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如何解读中科大潘建伟项目组实现量子瞬间传输技术重大突破?

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潘建伟团队的量子瞬间传输:一场超越想象的“传送门”之梦

在物理学的浩瀚星河中,量子世界总是散发着迷人的神秘光辉。而中国科学技术大学潘建伟院士及其团队,就像一群执着的探险家,一次次地拨开量子世界的层层迷雾,为我们揭示了颠覆性的可能性。他们近期在“量子瞬间传输”技术上取得的重大突破,更是让人惊叹,仿佛科幻电影中的“传送门”不再遥不可及。

要理解这项突破的意义,我们得先聊聊什么是“量子瞬间传输”,以及它与我们常说的“信息传输”有何不同。

量子瞬间传输:不是“瞬间移动”,而是“量子信息的复制”

首先,得明确一点:量子瞬间传输,或者更准确地说,量子隐形传态(Quantum Teleportation),并不是科幻小说里那种把一个人或物体瞬间分解、再在大洋彼岸重组的“传送”。它传输的不是物质本身,而是量子信息。

想象一下,你有一枚硬币,它正处于正面朝上和反面朝上这两种状态的叠加之中,这就是一个典型的量子比特(qubit)。量子比特的神奇之处在于,它可以同时处于多种状态,直到你测量它,它才会“塌缩”到某一个确定的状态。而量子隐形传态,就是要把这个处于叠加态的量子比特的信息,精确地、无损地传递给另一个远处的量子比特,而这个信息在传递过程中,原有的量子比特会丧失其量子信息(也就是变得不再是原来的状态)。

这就好比,你有一个独一无二的、尚未被观赏过的稀有花朵,你想把它的“信息”(比如它的颜色、形状、芬芳等等)传递给远方的朋友,让朋友也能拥有同样的信息。量子隐形传态做到的,就是把这朵花所有的“信息”精确地传给朋友,并且在这个过程中,你手中的花朵会因为“信息”的提取而改变,不再是原来那朵独一无二的花了。

为什么说“重大突破”?之前的研究是怎样的?

量子隐形传态并非潘建伟团队的首次尝试。早在1993年,物理学家们就提出了量子隐形传态的理论方案。此后,各国科学家们都在实验室里不断地进行实验验证,并逐步实现了在不同介质(如光子、原子)上、在越来越远的距离上进行量子隐形传态。

然而,潘建伟团队的这项“重大突破”,之所以令人振奋,是因为他们将量子隐形传态的距离和质量( fidelity,也就是传输的精确度)都推向了新的高度,并且是在更复杂、更接近实用化的场景下实现的。

我们可以从几个关键维度来审视这项突破:

1. 距离的飞跃: 过去,量子隐形传态的实验多局限于实验室内的几十米、几百米,或者通过光纤传输几公里。而潘建伟团队此次的突破,极有可能是在远距离(例如上百公里甚至更远)的自由空间中实现的。在自由空间中传输量子信号,会面临大气扰动、散射、吸收等诸多挑战,这比在光纤中传输要困难得多。成功实现远距离自由空间量子隐形传态,意味着未来构建全球化的量子通信网络成为可能。

2. 精度的提升: 量子信息非常脆弱,在传输过程中很容易受到干扰而失真。因此,传输的“质量”(fidelity)至关重要。潘建伟团队的研究,很可能是在保持极高传输精度的前提下,实现了远距离传输。这意味着传输过去的信息能够最大程度地还原,这对于未来量子计算、量子通信的可靠性至关重要。

3. 复杂系统的实现: 过去很多实验可能只实现了单个量子比特的隐形传态。而更进一步,或者说更接近实用化,可能是在多个量子比特之间实现隐形传态,甚至是在量子存储器和量子处理器之间进行隐形传态。如果能够实现对更复杂的量子系统进行信息传输,那么它在连接量子计算机、构建分布式量子计算网络等方面将具有革命性的意义。

4. 纠缠分发的关键作用: 量子隐形传态的一个核心前提是量子纠缠。纠缠是一种奇特的量子关联,即使两个粒子相隔遥远,它们的状态也仿佛被“绑”在了一起,一个粒子的状态变化会瞬间影响到另一个粒子。潘建伟团队的研究,很可能是在高效、远距离地分发量子纠缠的基础上,实现了高保真度的量子隐形传态。这就好比,为了传递花朵的信息,你必须先让朋友那里有一个和你花朵“有特殊联系”的“信使”,而这个信使的状态就与你的花朵的状态息息相关。

这项突破的意义有多大?它将如何改变我们的世界?

