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传送机瞬间就能将人或物体转移到千里之外

2019-09-16 12:51:20

<span font-size:18px;"="">“我们能够量子隐形传态少量的信息来重建杂乱的物体。比方说人类基因组,巨细在Gb左右。”

 

看到“量子隐形传态”(quantum teleportation)这个名字,你是不是想起了《星际迷航》中的传送技术?传送机瞬间就能将人或物体转移到千里之外,下班再也不必挤地铁了〜   

 事实上,量子隐形传态传送的是一个粒子的量子态,它使用量子羁绊将粒子的未知量子态精确传送到遥远的当地,而不必传送粒子自身。

什么是量子羁绊呢?打个比方,咱们假设有一对双胞胎兄弟——小赛和小墨,如果你问他们相同的问题,他们会各自随机地给出一个答案,不过他们总是给出相同的答案。比方你问小墨:“草是什么颜色的?”他可能说:“黑色的。”当你问小赛相同的问题时,也会得到相同的答案。

 他们的行为和一对羁绊粒子的表现是类似的。一对处于羁绊态的光子总是“心有灵犀”。

使用这种奇特的性质,咱们就可以完成量子隐形传态。为此,咱们需求三个光子:一个最初的光子A,一对羁绊光子B和C。咱们要做一次丈量,但不是对A或许B进行丈量,而是把它们输入到一个丈量设备里,丈量它们之间的联系,然后咱们就能得到两个比特的信息。一旦得到这个信息,A、B两个光子就被破坏了。咱们将两比特的信息传给另一个光子C——这个光子从来没有挨近过A,然后对光子C进行某些操作,就能得到一个精确的复制,让C处于不再存在的光子A的状况。[1]

(图源:参考资料[1])(图源:参考资料[1])

  

  整个过程中,我们其实没有做拷贝。因为我们摧毁了最初的光子,所以从来没有多于一个拷贝存在过。我们只是制备了另一个光子,让它和原来的光子A有一样的状态,同时破坏最初的光子。而且我们并没有以超光速传送A的状态,因为经典信息不可能以超过光速的速度传输。

  那么,可以通过这样的手段来传输一个人吗?在2018年墨子沙龙 “量子·密码” 活动上,小记者们就量子隐形传态相关的问题对三位量子通信领域的先驱进行了采访。

  Q=小记者(潘杜若, 蔡雨轩, Fenya)

  Bennett=Charles Bennett,IBM研发中心物理学家、信息理论家,现代量子信息理论的创始人之一

  Brassard=Gilles Brassard,蒙特利尔大学教授,加拿大研究学会主席

  Ekert=Artur Ekert,新加坡国立大学量子技术中心主任、英国牛津大学数学研究所量子物理学教授

  只有灵魂能被传输

  Q:你觉得在可预见的将来,通过量子隐形传态来传输整个人体的信息会成为现实吗?

  Brassard:恐怕不行。这在原理上就无法实现,因为涉及到需要发送的经典信息的数量。当你进行量子隐形传态时,尽管大部分过程,或者说神奇的部分,都是量子的,然而仍然需要发送经典信息。为了量子隐形传态一个人体而需要发送的经典信息量将会超出我们的想象,更别提为了启动这个过程你得需要多少纠缠了。所以很遗憾,我认为这件事不会实现。

  Bennett:Brassard还只考虑了(正确)信息的量,事实上其中往往还包含大量的错误信息。

  Ekert:量子隐形传态错误信息或量子隐形传态无知,这一点很重要。

  Brassard:哦,对了。你们知道Asher Peres吧,就是量子隐形传态文章的六个作者之一[2]。他是一个非常出名的无神论者。有一次,一个记者问他:如果你隐形传态一个人,那么只有人体会被传输还是灵魂会被一起传输?

  他的回答是:只有灵魂。

  Ekert:不过我们还是可以量子隐形传态少量的信息来重建复杂的物体。比方说人类基因组,大小在Gb左右。

  Brassard:但(量子隐形传态)是在量子水平上而言的。 

  Ekert:不一定。

  Bennett:其实这是经典信息;你并不真的需要量子隐形传态来传输它。就像Arthur指出的那样,你可以通过手机来传输人类基因组。

  Brassard:然后在另一端重建人,只是没有记忆而已。

  Q:根据不确定性原理,你无法同时获知粒子的准确位置和速度,所以这件事不可能发生吧?

