隐形传输或将实现“时空穿越”

红瓦屋图书馆 2012-11-29

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科学家们描绘了这么一个场景：存放着机密文件的保险箱被放入一个特殊装置之后，可以突然消失，并且瞬间之后就出现在相距遥远的另一个特定装置中，被人方便地取出。这是量子态隐形传输的一种形式，这不再只是科幻大片中出现的“超时空穿越”神奇画面，而是在科学研究取得重大突破下可能实现的真实场景。
    在工业革命以后，18世纪和19世纪被科学家们认为是工业革命世纪，20世纪被认为是信息革命的世纪，21世纪则被认为是量子革命的世纪。量子是对原子、电子、光子等物质基本单元的统称。在量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即通常所说的“量子纠缠”。新世纪以来，量子科学与技术的发展一直是学术界和公众的关注焦点，特别是有关量子态隐形传输的话题更是吸引了众多眼球，短短十余年间，科学家们也在此领域取得了重大进展。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。2004年，我国科学家开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。2007年开始，中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了当时最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。今年9月5日有报道称，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家实现了量子态隐形传输最远距离——143公里，创造了新的世界纪录。该实验向基于卫星的量子通信迈出了重要一步。
    量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。量子态隐形传输是经由经典通道和爱因斯坦―波多利斯基―罗森通道传送未知量子态的过程。通俗来讲就是：将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来，好像穿越了“时空隧道”。
    量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息，而是量子态携带的量子信息。量子态隐形传输是未来量子通信网络的核心要素。这种被世界科学界称为“幽灵般量子态隐形传输的技术”，来无影去无踪，有可能让物质甚至人体瞬间实现异地转移、传送。这一信息传输方式使得信息交换更安全，且比传统技术更能有效地执行某些运算，将给未来的能源革命、航空航天技术带来莫大的好处。
    量子信息因其传输高效和绝对安全等特点，被认为可能是下一代IT技术的支撑性研究，并成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。基于我国近10年来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域的系列前沿性突破，中国科学院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项，力争在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。在未来的量子网络中，量子态隐形传输将是量子计算机之间一个关键的信息传输协议。在量子态隐形传输实验中，交换信息的双方之间的距离在原则上可以任意长，即便是该传输过程都不知道收件者的位置。在经典状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似“超时空穿越”的通信方式。