jìn)入大氣層最稠密的部分時會受到影響。但是量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是從地面向衛(wèi)星發(fā)送光子，最初10公里就受到影響，到后來光斑被放大，抖動特別厲害，接收效率就會大大降低。
量子隱形傳態(tài)是1993年由六位物理學(xué)家聯(lián)合提出的。1997年，潘建偉的老師、奧地利物理學(xué)家塞林格帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了傳送一個光子的自旋。他們在《自然》上發(fā)表了一篇題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選《自然》“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的論文包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等。
2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）。新華社記者 金立旺 攝
事實(shí)上，在量子態(tài)隱形傳態(tài)的漫長旅程中，每一點(diǎn)距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。雖然最初的傳輸距離僅為數(shù)米，但美國《科學(xué)》雜志的評語是：“盡管想要看到《星際迷航》中‘發(fā)送我吧’這樣的場景，我們還得等上很多年，但量子態(tài)隱形傳態(tài)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著我們將進(jìn)入由具有不可思議能力的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展而帶來的新時代�！�
人類想離開太陽系去看看，量子隱形傳態(tài)能否在未來成為人類星際旅行的方式？
潘建偉指出，傳送幾十、幾百個微觀粒子會在不久的將來實(shí)現(xiàn)，但要傳送復(fù)雜的實(shí)物現(xiàn)在還是一種科學(xué)幻想。人是由10的28次方個粒子組成的，所以人類通過這種方式星際旅行還是個遙不可及的夢想。
2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）。 新華社記者 金立旺 攝
但他說，300多年前開普勒給伽利略寫了一封信，說人類應(yīng)該造一艘能夠在太空中飛翔的帆船，去探索宇宙的奧秘。大約260年后的1969年，美國阿波羅計(jì)劃讓人類登陸月球成為現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在人類飛行器已經(jīng)到了太陽系的邊緣�！拔也桓艺f超時空傳送真的能實(shí)現(xiàn)，但是科學(xué)的發(fā)展是不能預(yù)測的。”
即使這樣的科幻永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)，量子隱形傳態(tài)研究也是有現(xiàn)實(shí)意義的。潘建偉說，量子隱形傳態(tài)可用于量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)方面的研究�？茖W(xué)家正在研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)之間未來要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，就需要量子隱形傳態(tài)。
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