“我們可以量子隱形傳態(tài)少量的信息來(lái)重建復(fù)雜的物體。比方說(shuō)人類基因組，大小在Gb左右。”
來(lái)源 | 墨子沙龍
看到“量子隱形傳態(tài)”（quantum teleportation）這個(gè)名字，你是不是想起了《星際迷航》中的傳送技術(shù)？傳送機(jī)瞬間就能將人或物體轉(zhuǎn)移到千里之外，下班再也不用擠地鐵了?事實(shí)上，量子隱形傳態(tài)傳送的是一個(gè)粒子的量子態(tài)，它利用量子糾纏將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)的地方，而不用傳送粒子本身。什么是量子糾纏呢？打個(gè)比方，我們假設(shè)有一對(duì)雙胞胎兄弟——小賽和小墨，如果你問(wèn)他們同樣的問(wèn)題，他們會(huì)各自隨機(jī)地給出一個(gè)答案，不過(guò)他們總是給出同樣的答案。比如你問(wèn)小墨：“草是什么顏色的？”他可能說(shuō)：“黑色的?！碑?dāng)你問(wèn)小賽同樣的問(wèn)題時(shí)，也會(huì)得到同樣的答案。他們的行為和一對(duì)糾纏粒子的表現(xiàn)是類似的。一對(duì)處于糾纏態(tài)的光子總是“心有靈犀”。利用這種神奇的性質(zhì)，我們就可以實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。為此，我們需要三個(gè)光子：一個(gè)最初的光子A，一對(duì)糾纏光子B和C。我們要做一次測(cè)量，但不是對(duì)A或者B進(jìn)行測(cè)量，而是把它們輸入到一個(gè)測(cè)量裝置里，測(cè)量它們之間的關(guān)系，然后我們就能得到兩個(gè)比特的信息。一旦得到這個(gè)信息，A、B兩個(gè)光子就被破壞了。我們將兩比特的信息傳給另一個(gè)光子C——這個(gè)光子從來(lái)沒(méi)有接近過(guò)A，然后對(duì)光子C進(jìn)行某些操作，就能得到一個(gè)精確的拷貝，讓C處于不再存在的光子A的狀態(tài)。[1]整個(gè)過(guò)程中，我們其實(shí)沒(méi)有做拷貝。因?yàn)槲覀兇輾Я俗畛醯墓庾樱詮膩?lái)沒(méi)有多于一個(gè)拷貝存在過(guò)。我們只是制備了另一個(gè)光子，讓它和原來(lái)的光子A有一樣的狀態(tài)，同時(shí)破壞最初的光子。而且我們并沒(méi)有以超光速傳送A的狀態(tài)，因?yàn)榻?jīng)典信息不可能以超過(guò)光速的速度傳輸。那么，可以通過(guò)這樣的手段來(lái)傳輸一個(gè)人嗎？在2018年墨子沙龍 “量子·密碼” 活動(dòng)上，小記者們就量子隱形傳態(tài)相關(guān)的問(wèn)題對(duì)三位量子通信領(lǐng)域的先驅(qū)進(jìn)行了采訪。Bennett=Charles Bennett，IBM研發(fā)中心物理學(xué)家、信息理論家，現(xiàn)代量子信息理論的創(chuàng)始人之一Brassard=Gilles Brassard，蒙特利爾大學(xué)教授，加拿大研究學(xué)會(huì)主席Ekert=Artur Ekert，新加坡國(guó)立大學(xué)量子技術(shù)中心主任、英國(guó)牛津大學(xué)數(shù)學(xué)研究所量子物理學(xué)教授只有靈魂能被傳輸
Q：你覺(jué)得在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，通過(guò)量子隱形傳態(tài)來(lái)傳輸整個(gè)人體的信息會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎？