这项突破并非仅仅是实验室里的一个数字上的进步,它对于人类未来的科技发展具有深远的意义,可以预见,它将在以下几个方面产生颠覆性的影响:

构建全球量子通信网络: 目前的通信主要依赖于电信号或光信号,传输的都是经典信息。而量子隐形传态是构建量子通信网络的核心技术。一旦实现远距离、高保真的量子隐形传态,我们就可以在地球上任何两个地点之间,安全、高效地传输量子信息。这为构建一个真正意义上的全球量子互联网奠定了基础。

实现绝对安全的通信: 量子通信的核心优势在于其安全性。基于量子力学原理,任何窃听行为都会不可避免地干扰量子态,从而被通信双方发现。这意味着,未来利用量子隐形传态技术实现的通信将是绝对不可窃听、不可破解的,这将彻底改变我们对信息安全的认知,尤其是在金融、军事、政务等敏感领域。

推动量子计算的发展: 量子计算机的强大计算能力依赖于能够操控大量量子比特,并实现它们之间的信息交换。量子隐形传态技术可以作为一种量子信息总线,将分布在不同地方的量子处理器连接起来,实现分布式量子计算。这意味着,我们可以构建更大规模、更强大的量子计算机,解决目前经典计算机无法解决的复杂问题,例如新药研发、材料设计、密码破解等。

基础科学研究的新工具: 量子隐形传态本身就是对量子世界基本规律的深刻探索。这项技术的进步,也为科学家们提供了更强大的工具,去研究量子纠缠、量子叠加等基本量子现象,以及探索更深层次的物理理论。

潘建伟团队的“中国速度”和“中国智慧”

潘建伟院士团队之所以能够在量子科技领域取得如此瞩目的成就,离不开他们长期以来对基础科学的专注、不懈的追求,以及对前沿技术的敏锐洞察和敢于挑战的创新精神。

他们不仅在理论研究上走在前列,更在实验技术上不断突破瓶颈,尤其是在量子光源、量子探测、量子存储等关键技术上,都取得了世界领先的成果。这种理论与实践的紧密结合,是他们能够一次次实现“不可能”的关键。

这项“量子瞬间传输”的重大突破,再次证明了中国在量子科技领域的“领跑者”地位。这背后凝聚着无数科研人员的心血和汗水,也代表着中国在高端科技领域的自主创新能力和国际竞争力。

展望未来:从实验室走向应用

当然,任何一项颠覆性技术的成熟都需要一个过程。从实验室的原理验证到实际应用,还有很长的路要走。在量子隐形传态领域,未来还需要解决的问题包括:

提高传输速率和效率: 目前的量子隐形传态速率相对较低,要满足大规模应用需求,还需要进一步提高。
实现更稳定的量子纠缠源: 稳定、高效地产生和分发高质量的量子纠缠是实现可靠量子隐形传态的关键。
集成化和小型化: 将相关的量子器件集成到更小、更易于操作的系统中,才能真正实现广泛的应用。

但潘建伟团队的这项重大突破,无疑为这些挑战的解决打开了新的局面。它让我们看到了量子技术改变世界的清晰图景,也让我们对人类探索未知、创造未来的能力充满了信心。

潘建伟团队的这项工作,不仅仅是科学上的一个里程碑,更是我们迈向一个全新科技时代的重要一步。它让我们相信,那个曾经只存在于科幻想象中的“量子世界”,正在以一种令人惊叹的方式,走进我们的现实生活。

网友意见

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更新:有关这个话题,更详细的介绍,推荐大家读读这篇文章。

科普量子瞬间传输技术,包你懂!

这是量子隐形传态(teleportation)技术的一个重大的突破。

所谓量子隐形传态,是1993年由六位物理学家联合提出的[1],1997年由Zeilinger组实现,潘建伟院士是论文的第二作者[2]。这个技术神奇的地方在于,可以把一个未知的量子态从A地传输到B地,但并不需要把承载量子态的物理粒子传输过去。所以看起来就跟星际旅行中的瞬间传输看起来很像。实际上要实现这个目的,必须在A和B地之间共享某些量子纠缠作为资源,并在A和B之间保持通畅的经典网络连接交换经典信息。。量子纠缠是一种特殊的关联,要实现这个,所需要消耗的资源比经典的通讯资源要高很多。要澄清一点,这个技术无法超过光速,因为必须通过经典的光通讯辅助,才能把量子信息给隐形传输走。

潘建伟组这次的突破可以看成是量子隐形传态从1到多的里程碑[3]。要实现量子隐形传态的实际应用,我们需要让这个技术能够一次传输更多的信息。而在这之前,人们只能传输一个量子比特的信息。潘建伟组的实验把光子携带的两个不同自由度的信息给传输走了,预示着我们以后可能能够把更复杂的多体系统的信息一次给传输走。比如说,人体作为一个多体量子系统,其信息,也许也是可以用这个技术传输走的。换句话说,星际旅行中的人体“瞬时”传输的技术在遥远的未来,也许可以实现。

不过,这不是没有代价的。我们能传输的只是信息,而不是物质本身。所以当某人的信息传输走之后,在传输仪器中,将会剩下组成他肉体的物质,但那团物质,已经不再包含他的任何信息了,或者说“被杀死”了。而包含他所有信息的另外一个新人,会在遥远的外太空生成。有谁愿意尝试这种残酷旅行方式么?

  1. C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres, W. K. Wootters, Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein–Podolsky–Rosen Channels, Phys. Rev. Lett.70, 1895–1899 (1993)
  2. D. Bouwmeester, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, A. Zeilinger, Experimental Quantum Teleportation, Nature390, 6660, 575-579 (1997).
  3. Xi-Lin Wang, Xin-Dong Cai, Zu-En Su, Ming-Cheng Chen, Dian Wu, Li Li, Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu & Jian-Wei Pan, Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon, Nature 518, 516–519 (2015)

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