科普量子瞬间传输技术,包你懂!

袁岚峰

2015年3月有一条消息“中科大潘建伟项目组实现量子瞬间传输技术重大突破”(中科大潘建伟项目组实现量子瞬间传输技术重大突破)。这项成果后来被英国物理学会评为2015年度十大物理学突破之首,被中国科技部评为2015年度中国科学十大进展之首。这条新闻刚出来时就令许多人激动不已,观者如堵。怎么个激动法?最常见的反应有两种。一种是:“你们说的每一个字我都认识,但是你们说的东西我特么一点都听不懂!赞!!”可以简称“不明觉厉”。另一种是:“以后到了公交站,刷卡,选地点,biu的一声就出现在目的地公交站啦!爽!”可以简称“瞬间移动”。其实两种反应都是被小编误导的。因为小编的配图是《星际迷航》中的瞬间传输装置(每次与量子传态有关的报道他们总要配这个),后者就当真了。而前者可能认真地读了报道,发现根本没法连成一个完整的故事。没办法,懂得科学原理的小编不多,小编能想到的“日常生活”对应物只有这个“beam me up”。是不是很希望专业人士来做个准确的科普?

《星际迷航》中的瞬间传输装置

我的专业是理论物理化学,按说量子信息不是该我科普的。不过我好歹懂得比公众多一些,并且请教了一位潘建伟院士组里的同事陈博士。虽然陈博士不是这篇文章的作者,而且一再声称他做的不是这一块,对整个量子信息也了解有限(这是科研工作者的标准态度,有一分证据说一分话),但还是提供了很多深入浅出的解读,特此鸣谢。于是乎,我觉得我对这项工作有一定的宏观了解,可以向公众解释解释了。虽然在内行看来很粗浅,但至少可以澄清一些误解,让你明白这项成果实际上是什么,不是什么,在科学史上处于什么位置,重要性有多高。我的叙述会力求简明,让高中以上文化水平的人都能看明白,同时力求准确,给出正确的科学图像。其实准确的表述往往比似是而非的表述更容易理解,这是看了很多半通不通的报道和教材之后的感受。总之,包你懂!如果还是不懂……再看一遍!:-)

这项工作是2015年2月26日以封面标题的形式发表在国际顶级科学期刊《自然》(Nature)上的,作者是中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟院士、陆朝阳教授等人,文章标题是《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》(“Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon”)。这里新的成果是“多个自由度”,因为1997年就实现了单个光子的单个自由度的量子隐形传态。那么,什么是光子?(光子是光的最小单元,日常见到的一束光中包含非常多个光子。)什么是自由度?什么是量子?什么是态?什么是量子传态?

潘建伟和陆朝阳

一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,我们就说这个物理量是量子化的,把这个最小单位称为量子。光子就是光量子,一束光至少包含一个光子,再少就不存在了。实验发现,原子中电子的能量不是连续变化的,而是只能取一些分立的值,也就是说,原子中的电子能量是量子化的。量子化是微观世界的普遍现象。20世纪上半叶(主要是从1900年到1930年),普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等伟大的物理学家们创立了量子力学,这是我们目前对微观世界最准确的描述。相对论几乎是爱因斯坦独力创造出来的,量子力学却是群星璀璨的产物。爱因斯坦在其中也发挥了非常重要的作用(提出光量子,这是他得诺贝尔物理学奖的原因,——居然不是相对论!),但并不是最重要的,最重要的两个贡献者是普朗克和海森堡。不过上面无论哪一位,都比在世的物理学家伟大多了(杨振宁可能跟泡利相差不是很远?),这是时代的垂青,个人无法改变的。

普朗克
海森堡

量子力学描述世界的语言跟经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态,说的是它在什么位置,具有什么动量。不言而喻的是,在任何一个时刻这个粒子总是位于某个位置,具有某个动量,即使你不知道是多少。量子力学描述一个粒子的状态,却是给出一个态函数或者称为态矢量,这个态矢量不是位于日常所见的三维空间,而是位于一个数学抽象的线性空间。在这里我们不需要深究这是个什么空间,关键在于两个态矢量之间可以进行“内积”(或者称为“点积”)的运算。内积是什么?在三维空间中,两个矢量a和b做内积(a, b),得到的是它们的长度相乘再乘以夹角的余弦。夹角的余弦,在两个矢量方向相同时等于1,方向相反时等于-1,互相垂直时等于0。所以内积的绝对值越大,就说明两个矢量的方向越接近。对两个态矢量也可以求这样的内积,内积的绝对值表征出它们的相似程度。