Brassard：恐怕不行。這在原理上就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樯婕暗叫枰l(fā)送的經(jīng)典信息的數(shù)量。當(dāng)你進(jìn)行量子隱形傳態(tài)時(shí)，盡管大部分過(guò)程，或者說(shuō)神奇的部分，都是量子的，然而仍然需要發(fā)送經(jīng)典信息。為了量子隱形傳態(tài)一個(gè)人體而需要發(fā)送的經(jīng)典信息量將會(huì)超出我們的想象，更別提為了啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程你得需要多少糾纏了。所以很遺憾，我認(rèn)為這件事不會(huì)實(shí)現(xiàn)。Bennett：Brassard還只考慮了（正確）信息的量，事實(shí)上其中往往還包含大量的錯(cuò)誤信息。Ekert：量子隱形傳態(tài)錯(cuò)誤信息或量子隱形傳態(tài)無(wú)知，這一點(diǎn)很重要。Brassard：哦，對(duì)了。你們知道Asher Peres吧，就是量子隱形傳態(tài)文章的六個(gè)作者之一[2]。他是一個(gè)非常出名的無(wú)神論者。有一次，一個(gè)記者問(wèn)他：如果你隱形傳態(tài)一個(gè)人，那么只有人體會(huì)被傳輸還是靈魂會(huì)被一起傳輸？Ekert：不過(guò)我們還是可以量子隱形傳態(tài)少量的信息來(lái)重建復(fù)雜的物體。比方說(shuō)人類基因組，大小在Gb左右。Brassard：但（量子隱形傳態(tài)）是在量子水平上而言的。 Bennett：其實(shí)這是經(jīng)典信息；你并不真的需要量子隱形傳態(tài)來(lái)傳輸它。就像Arthur指出的那樣，你可以通過(guò)手機(jī)來(lái)傳輸人類基因組。Brassard：然后在另一端重建人，只是沒(méi)有記憶而已。Q：根據(jù)不確定性原理，你無(wú)法同時(shí)獲知粒子的準(zhǔn)確位置和速度，所以這件事不可能發(fā)生吧？Bennett：其實(shí)這正是量子隱形傳態(tài)可以做到的事。你摧毀原來(lái)的量子態(tài)后可以構(gòu)建出一個(gè)完美的復(fù)制品。你無(wú)法做到的，是通過(guò)量子隱形傳態(tài)得到一個(gè)量子態(tài)的全部信息再構(gòu)建出它的復(fù)制品。但是你可以摧毀原來(lái)的量子態(tài)，然后構(gòu)建出一個(gè)完全相同的量子態(tài)。Brassard：你無(wú)法同時(shí)足夠準(zhǔn)確地獲知粒子的位置和速度，或更準(zhǔn)確地說(shuō)是動(dòng)量。如果你想要在其他地方重建出相同的粒子，與原來(lái)的粒子有相同的速度和位置。很顯然，你無(wú)法通過(guò)測(cè)量同時(shí)得到原來(lái)粒子的準(zhǔn)確速度和位置，自然也無(wú)法通過(guò)經(jīng)典方式發(fā)送這些信息，然后在另一處根據(jù)這些信息重建出粒子。量子隱形傳態(tài)的全部意義在于，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)（譯者注：即重建粒子）。通過(guò)量子隱形傳態(tài)，我們可以在接收端重建出與原來(lái)的粒子擁有全部相同的量子特性的粒子，即使我們并不能同時(shí)測(cè)量這些量子特性然后通過(guò)經(jīng)典方式發(fā)送相關(guān)信息。Bennett：但是你必須摧毀原來(lái)的量子態(tài)。Ekert：原先的量子態(tài)是模糊不清的，你無(wú)法得到粒子的準(zhǔn)確位置和動(dòng)量。我們只能說(shuō)粒子是處于某個(gè)特定的量子態(tài)。而量子隱形傳態(tài)能夠讓你做到的是，在別處重建出一個(gè)在位置和動(dòng)量上擁有相同的不確定度的量子態(tài)。當(dāng)然，也會(huì)將原有的量子態(tài)摧毀。量子糾纏，并不是你以為的那樣
Q：聽(tīng)說(shuō)（在量子糾纏中）粒子是成對(duì)出現(xiàn)的，如果你改變其中一個(gè)，另一個(gè)也會(huì)隨之改變。那么是否可以利用量子糾纏來(lái)傳遞信息？
