8月10日凌晨，中国科技大学潘建伟、彭承志团队联合中科院上海技物所等单位宣布，“墨子号”在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。这是继今年6月实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验后，我国科学家利用“墨子号”实现的又两项重大突破。
　　千里纠缠、星地传密、隐形传态，中国科学院表示，“墨子号”卫星上天一年，已提前完成既定科学目标，将“绝对保密”的量子通信从理论向实用化再次推进了一大步，并为我国未来继续引领世界量子通信技术发展奠定坚实基础。
　　星地量子隐形传态成功有什么意义?是否意味着距“瞬间转移”实现已经不远了?华商报记者近日专访了西安交通大学理学院应用物理系的汤卫东博士。汤卫东博士从事量子信息理论研究，2006年到2013年曾在潘建伟院士的研究团队学习、工作多年。
　　量子纠缠的关联速度可超过光速
　　华商报：什么是量子，量子有哪些神奇的的特性?
　　汤卫东：量子就是各种物理量比如能量、动量等的最小单元。在微观世界中，很多规律和我们宏观世界是很不一样的。例如一个粒子可以同时穿过两个缝(波动性的体现);粒子的瞬时速度是光速(测不准关系);如果把粒子比作水的话，你一直盯着水看，就会发现水永远烧不开(量子芝诺效应)。这些都和我们日常生活中经验是相违背的。
　　量子力学的神奇，首先体现在叠加态。不是指多个量子态叠加在一起，而是是指单个量子态可以同时存在好几种状态，好比会“分身术”，甚至还可以是完全相反的状态，比如薛定谔的猫可以“既死又活”。依靠这一点，可以帮计算机实现并行计算，极大地提高运行速度。
　　其次是，我们可以制备出一种叫做纠缠态的量子态。这种量子态带有一种奇妙的关联，测量改变其中一个量子态的状态，另一个的状态就会瞬间改变，无论两者距离多远，哪怕一个在地球，另一个在月球。这种关联产生的速度超过光速，被称为量子的非定域性。这是科学中最奇特的现象之一，甚至连爱因斯坦都不能接受，称之为“鬼魅般的超距作用”。这次星地之间的实验，再次证明了量子的非定域性特点。
　　除了量子叠加、量子纠缠之外，量子态还有个特点：不可克隆，利用这些性质可以制作出最安全的密钥，让信息传输变得更安全。
　　要让五个量子产生纠缠 难度好比五根手指去按光速运行的五只跳蚤
　　华商报：该怎么理解量子纠缠?量子纠缠容易实现吗?
　　汤卫东：信息除了可以存在各个粒子上之外，也可以储存在两个或多个粒子之间，这就是量子纠缠。举个形象的例子来说，一家人有两个儿子，有一定家产，假定折合为1000万元。某天，两人的父亲去世了，两个儿子开始分家产，每人拿的钱是不确定的。小儿子拿钱多少，取决于大儿子拿钱多少，信息储存在他们拿钱的和为1000万元上，他们各自拿钱的量就是纠缠的。当然，这种情况属于经典关联，可以用来帮助理解量子纠缠。其实微观情况更有意思，量子纠缠还会破坏这种经典的因果关联。
　　量子纠缠可在两个或多个相互关联的微观粒子之间实现。要让多个量子之间产生纠缠态并对其测量验证，比如五光子纠缠，其难度好比“用五根手指去按以光速运行的五只跳蚤”，但潘院士的团队做到了。
　　量子隐形传态 传的是信息而非物质
　　华商报：什么是量子隐形传态?传递的到底是什么?
　　汤卫东：量子隐形传态，是在一对量子纠缠资源的辅助下，将某个未知量子态信息传递到另外一个地方。传递的是信息，而非物质。若用“瞬间转移”来形容，转移的也只是量子态，并不是粒子本身。
　　隐形传态也称隐态传输，这种操作方法的基本思路是：甲、乙处于两个不同地方，甲试图把手里一个未知的粒子态传给乙，在不直接传这个粒子的情况下，他可通过两人共享的一对纠缠粒子态的辅助来实现这一目的。甲只需对手头两个粒子进行某种特殊的量子测量，把测量结果打个电话告诉乙，乙对手头的那个粒子(即共享的纠缠态粒子)进行相应操作后，这个粒子的状态就恰好是甲需要传给乙的那个粒子态。
　　在这个过程中，并没有真把粒子传过去，而只相当于甲破坏了原先要传输的那个粒子的状态，而在乙处重新生成了想要传输的状态。
　　华商报：这次量子隐形传态实验有啥不一样的地方?