两个矢量的内积

好,现在不可思议的新概念来了:对于任何一个物理量P(例如位置、动量),态矢量都可以分为两类。一类具有确定的P,称为P的本征态,P的取值称为这个本征态的本征值;另一类不具有确定的P,称为P的非本征态。非本征态比本征态多得多,如同无理数比有理数多得多。也就是说,绝大多数情况下,一个粒子是没有确定的位置的!等等,什么叫做“没有确定的位置”?是因为粒子跑得太快了,我们看不清吗?量子力学说的不是这种常规(而错误)的理解,而是说:非本征态是一个客观真实的状态,跟本征态同样客观真实,它没有确定的位置是因为它本质上就是如此,而不是因为我们的信息不全。来打个比方,有些状态可以用指向上下左右的箭头来表示,于是你定义“方向”为一个物理量,但是还有些状态是一个圆!圆状态跟箭头状态同样真实,只是没有确定的方向而已。

但是读者还会困惑,因为我们总是可以用仪器去测量粒子的位置,测量的结果总是粒子出现在某个地方,而不是同时出现在两个地方,或者哪里都测量不到。好,下面就是量子力学的关键思想:对P的本征态测量P,粒子的状态不变,测得的是这个本征态的本征值。而对P的非本征态s测量P,会使粒子的状态突然从s变成某个P的本征态f,概率是s与f的内积的绝对值的平方|(s, f)|^2,发生这个突变后测得的就是f的本征值。状态从s突变到f的概率是|(s, f)|^2,实际意思就是这两个态越相似,概率就越大。用上面的例子来说,对箭头状态测方向,状态不变,得到的就是箭头的方向;对圆状态测方向,圆状态会以相同的几率变成任何一个箭头状态,得到的是这个新的箭头状态的方向。对位置的非本征态测量位置,就会测得粒子出现在某个随机的位置,而出现在空间所有位置的几率之和等于1。

怎么知道测量结果是随机的呢?制备多个具有相同状态的粒子,把实验重复多次,就会发现实验结果每次都不一样。没错,量子力学具有本质的随机性,同样的原因可以导致不同的结果,这是跟经典力学的又一大区别。

有人要问了,测量如此奇特,它的本质是什么?回答是:量子力学最大的神秘之一,就是测量的本质谁也不知道!目前只能把测量理解为一种操作定义:对本征态的测量不改变状态,得到本征值;对非本征态的测量随机地把它改变成某个本征态,得到相应的本征值。

你也许会觉得上面这些说法莫名其妙,但是现在绝大多数科学家都对它们奉若圭臬。为什么呢?因为这套奇怪的理论跟实验符合得很好,而经典力学却不能。当然,这是哲学性的原因,而操作性的原因很简单:现在的科学家受的都是量子力学的教育。普朗克有一句非常有趣的话:“新的科学真理并不是由于说服它的对手取得胜利的,而是由于它的对手死光了,新的一代熟悉它的人成长起来了。”诚哉斯言!

事实上,现在仍然有不少人对量子力学提出各种各样的挑战,包括不少专业科学家,民科就更多了(当然挑战相对论的民科更多)。历史上,挑战量子力学的势力更加强大,其中的带头大哥就是——爱因斯坦!老爱坚信粒子应该具有确定的位置和动量,世界的演化应该是决定性的,对前面说的量子力学的不确定性和随机性十分不满。用他自己的话来说,他相信“没有人看月亮的时候,月亮仍然存在”,以及“上帝不掷骰子”。

爱因斯坦认为:“上帝不掷骰子。”

如果是一般人,表达完信念也就没事了。但爱因斯坦是超级伟大的科学家,神一样的人物,他不满足于只做口舌之争,打算按照科学规范,设计一个判决性的实验,以可验证的方式证明量子力学的错误。于是乎,1935年,爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)提出了一个思想实验,后人用他们的首字母称为EPR实验。你可以制备两个粒子A和B的“圆”态,使得在这个状态中两个粒子的某个性质(如电子的自旋角动量、光子的偏振)相加等于零,而单个粒子的这个性质不确定。这样一对粒子称为“EPR”,属于量子力学中的“纠缠态”,因为这两个粒子的性质不可分割地纠缠在一起了。然后你把这两个粒子在空间上分开很远,任意的远,然后测量粒子A的这个性质。好比你测得A是“上”,那么你就立刻知道了B现在是“下”。好比成龙电影《双龙会》中有心灵感应的双胞胎,一个做了某个动作,另一个无论有多远都会做同样的动作(在相反的方向)。问题是,既然A和B已经离得非常远了,B是怎么知道A发生了变化,然后发生相应的变化的?EPR认为A和B之间出现了“鬼魅般的超距作用”,信息传递的速度超过光速,违反相对论。所以,量子力学肯定有错误。