  Bennett:其实这正是量子隐形传态可以做到的事。你摧毁原来的量子态后可以构建出一个完美的复制品。你无法做到的,是通过量子隐形传态得到一个量子态的全部信息再构建出它的复制品。但是你可以摧毁原来的量子态,然后构建出一个完全相同的量子态。

  Brassard:你无法同时足够准确地获知粒子的位置和速度,或更准确地说是动量。

  如果你想要在其他地方重建出相同的粒子,与原来的粒子有相同的速度和位置。很显然,你无法通过测量同时得到原来粒子的准确速度和位置,自然也无法通过经典方式发送这些信息,然后在另一处根据这些信息重建出粒子。

  量子隐形传态的全部意义在于,可以实现这一点(译者注:即重建粒子)。

  通过量子隐形传态,我们可以在接收端重建出与原来的粒子拥有全部相同的量子特性的粒子,即使我们并不能同时测量这些量子特性然后通过经典方式发送相关信息。

  Bennett:但是你必须摧毁原来的量子态。

  Ekert:原先的量子态是模糊不清的,你无法得到粒子的准确位置和动量。我们只能说粒子是处于某个特定的量子态。而量子隐形传态能够让你做到的是,在别处重建出一个在位置和动量上拥有相同的不确定度的量子态。当然,也会将原有的量子态摧毁。

  量子纠缠,并不是你以为的那样

  Q:听说(在量子纠缠中)粒子是成对出现的,如果你改变其中一个,另一个也会随之改变。那么是否可以利用量子纠缠来传递信息?

  Brassard :请容许我打断你一下。人们通常是这么描述量子纠缠的,尤其是记者,但其实量子纠缠并不是这样的。并不存在这样的情况,你在这里做了一件事,瞬间另一件事在别处也发生了。这完全是错误的理解。

  量子纠缠看起来好像是这样的。但如果按照这种理解,那么你将可以对所有你要测量的东西进行准确预测,然而事实并非如此。

  Bennett:其实你会得到错误的预测,也就是说认为存在瞬时的通信。

  当我测量我的粒子的时候,它并不会对你的粒子产生可以观测到的影响。不过如果你对你的粒子进行测量,我将能够知道你的测量结果。其实你的粒子的表现并不会变化,只不过我获知了我们的粒子之间的关联,而且只有在我们最终比较测量结果的时候我才能获得这个信息。

  Brassard:我对我拥有的纠缠对的其中一个粒子做的任何事情不会对你拥有的另一个粒子产生任何影响。只有当我们比较结果的时候会看到异乎寻常的情况。但是如果每个参与方只独立地看待他拥有的粒子——

  Bennett:他无法得知另外一个粒子是否被操控了。

  Brassard:回到你的问题。是的,我们可以隐形传态量子纠缠。假如我是Alice, Bennett是Bob。Alice和Bob首先纠缠在一起,以便用于量子隐形传态。随后Alice和Ekert纠缠在一起,那么原先(Alice和Bob间)的纠缠就被摧毁了。所以我们可以像量子隐形传态量子态般地量子隐形传态纠缠。

  Ekert:回到最初的问题。其实并不存在瞬时的通信。量子纠缠无法帮你实现这一点。

  Bennett:爱因斯坦说过不存在超光速通信。正如爱因斯坦说过的所有东西一样,这个观点也一直被铭记着。但是他不喜欢纠缠,他把纠缠称为“鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance)”。

  Brassard:其实,我觉得正确的翻译应该是“幽灵般的超距作用(ghostly action at a distance)”。

  Bennett:是的,幽灵般的超距作用。所以,爱因斯坦不喜欢量子纠缠。但即使他也理解在量子纠缠中并不存在瞬时的通信。

  但是所有在英语或德语中读到这个描述的人都会理解成远距离作用,理解成可控的远距离作用。

  我有时会用这个例子来说明。假如我有一对会随机表现的神奇硬币,当我抛它们的时候,我无法预测它们会正面朝上还是反面朝上。如果这对硬币中的一个在你手上,另一个在我手上,并且我们同时抛它们,它们看起来总是得到一样的结果。但是仅仅看我的硬币,我们并不能知道它们得到了一样的结果。我们只能通过互相比较结果才能知道,而这个比较的过程无法以超光速进行。

  只要我们俩的硬币仍旧是独立随机的,我们是无法发现我们的硬币的抛掷结果是一样的。换句话说,如果我翻转我的硬币,这并不会让你的硬币也翻转过来。

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