Brassard ：請(qǐng)容許我打斷你一下。人們通常是這么描述量子糾纏的，尤其是記者，但其實(shí)量子糾纏并不是這樣的。并不存在這樣的情況，你在這里做了一件事，瞬間另一件事在別處也發(fā)生了。這完全是錯(cuò)誤的理解。量子糾纏看起來(lái)好像是這樣的。但如果按照這種理解，那么你將可以對(duì)所有你要測(cè)量的東西進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，然而事實(shí)并非如此。Bennett：其實(shí)你會(huì)得到錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)，也就是說(shuō)認(rèn)為存在瞬時(shí)的通信。當(dāng)我測(cè)量我的粒子的時(shí)候，它并不會(huì)對(duì)你的粒子產(chǎn)生可以觀測(cè)到的影響。不過(guò)如果你對(duì)你的粒子進(jìn)行測(cè)量，我將能夠知道你的測(cè)量結(jié)果。其實(shí)你的粒子的表現(xiàn)并不會(huì)變化，只不過(guò)我獲知了我們的粒子之間的關(guān)聯(lián)，而且只有在我們最終比較測(cè)量結(jié)果的時(shí)候我才能獲得這個(gè)信息。Brassard：我對(duì)我擁有的糾纏對(duì)的其中一個(gè)粒子做的任何事情不會(huì)對(duì)你擁有的另一個(gè)粒子產(chǎn)生任何影響。只有當(dāng)我們比較結(jié)果的時(shí)候會(huì)看到異乎尋常的情況。但是如果每個(gè)參與方只獨(dú)立地看待他擁有的粒子——Bennett：他無(wú)法得知另外一個(gè)粒子是否被操控了。Brassard：回到你的問(wèn)題。是的，我們可以隱形傳態(tài)量子糾纏。假如我是Alice， Bennett是Bob。Alice和Bob首先糾纏在一起，以便用于量子隱形傳態(tài)。隨后Alice和Ekert糾纏在一起，那么原先（Alice和Bob間）的糾纏就被摧毀了。所以我們可以像量子隱形傳態(tài)量子態(tài)般地量子隱形傳態(tài)糾纏。Ekert：回到最初的問(wèn)題。其實(shí)并不存在瞬時(shí)的通信。量子糾纏無(wú)法幫你實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。Bennett：愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)不存在超光速通信。正如愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)的所有東西一樣，這個(gè)觀點(diǎn)也一直被銘記著。但是他不喜歡糾纏，他把糾纏稱為“鬼魅般的超距作用（spooky action at a distance）”。Brassard：其實(shí)，我覺(jué)得正確的翻譯應(yīng)該是“幽靈般的超距作用（ghostly action at a distance）”。Bennett：是的，幽靈般的超距作用。所以，愛(ài)因斯坦不喜歡量子糾纏。但即使他也理解在量子糾纏中并不存在瞬時(shí)的通信。但是所有在英語(yǔ)或德語(yǔ)中讀到這個(gè)描述的人都會(huì)理解成遠(yuǎn)距離作用，理解成可控的遠(yuǎn)距離作用。我有時(shí)會(huì)用這個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。假如我有一對(duì)會(huì)隨機(jī)表現(xiàn)的神奇硬幣，當(dāng)我拋它們的時(shí)候，我無(wú)法預(yù)測(cè)它們會(huì)正面朝上還是反面朝上。如果這對(duì)硬幣中的一個(gè)在你手上，另一個(gè)在我手上，并且我們同時(shí)拋它們，它們看起來(lái)總是得到一樣的結(jié)果。但是僅僅看我的硬幣，我們并不能知道它們得到了一樣的結(jié)果。我們只能通過(guò)互相比較結(jié)果才能知道，而這個(gè)比較的過(guò)程無(wú)法以超光速進(jìn)行。只要我們倆的硬幣仍舊是獨(dú)立隨機(jī)的，我們是無(wú)法發(fā)現(xiàn)我們的硬幣的拋擲結(jié)果是一樣的。換句話說(shuō)，如果我翻轉(zhuǎn)我的硬幣，這并不會(huì)讓你的硬幣也翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。參考資料
[1] https://mp.weixin.qq.com/s/6OehPG3S7EEckwWfTkGmYg
[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.70.1895
文章頭圖及封面
文章頭圖及封面圖片來(lái)源：pixabay.com
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