成龙《双龙会》

这个问题非常深邃,直到现在都不断给人以启发。不过量子力学的正统卫道士有一个标准回答:处于纠缠态的A和B是一个整体,当你对A进行测量的时候,A和B是同时发生变化的,并不是A变了之后传一个信息给B,B再变化,所以这里没有信息的传递,不违反相对论。这个回答怎么样?无论你信不信,反正我信了。不过爱因斯坦一直都不信,以这个他参与创建的理论的反对者的身份走完了一生。

在爱因斯坦的时代,EPR实验只能在头脑中进行。随着科技的进步,这个实验可以实现了。1980年代,阿斯佩克特等人做了EPR实验,结果你猜怎么着?完全跟量子力学的预言符合!真的是你测得一个EPR对中的A是“上”的时候,B就变成了“下”。本来是设计出来否定量子力学的,反而验证了量子力学的正确性。这种事在科学史上屡见不鲜。19世纪的时候,泊松主张光是粒子,菲涅耳主张光是波动。。1818年,菲涅耳计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。泊松指出,按照菲涅耳的理论,在不透明圆板的正后方中央会出现一个亮点。他认为这是不可能的,于是宣称驳倒了波动说。但菲涅耳和阿拉果立即做实验,果然有个亮斑,波动说大获全胜。后人很有幽默意味地把这个亮点称为泊松亮斑。这正应了尼采的话:“杀不死我的,使我更强大!”

泊松亮斑

EPR现象既然是一个真实的效应,而不是爱因斯坦等人以为的悖论,人们就想到利用它。量子隐形传态(quantum teleportation)就是一个重要的应用,这是1993年按照量子力学设计出来的一种实验方案。英文单词teleportation就是科幻艺术中biu的一声把人传过去的瞬间传输,tele是远,port是传,所以小编们报道这种新闻总是配传人的图片,《星际迷航》中的Spock发来贺电!可是,量子隐形传态实际做的是把一个粒子A的量子态传输给远处的另一个粒子B,让B变成A最初的状态,传的是状态而不是粒子。当然你可以说传人也是把人的所有原子的状态传到远处的另外一堆原子上,组合成一个同样的人。好,我没意见,只不过为了避免混淆,中国的科学家还是小心谨慎地把teleportation翻译成了隐形传态。这个中文名称其实比英文名称好得多,准确而简练,反映出中文的优势。

量子隐形传态

量子隐形传态的基本思路是这样:让第三个粒子C跟B组成EPR对,而C跟A离得很近,跟B离得很远。让A跟C发生相互作用,改变C的状态,于是B的状态也发生了相应的变化。这时A和C这个两粒子集合的状态有四种可能,分别对应00、01、10、11四个字符串。B的状态也相应地有四种可能,每一种可能都跟A最初的状态(即你想传输的目标状态)有一定程度的相似之处,可以通过某些量子力学的操作变成目标状态。对A和C的整体做一次测量,A和C就随机地突变到了00、01、10、11这四种状态中的某一个上,B也突变到了相应的状态。现在你得到了一个两比特的字符串,00、01、10或11,你可以把它理解为一个密码。把这个密码通过经典的通讯手段(比如电话、光缆)告诉B那边的人,对B按照密码进行操作,就得到了A最初的状态。由此可见,量子隐形传态的基本元素包括中介粒子、密码和经典信道

这里要澄清一个常见的误解。许多人把量子隐形传态当成了瞬间传输,不花时间就能传输到无限远处,然后高呼推翻了相对论。还有人以为凭这一招,信息传播速度就可以超光速,我们可以跟离地球500万光年的星球即时通话。这是完全错误的!仔细看上面的流程,通过测量让各个粒子的状态突变确实可以不花时间,但是光凭这一步是无法得到目标状态的。为了知道对B要做什么操作才能得到目标状态,必须把那个两比特的字符串传过去,这就要通过经典的通信,而经典通信不能超过光速。由于有传输密码这一步卡着,所以量子隐形传态不能超光速

