通过量子纠缠传递信息拢共分几步？

Original 光子盒研究院光子盒 2023-03-04

收录于合集 #量子科普 81个

光子盒研究院出品

2022年诺贝尔物理学奖授予了三位“因纠缠光子实验”的科学家：Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger在过去几十年中取得了独立的突破；他们的工作结果不仅展示了量子纠缠的作用，还展示了神秘的特性如何成为将量子信息从一个光子传送到另一个光子的通道。

回顾历史，20世纪初，当马克斯·普朗克、爱因斯坦、玻尔和薛定谔等物理学家讨论量子力学时，很明显，在亚原子粒子水平上大自然有自己隐藏的沟通渠道——量子纠缠。爱因斯坦在1935年发表的一篇论文中科学地描述了这一现象，将称其为“幽灵般的超巨作用”。

加州理工学院物理学教授、INQNET量子网络项目主任Maria Spiropulu将量子纠缠等同于共享记忆：“一旦你结婚了，可能有离过多少次婚并不重要，”她解释道。因为你们一起创造了回忆，“你们永远相连。”在亚原子水平上，粒子之间的“共享记忆”能够在遥远的粒子之间即时传输有关量子态的信息——如原子自旋和光子极化。这些信息称为量子比特，量子比特同时具有无限数量的潜在能力，使它们能够更快地处理信息：而这正是物理学家在量子隐形传态系统中所寻找的。

但要让量子比特充当信息处理器，它们需要像经典计算机芯片共享信息的方式那样共享信息：进入纠缠和传送。利用纠缠进行量子信息传送的过程叫做量子隐形传态，大致分为以下五步：

第一步：纠缠

使用激光，光子流穿过一种特殊的光学晶体，可以将光子分成对。这对光子现在纠缠在一起，这意味着它们共享信息。当一个改变时，另一个也会改变。

第二步：打开量子隐形传态通道

然后，两个光子中的一个通过光纤电缆（或另一种能够传输光的介质，如空气或太空）发送到遥远的位置。这为隐形传态打开了一个量子通道。远处的光子（上面标记为光子1）成为接收器，而留在后面的光子（标记为光子2）是发射器。该通道不一定指示信息流的方向，因为光子可以以迂回的方式分布。

第三步：准备传送消息

第三个光子是信息载体，被添加到混合物中，并与要传送的信息一起编码。传输的信息类型可以编码为所谓的光子属性或状态，例如它的位置、极化和动量（这就是量子比特的用武之地：根据0、1及其叠加来考虑编码信息）。

第四步：传送编码的消息

量子物理学的一个奇怪特性是，一个粒子的状态或特性，例如它的自旋或位置，在被测量之前是无法知道的。这可以想象为骰子：一个骰子最多可以容纳六个值，但在掷出之前它的值是未知的。测量一个粒子就像掷骰子，它锁定一个特定的值。

在隐形传态中，一旦第三个光子被编码，就会对第二个和第三个光子的属性进行联合测量，这意味着它们的状态被同时测量并且它们的值被锁定（就像查看一对骰子的值一样）。测量行为改变了第二个光子的状态以匹配第三个光子的状态，一旦第二个光子发生变化，量子通道接收端的第一个光子就会迅速进入匹配状态。

现在信息在于光子1号（接收器）。然而，即使信息已被传送到遥远的位置，它仍然是编码的，这意味着就像展开的骰子一样，它在被解码或测量之前是不确定的。因此，光子1号的测量需要与光子2号和3号的联合测量相匹配；对光子2号和3号进行的联合测量的结果会被记录下来并发送到光子的位置，这样就可以重复以解锁信息。

此时，光子2号和3号消失了，因为测量光子的行为会破坏它们：光子会被用于测量它们的任何物体吸收，比如我们的眼睛。

第五步：完成传送

为了解码光子1号的状态并完成隐形传态，光子1号必须根据联合测量的结果进行操作，也称为旋转它，这就就像之前掷骰子一样。这一步骤会解码消息——类似于二进制1和0被转换为文本或数值的方式。从表面上看，隐形传态似乎是瞬间的，但由于联合测量的解码指令只能使用光发送（在这种情况下通过光纤电缆），光子只能以光速传输信息。这很重要，因为隐形传态否则会违反爱因斯坦的相对论原理，该原理指出没有什么比光速更快；如果确实如此，这将可能颠覆物理学。

现在，光子3号（信使）中的编码信息已从光子2号的位置（发射器）传送到光子1号的位置（接收器）并被解码。

喏！量子隐形传态完成。

现在，研究人员已经发现了许多不同的方法来纠缠、传输和测量亚原子信息。此外，他们正在从传送有关光子的信息升级到传送有关较大粒子（如电子甚至原子）的信息，不过，它们的最终目标都是信息的传输。关于量子隐形传态的直接前景，Spiropulu言简意赅地表示：“它具有变革性。”

参考链接：

https://www.popsci.com/science/quantum-teleportation-history/

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