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量子隐形传态

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量子隐形传态(Quantum teleportation),又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传,是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息(physical information)的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,在量子纠缠的帮助下,待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的"超时空传输",在一个地方神秘地消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方神秘地出现。

必须说明的是,量子遥传并不会传送任何物质或能量。这样的技术在量子信息与量子计算上相当有帮助。然而,这方式无法传递传统的资讯,因此无法使用在超光速的通讯上面。量子遥传与一般所说的瞬间移动没有关系–量子遥传无法传递系统本身,也无法用来安排分子以在另一端组成物体。

2015年12月11日,英国物理学会主办的《物理世界》(Physics World)公布2015年度国际物理学领域的十项重大突破,中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等以"多自由度量子隐形传态"的研究成果荣登榜首;中国科学院物理所方忠、翁红明等凭借外尔费米子的先驱性研究入选。

简介

量子隐形传态(Quantum teleportation)是一种传递量子状态的重要通信方式,是可扩展量子网络和分布式量子计算的基础。在量子隐形传态中,遥远两地的通信双方首先分享一对纠缠粒子,其中一方将待传输量子态的粒子(一般来说与纠缠粒子无关联)和自己手里的纠缠粒子进行贝尔态分辨,然后将分辨的结果告知对方,对方则根据得到的信息进行相应的幺正操作。纠缠态预先分发、独立量子源干涉和前置反馈是量子隐形传态的三个要素。

通俗来讲就是:将甲地的某一粒子的未知量子态,在乙地的另一粒子上还原出来。量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理,限制我们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来。因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分,它们分别由经典通道和量子通道送到乙地。根据这些信息,在乙地构造出原量子态的全貌。

评价

1997年,奥地利Zeilinger小组在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成为量子信息实验领域的经典之作。2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子隐形传态距离提高到了600米。但是由于光纤信道中的损耗和退相干效应,传态的距离受到了极大的限制,如何大幅度地提高量子隐形传态的距离成了量子信息实验领域的重要研究方向。

2004年,中国科学技术大学的潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。该小组2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。

2007年开始,中国科学技术大学-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态,证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。除此之外,联合小组还在该研究平台上针对未来空间量子通信需求开展了诱骗态量子密钥分发等多个方向的研究,取得了丰富的成果。

2012年8月,中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗"量子通讯卫星"奠定技术基础。"在高损耗的地面成功传输100公里,意味着在低损耗的太空传输距离将能达到1000公里以上,基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。

2012年9月,维也纳大学和奥地利科学院的物理学家实现了量子态隐形传态最远距离-143公里,创造了新的世界纪录。

2015年中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、刘乃乐等组成的研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来,是量子信息实验研究领域取得的又一重大突破,将为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定坚实基础。

2016年9月中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授小组首先和清华大学合作开发了适合光纤网络传输的时间相位纠缠光子源,然后通过发展皮秒级的远程光同步技术和使用光纤布拉格光栅进行窄带滤波,成功地解决了两个独立光子源之间的同步和干涉问题;接着开发了针对远距离光纤所造成的延迟和偏振涨落以及实验系统的稳定性等问题的主动反馈系统;最后利用中国科学院上海微系统与信息技术研究所开发的超导纳米线单光子探测器,在合肥量子城域通信网络的30公里链路上实现了满足纠缠态预先分发、独立量子源干涉和前置反馈是量子隐形传态的三个要素,为未来可扩展量子网络的构建奠定了坚实基础,相关成果发表于《Nature Photonics》(Doi:10.1038/nphoton.2016.179)上。[1]

参考文献