对这个结论有些沮丧吗?我得强调一句,成熟的科学理论不是这么容易推翻的。量子力学和相对论不是完全没有矛盾,但那是跟广义相对论有矛盾(引力问题),狭义相对论跟量子力学还是很和谐的。量子隐形传态是个按照标准理论设计出来的方案,当然不会跟标准理论冲突。与其把它理解成一个推翻正统的革命家,不如把它理解成一个在现行体制下发挥奇思妙想的工艺大师。

还有一个常见的误解,是把量子隐形传态当成复制状态,然后就开始担忧两地同时出现一个自己,到底谁才是自己。这种理解也是错误的。仔细看量子隐形传态的流程,最终结果是B变成了A最初的状态,但A的状态也改变了。也就是说,任何时刻都只有一个粒子处于目标状态。如果要说这是复制的话,也是一种破坏性的复制,造出一个复本的同时就要把原本销毁。所以样品不会增多,只是从一个地方转移到了另一个地方而已。

总而言之,量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子。打个比方,用颜色表示状态,A粒子最初是红色的,通过隐形传态,我们让远处的B粒子变成红色,而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色。无论A是什么颜色,这套方法都可以保证B变成A最初的颜色,同时A的颜色改变。

量子隐形传态是在什么时候实现的?答案是1997年,当时潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格(Anton Zeilinger)教授组里读博士,他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(“Experimental quantum teleportation”)的文章,潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”,跟它并列的包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等,这个阵容强大得吓死人。当然,量子隐形传态的重要性不如那些神级成果,不过也已经相当了不起了,尤其是在基础科学已经很久没有革命的当代。

塞林格

现在终于可以说到潘建伟研究组最新的这个工作了。1997年实现的是单个光子的单个自由度的量子隐形传态,现在实现的是单个光子的多个自由度的量子隐形传态。自由度是什么?自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。例如在数学上,考虑一条线上的一个点,描述它只需要一个数,自由度就是1。一个面上的一个点,自由度就是2。三维空间中的一个点,自由度就是3。在物理中,描述三维空间中一个运动的粒子,需要知道位置的3个分量和动量的3个分量,自由度是6。光子具有自旋角动量和轨道角动量,如果你看不懂这两个词,没关系,只要明白它们是两个自由度就够了。在以前的实验中,传的只是自旋角动量的状态。但是如果你想真正传输一个光子的完整状态,就需要把这两个自由度的状态都传过去。潘建伟研究组实现的就是这件事。所以完整意义的量子隐形传态,应该说是2015年才实现的。打个比方,现在用颜色和形状来表示状态,A粒子最初是红色的正方形,我们可以让B粒子变成红色的正方形,同时A变成绿色的圆形。

双自由度量子隐形传态

这两个实验之间为什么隔了18年之久呢?因为前面说的全都是理论,而在实验操作中有非常多的技术困难。为了解决这些困难,他们“巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案,制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件,搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台”。对量子信息的业外人士来说,这些是技术细节了。重要的是,这些技术进步都非常新颖,非常困难,通过这些实验手段的创新,他们终于达到了多自由度隐形传态的目的。这是现代科研的常态,在一个看似简单的故事下面隐含着无数的技术细节。这是隔行如隔山的来源,也是民科在当代的作用远远比历史上小的原因。

知道了这项成果是什么,我们可以来回答它不是什么了。很遗憾,它不是biu的一声把人传走。当然,可以说是朝这个方向前进了一步,而且是一大步。多大的一步?如果用《老子》的话:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”1997年是实现了道生一,这次是实现了一生二。不过,离传人有多远的距离呢?可以这样估算。12克碳原子是1摩尔,即6.023*10^23个。人的体重如果是60公斤,就大约有5000摩尔的原子,3*10^27个。描述一个原子的状态,我不知道要多少个自由度,姑且算作10个吧。那么要描述一个人,就需要10^28量级的自由度。我们刚刚从1进步到了2……所以,嗯,我们的征途是星辰大海!骚年,向着夕阳奔跑吧!