　　汤卫东：量子隐形传态最早应该是1997年实现的，当时潘老师在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格教授组里读博士，他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》的文章，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”。不过，1997年实现的是单个光子的单个自由度的量子隐形传态。2015年，才实现了单个光子的多个自由度的量子隐形传态。“墨子号”最新的实验不同的地方在于，实现了从地面到卫星的远距离的量子隐形传态。好比变魔术一般，实现了地星之间量子态的“瞬间传输”。
　　量子隐形传态是建立全球化量子网络的关键
　　华商报：量子隐形传态，能给人们的生活带来哪些变化?
　　汤卫东：“墨子号”之前，量子隐形传态的相关实验技术经过了多年发展，但由于光纤的损耗，最远的传输距离只能达到100公里量级。这次实验完成了1400公里距离的量子隐形传态。远距离的量子隐形传态，被认为是建立大规模全球化的量子网络的重要环节。量子网络可用于实现更加安全可靠的量子通信，和计算能力更强的分布式量子计算。不过，量子隐形传态现在也就只能传少量粒子态以及少量自由度情况，离应用还非常远。已经获得应用的是量子密码，目前在军事、金融、政务方面已经开始应用，我国已经建了好几个量子政务网。
　　即便隐态传输一个分子，要实现也得几十年
　　华商报：利用量子隐形传态有可能实现物质瞬间转移吗?
　　汤卫东：传递物质就不叫隐形传态了。如果要利用量子隐形传态对物质进行传输，大概要经过这么一个过程：首先，要实现宏观物体通过隐形传态来传递量子态信息，然后根据这些信息异地重塑出宏观物体。这就要求必须要有足够多粒子的纠缠态来辅助，还要能够对组成宏观物体的那么多微观粒子实现精准操控和测量，此外还要有利用接收到的量子态信息重塑物质的技术，最后还要有合适的材料来使用。我估计，即便是传递由十几个原子组成的分子的纠缠态信息，然后把它异地重塑出来，也需要几十年。高分子化合物，需要的时间可能会更久。
　　华商报：固体、液体、气体，哪种状态的物质，量子态信息传递最难?
　　汤卫东：如果从内部相互作用看，气体之间相互作用弱，甚至有时候可以近似为单个粒子情况，一般而言较为简单。而液体、固体由于其内部复杂的相互作用，其难度应该是同一量级的，技术上是相当地困难，可能只存在着理论上的可能。液体可能还要额外解决一个流动性问题。
　　人“瞬间转移”理论上有可能 现实也许无法实现
　　华商报：要实现人的“瞬间转移”有可能吗?需要经历哪些阶段?
　　汤卫东：理论上的确可以，例如可以成功制备一个超级多粒子的纠缠态(大概需要10的23次方量级之上)，相应的测量技术以及同步通讯技术也都能跟上，否则复杂的人体内微观粒子之间相互作用将会导致信息严重失真。但目前的技术最多也只能做到几十个粒子纠缠态。所以几乎可以肯定地说，这样的技术在我们人类历史上应该是达不到的。并且前面所说的这些技术，几乎哪个都无法迈过。
　　华商记者 马虎振
　　■名词解释：自由度
　　自由度是描述一个体系所需的变量的数目。比如在数学中，对于一条线上的一个点，描述它只需一个数，自由度就是1;对于一个面上的一个点，自由度就是2;对于三维空间中的一个点，自由度就是3。在经典物理学中，描述三维空间中一个运动的粒子，除了需要知道位置的3个分量，还要知道动量的3个分量，所以自由度就是6。光子除了动量等自由度外，还具有偏振和轨道角动量，它们也是两个自由度。在以前的实验中，传的只是偏振的状态。但如果想传输一个光子更完整的信息，就需要把这两个自由度的状态都传过去。潘院士的研究组实现的就是这件事。

编辑：华商报供稿
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