量子隐形传态

一种通信技术

量子隐形传态（Quantum teleportation），又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息（physical information）的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。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，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

定义

量子隐形传态（Quantum teleportation）是一种传递量子状态的重要通信方式，是可扩展量子网络和分布式量子计算的基础。在量子隐形传态中，遥远两地的通信双方首先分享一对纠缠粒子，其中一方将待传输量子态的粒子（一般来说与纠缠粒子无关联）和自己手里的纠缠粒子进行贝尔态分辨，然后将分辨的结果告知对方，对方则根据得到的信息进行相应的幺正操作。纠缠态预先分发、独立量子源干涉和前置反馈是量子隐形传态的三个要素。

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。量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理，限制我们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来。因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地。根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。

过程

要实现量子隐形传态，首先要求接收方和发送方拥有一对共享的EPR对（即BELL态（贝尔态）），发送方对他所拥有的一半EPR对和所要发送的信息所在的粒子进行联合测量，这样接收方所有的另一半EPR对将在瞬间坍缩为另一状态（具体坍缩为哪一状态取决于发送方的不同测量结果）。发送方将测量结果通过经典信道传送给接收方，接收方根据这条信息对自己所拥有的另一半EPR对做相应幺正变换即可恢复原本信息。

与广为传言的说法不同，量子隐形传态需要借助经典信道才能实现，因此并不能实现超光速通信。在这个过程中，原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且发送者对这个量子态始终一无所知；接受者是将别的物质单元（如粒子）制备成为与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知；原物的量子态在测量时已被破坏掉—不违背“量子不可克隆定理”；未知量子态（量子比特）的这种传送，需要经典信道传送经典信息（即发送者的测量结果），传送速度不可能超过光速—不违背相对论的原理。

原理

量子隐形传态的基本原理，就是对待传送的未知量子态与EPR对的其中一个粒子实施联合Bell基测量，由于EPR对的量子非局域关联特性，此时未知态的全部量子信息将会“转移”到EPR对的第二个粒子上，只要根据经典通道传送的Bell基测量结果，对EPR的第二个粒子的量子态施行适当的幺正变换，就可使这个粒子处于与待传送的未知态完全相同的量子态，从而在EPR的第二个粒子上实现对未知态的重现。

研究成果

1997年，奥地利Zeilinger小组在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子隐形传态距离提高到了600米。但是由于光纤信道中的损耗和退相干效应，传态的距离受到了极大的限制，如何大幅度地提高量子隐形传态的距离成了量子信息实验领域的重要研究方向。

2004年，中国科学技术大学的潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。该小组2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。

2007年开始，中国科学技术大学-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达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年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，证实了量子隐形传态过程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。除此之外，联合小组还在该研究平台上针对未来空间量子通信需求开展了诱骗态量子密钥分发等多个方向的研究，取得了丰富的成果。

2012年8月，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。“在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将能达到1000公里以上，基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。

2012年9月，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态最远距离—143公里，创造了新的世界纪录。

2015年中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、刘乃乐等组成的研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，是量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，将为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定坚实基础。

2016年9月中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授小组首先和清华大学合作开发了适合光纤网络传输的时间相位纠缠光子源，然后通过发展皮秒级的远程光同步技术和使用光纤布拉格光栅进行窄带滤波，成功地解决了两个独立光子源之间的同步和干涉问题；接着开发了针对远距离光纤所造成的延迟和偏振涨落以及实验系统的稳定性等问题的主动反馈系统；最后利用中国科学院上海微系统与信息技术研究所开发的超导纳米线单光子探测器，在合肥量子城域通信网络的30公里链路上实现了满足纠缠态预先分发、独立量子源干涉和前置反馈是量子隐形传态的三个要素，为未来可扩展量子网络的构建奠定了坚实基础，相关成果发表于《Nature Photonics》（Doi:10.1038/nphoton.2016.179）上。

2024年12月消息，一项实验表明，量子隐形传态与经典通信信号可在同一根光缆中共存。美国西北大学研究人员通过普通光缆，成功将量子态隐形传输了30公里。这为量子通信与现有互联网光缆相结合带来了新的可能，大大简化了分布式量子传感或计算应用所需的基础设施。相关论文发表于最新一期《光学》杂志。

科学意义

量子隐形传态是量子通信中最简单的一种。从事量子隐形传态实验，是实现全球量子通信网络的可行性的前提研究。

量子通信拥有“绝不泄密”的本领，保护用户通信安全。由于量子具有不可再分、不可复制的特性，如果在传输中受到干扰就会改变状态，接收方就可以发现。也就是说，除了在保护通信安全的前提下，量子通信还有“反窃听”的功能。如果有人窃听，信息就被偷听动作改变了，从而可以保证内容的绝密。

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