由于这项工作的重要性,《自然》在同一期上评论道:“该实验为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步,并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元。”这是一个恰如其分的评价。如果你要问,能不能得诺贝尔奖?我不好说,不过如果真有一天得奖,塞林格应该在前面,因为道生一肯定比一生二重要。当然,潘建伟和他的团队都还很年轻,他们有无限的可能性,将来因为其它的成就得诺贝尔奖也未可知。科学最大的魅力之一,就是一切皆有可能。(来,干了这碗鸡汤!)

有人要问了,量子隐形传态离产业应用还有多远?回答是非常远。现在刚刚达到传两个自由度的水平,相当于只能传两个比特的数据。但是量子信息的另一项内容已经接近产业化了,就是量子保密通信,或者称为量子密码术。这方面世界最先进的谁?答案还是中国,还是科大。中国建了好几个量子政务网,科大将在2016年7月发射量子通信卫星。量子密码术的作用,是一旦有人窃听你立刻就知道,而且窃听者解读不出信息,也就是说,实现了物理原理层面的绝对保密。

值得特别强调的是,中国的量子信息绝不是一花独放,而是百花争春。仅仅在科大,大的研究组就有郭光灿院士、潘建伟院士、杜江峰院士三家,比较小的就数不过来了。杜江峰研究组在2015年3月6日的《科学》杂志上发表了题为《日常环境下单蛋白质的自旋共振谱》(“Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions”)的文章,这项成果也入选了中国科技部评的2015年度中国科学十大进展。

郭光灿
杜江峰

据我了解,中国的量子信息研究是从1990年代开始的。那时郭光灿从量子光学转向量子信息,迎来了事业的高峰。潘建伟和杜江峰那时只是研究生,现在已经是国际领军人物。从这些轨迹可以看出,一个国家的科学可以进步得有多快。

1999年左右,杨振宁到科大演讲《近代科学进入中国的回顾与前瞻》,结论是:“以下的几个长远的因素是使得一个社会、一个国家能够有辉煌的科技发展的必要条件。第一个是需要有聪明的年轻人,有头脑做科学研究;第二是需要有重视纪律、重视忍耐心、重视勤奋的社会传统;第三要有决心;第四要有经济条件。……中国在20世纪里有前三者,到了21世纪我认为将四者具备,所以我对21世纪中国科技的发展是绝对乐观的。”当时我十分不以为然,因为中国有太多的问题,腐败,专制,贫富差距,世风日下……所以,杨先生,您是不是老糊涂了?当时我倾向于崩溃论,对中国的前途十分悲观。后来随着眼界的扩大,越来越发现杨振宁讲的是完全正确的。虽然他这些道理看起来无比的质朴,简直是土得掉渣,但实际上是“重剑无锋,大巧不工”。科学大师关于科学发展的眼光确实比我们高得多,不服不行。你说中国没人才,耐心培养不就是了?以中国人的天分,说不定一搞就搞出个国际领导者来。科学最大的魅力之一,就是一切皆有可能。(来,再干了这碗鸡汤!)

杨振宁

在这里我要讲一个故事。美国物理学家拉比(Isidor Isaac Rabi, 1898-1988)年轻的时候去欧洲留学,发现美国最重要的的物理学杂志《物理评论》是被一年一次用船运过去的,说明在欧洲科学界看来美国的物理学根本不值得重视。拉比暗下决心振兴美国物理学,回国后担任了《物理评论》的主编,如今这本杂志是世界物理学界最著名的期刊之一。美国化学家鲍林(Linus Carl Pauling, 1901-1994)也是在去欧洲留学之后,把美国的化学提升到了世界最先进水平。

拉比
鲍林

如果当时有“冷静党”跳出来说美国人不行,永远赶不上欧洲,也能找到无数的证据。而这样的“冷静党”在中国一抓一大把,正如有些网友所说:“中国人的意识已经跟不上中国的发展了。国家顶尖的科研人员已经搞的是人类科学中顶尖的那些东西了,而民众甚至人大委员却还在迷恋日本的马桶圈和电饭煲……脚用30年走了人家300年的路,脑子却留在了30年前……”

你愿意向顶尖的科研人员看齐吗?中国最大的魅力之一,就是一切皆有可能。

【2015年3月写作原文《科普量子瞬间传输技术,包你懂!》(科普量子瞬间传输技术,包你懂!)及其补遗(《科普量子瞬间传输技术,包你懂!》补遗),2016年4月修订发布于知乎专栏“风云之声”。】