量子隐形传态是怎么回事,能实现超光速通信和瞬时转移吗?

发布时间:2023-07-20

  答:量子隐形传态是以实现量子态的远程传输为目的的一类量子通信协议,将量子纠缠特性作为通信信道使用,从而实现任意未知量子态的传输。在量子隐形传态中,通信前收发双方事先共享一对相互关联的粒子,也称为纠缠粒子。纠缠态本身具有非局域的量子特性,相距很远的纠缠粒子之间形成了特殊的量子信道。发送端将待传输的未知量子态与共享粒子对的本地粒子进行特定的测量后,将测量结果告知接收端。接收端用户根据这个测量结果对其拥有的粒子进行一次本地的操作后,即可获得发送端待传输的量子态。

  量子隐形传态示意图如图所示,一对纠缠EPR光子对被分发给空间上分处两地的Alice和Bob。Alice另外还持有一个处于任意量子态的光子,现在她需要将该量子态(当然也包括编码在该量子态上的信息)传输给Bob。那么接下来的工作步骤可以概括为:首先,Alice让处于未知态的光子与EPR对在她那里的一个光子进行以Bell态为基矢的投影测量;然后通过经典的方法将测量结果告知Bob;根据Alice发布的经典信息,Bob随后对他所持有的EPR对中另一个光子进行相应的幺正变换,使之变成与Alice所要传输的未知态完全相同的态,从而达到量子态转移的效果。

图:量子隐形传态示意

  这一过程中信息被分为两部分:量子信息和经典信息。一方面,由于量子态的非定域纠缠,其中一方完成测量操作的同时,另一方光子的偏振量子态也相应发生了塌缩。这个过程是瞬间完成的并且不被任何障碍所阻隔,因此可以认为量子信息转移是“隐形”的。另一方面,通信双方只需要进行特定的经典信息的通信,无需直接地传输原始信息态。需要注意的是隐形传态过程中的经典信息只相应于对粒子的幺正变换操作,而并不包含任何有关未知态的内容,因此对于未持有EPR光子的第三方没有任何意义,当然也就无需进行编码和解码过程。实际上Alice甚至并不需要知道Bob的确切位置,因为她可以通过广播的形式来传递信息。

  尽管Bob所持有的光子状态将在Alice测量的瞬间塌缩,但是这并不意味着量子隐形传态是超光速的信息传播。因为经典通信对量子态的隐形传输是必不可少的,没有经典信息传播,量子隐形传态也无法传递任何信息,而经典信道是受到光速限制的。因此,量子隐形传态并不违背相对论的光速最大原理。

  除此之外,在量子隐形传态的量子信息阶段,量子态的非定域纠缠态的塌缩过程是瞬间完成的,量子信息转移是“隐形”的。但发送端的实物粒子并未被传送给接收者,而始终留在发送者手中,被传送的仅仅是量子信息,发送者甚至可以对这个量子信息一无所知。因此,量子隐形传态实现量子态的转移,不是对实物粒子的瞬间转移。

  量子隐形传态是量子通信的核心技术。随着量子隐形传态应用的深入研究,更多的理论方案陆续被提出,包括量子纠缠交换(待传输未知态也是纠缠态中的未知粒子)、大尺度量子通信(多级量子纠缠交换)、多体多维度量子隐形传态等。自由空间量子隐形传态是实现未来空间大尺度的量子网络的重要方案之一。同时,基于各式载体的实验也获得成功,包括星地量子隐形传态实验,这验证了基于远距离量子隐形传态构建全球大尺度量子网络(量子互联网)的设想在未来是可行的。

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