张天才(2)

如前所述，在微观世界中，人们可以产生一些具有奇怪性质的量子态. 这些所谓的怪异属性无法通过我们在经典世界中的经验来体验. 纠缠就是其中之一. 这是爱因斯坦，波多尔斯基和罗森在1935年提出的一种状态，用以证明量子力学的不完备性. 这种状态今天称为EPR状态，它是由科学家创建的，不再是虚构的量子状态. 我们用一个经典的例子来说明. 如果您从北京前往上海并在到达上海后打开行李，则在离开之前收拾行李时，只会发现一对旅游鞋，例如左鞋. 您知道其他鞋子在家里. 您无需打电话，您会立即知道留在家里的鞋子一定是正确的鞋子. 因为他们被一对买回了. 尽管这与量子EPR状态有很多不同，但是这对紧密相关的事物可以视为经典EPR状态. 量子EPR状态可以由一对光子，一对束，一对原子等组成. 它们必须用单个量子状态（波函数）来描述. 存在并测量了一个量子态，但是此量子态中包含的两个个体可以位于空间上分开的不同位置. 这种现象在量子力学中称为非局部性. 这是经典世界中未发现的现象. 您能想象一个完整的人，例如您自己，可以同时在北京和上海吗？不. 但是量子状态是可能的. 物理学家在实验室中创建了这样的量子态.

以上面的鞋子为例，贝内特的想法是这样的: 假设有三个人，张三，李思和王武，都住在北京. 张三有一双鞋，具体款式，颜色和大小都不清楚. 李思拥有一双完整的“ EPR”鞋，一左一右. 李思把他的一只鞋（例如左鞋）交给张三，其余的（右鞋）给王悟. 王武拿着正确的鞋子走了. 张三觉得李思给他的鞋子无法与自己的鞋子搭配. 他只是简单地穿上自己的一只鞋，然后放上李思给他的（左）鞋，然后在炉子里烧掉. 他看着从火和红色火焰中冒出来的烟，他感到非常不舒服. 张三打了个电话给王武（我们不知道王武在哪​​里出差）. 他在电话中详细地告诉他，他正坐在火炉旁，看到黑烟从火炉中冒出来. 和炽烈的火焰场面. 根据张三的描述，王武成功地将李思送给他的（右）鞋变成了张三本人开始烧制的鞋子. 第二天，他带着神奇的鞋子回到北京，张三大吃一惊: 他发现自己的鞋子被他烧掉了，就像原来的鞋子一样回来了. 包括颜色，样式，大小等，甚至包括脚跟，以及当他将其扔进火炉时卡住的北方污垢和细菌！

以上描述当然仅是这种有趣的量子现象的类比. 科学家发现，很难在宏观尺度上产生EPR量子纠缠态. 因此，上述关于鞋子的假设实验很难实现. 但是，如果将其替换为更简单，更小的光子，原子等，则可以在一定程度上实现它.

1997年，奥地利的Zeilinger小组将以自发参数下转换产生的光子对用作EPR状态，并成功实现了光子极化态的量子隐形传态. 1998年，加州理工学院的Kimble研究小组将连续光参量振荡器产生的光场用作EPR状态量子隐形传送，以完成相干光场的量子隐形传态. 由于损耗并且EPR状态不理想，因此在实际的物理系统中，不可能使恢复的量子状态与原始状态完全相同. 通常，人们使用保真度来测量量子隐形传态输出的状态与要传输的初始状态之间的相似度. 例如，2003年，加州理工学院的连续光保真度为0.61. 日本东京，2005年大学的Furusawa研究小组进一步将保真度提高到0.7. 在这里，美国洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员使用核磁共振方法完成了核自旋量子态的隐形传态. 中国科技大学和山西大学也在这方面进行了研究. 中国科学技术大学与奥地利科学家合作，于2004年完成了开放目的地的五光子纠缠和量子隐形传态. 同年，美国国家标准研究院（NIST）和奥地利因斯布鲁克的两个研究小组分别报道了使用受控离子对原子态进行量子受控隐形传态的实验. 后来，中国科技大学-清华大学联合研究小组成功实现了长距离量子隐形传态，证明了量子隐形传态穿越大气的可行性. 2012年，中国科学技术大学潘建伟研究组进一步实现了自由空间中的量子隐形传态. 同年，来自奥地利，加拿大，德国和挪威的研究人员将光子的量子态传送到143公里的距离，创造了新的记录.

这些令人兴奋的实验可能会让您思考: 在不久的将来，人们能否实现比原子更大，更复杂的事物，例如分子，病毒，细胞，昆虫？甚至一个人的量子隐形传态？据说，一个信徒甚至幻想着以这种方式找到一个转世的灵童. 这种愿望大大低估了这种实验的难度，并且误解了科学家迄今为止所取得的成就. 实际上，在上述所有实验中，人们仅以一定概率在光子的偏振态或光场在一定频率下的正交相位分量的状态，或在光子的能级状态下获得成功. 原子. 地面是另一个地方看不见的. 图2显示了由加州理工学院的量子光学实验室（a）和东京大学（b）完成的激光束量子隐形传态实验的一角. 这些实验的复杂程度和技术难度远远超出了我们在此处可以详细介绍的范围.

相比之下，光子实际上是我们可以操纵的非常简单的量子对象. 量子传送它是如此困难，更不用说具有静态质量和复杂结构的原子了. 为了粗略地描述一个原子，它还需要至少数百个参数. 美国国家标准技术研究院和奥地利因斯布鲁克的实验仅部分实现了与一对参数相对应的量子态的隐形传输. 在本文开头提到的刘谦的魔法中，真正实现人的隐形隐形传送仍然是神话. 您可能希望估计一个人大约由1027个原子组成，并且根据100对参数来考虑每个原子. 因此，为了描述人体，所需的数据总量约为1,029对. 而我们当前的实验只是以不完美的方式完成了一对. 如果我们今天观察到的最遥远的天体之一离地球100亿光年，如果我们认为“一个人的量子隐形传态”的完成是从地球到达最遥远的天体，那么我们今天要做的是是的，只有一毫米！

但是，这一毫米是科学上重要的一步. 量子隐形传态实验的成功告诉我们，使用量子纠缠态，我们确实可以转移一个量子态-它客观地存在并包含物体的所有信息-以剥夺金蝉并转移到另一个地方的方式. 在那里，它被完整地复制了. 人们已经可以在一定程度上在实验室中实现诸如光子和原子之类的微观系统. 尽管困难且充满挑战，但毫无疑问，人们可以走得更远！

[注]本文的内容发表在: 《量子状态及其传送》，《 10,000个科学问题·物理卷》，科学出版社. 在此进行了一些切割和修改.

量子卫星

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