提到“瞬間傳輸”，不少人腦子里會浮現起《星際迷航》。雖然我們目前離瞬間傳輸人類還很遙遠，但中國科學家已經借助量子科學衛星“墨子號”，實現了地星之間量子態的“瞬間傳輸”。

　　科幻劇《星際迷航》中瞬間傳送人類畫面。

　　北京時間8月10日凌晨，世界頂級學術期刊《自然》報道了中國科學技術大學潘建偉團隊的兩項最新成果，其中一項就是地星之間的量子隱形傳態。

　　論文的第一作者、中科大上海研究院任繼剛副研究員向澎湃新聞（www.thepaper.cn）強調，量子隱形傳態是利用量子糾纏可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身，遠距離量子隱形傳態是未來實現大尺度分布式量子信息處理網絡的基本單元。

　　量子糾纏態：超越光速的傳輸？

　　在一個月以前，潘建偉團隊曾登上另一頂級期刊《科學》的封面。當時，他們創下了世界量子糾纏分發距離的記錄，達到1200千米，實現了一個數量級上的突破。

　　量子是物理學中不可再分的基本單元，由德國物理學家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半個光子”的說法。

　　科學家們在量子的世界中，發現了許多奇妙的現象。其中，量子糾纏就是一種奇妙的表現，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。處于糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行觀測），另一個的狀態會瞬時發生相應改變，仿佛“心靈感應”。比方說，如果一個光子的偏振態是“向上”的，那么另一個光子的偏振態必然是“向下”的。

　　這個構思源于愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）在頭腦里做的一個實驗，因此，這樣的一對粒子也被稱為“EPR”對。

　　在量子糾纏的幫助下，量子態的塌縮是瞬間發生的。這就好比，你去北京出差，打開行李箱一看，只帶了一只左手的手套。那么，你立刻就能知道，落在上海家中的另一只手套肯定是右手的。一個事件影響的傳播超過了光速，這不符合定域實在論。終其一生，愛因斯坦都認為量子力學是個不完備的理論。

　　不過，后人在實驗中成功地實現了量子糾纏， “墨子號”衛星將糾纏光子對分發到青海德令哈和云南麗江地面站，更是刷新了量子糾纏的最遠距離：1200公里。

　　量子隱形傳態：到底是什么“瞬移”了？

　　這次，潘建偉團隊在量子糾纏的基礎上更進一步，玩了一個更為匪夷所思的“魔術”：大變光子。

　　首先，科研人員在西藏阿里的地面站制備糾纏光子對A和B，將其中一個光子B分發給“墨子號”衛星，組成一條隱形傳態的信道。科研人員同時對另一個地面上的光子C和A進行一個操作，稱為“貝爾態測量”（BSM）。根據量子的一些基本特性，光子C和A經過測量之后，他們的量子態會改變，與A處于糾纏態的B也會發生相應變化。在得到某一個測量結果時，光子B恰好會變到光子C最初的狀態。

　　也就是說，一個與原來的光子A狀態一模一樣的光子，出現在了衛星上，仿佛光子A完成了“瞬間移動”。這里面有兩個值得注意的地方：首先，這并不是光子本身被轉移到衛星上，原來的光子A還在地面上，而且狀態已經由于測量而改變了。所以，這中間并不存在“復制”的問題。

　　即使有朝一日，科技的發展真的能實現人類的隱形傳態，我們也大可不必擔憂世界上存在“兩個我”的倫理問題。

　　另一方面，在量子隱形傳態的過程中，信息的傳播并沒有超過光速。如果信息的發送方想要通過衛星這個中繼站，把手中光子的量子態傳給另一個地面站的接收方，那么他們需要通過傳統的通信渠道，比如電話、短信或者互聯網，溝通貝爾態測量結果。

　　“百年物理學21篇經典論文”

　　1993年，IBM的查爾斯·本內特（Charles H. Bennett）和其他5位科學家一起提出了量子隱形傳態的構想。值得一提的是，此次潘建偉團隊發表在《自然》上的另一個實驗，量子密鑰分發，也是基于本內特和合作者在1984年提出的一個構想。

　　1997年，潘建偉在他的老師、奧地利因斯布魯克大學的蔡林格（Anton Zeilinger）團隊首次實現了單光子自旋態的傳輸。這篇題為《實驗量子隱形傳態》的論文后來入選了《自然》雜志的“百年物理學21篇經典論文”，跟它并列的論文包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等。

　　不過，考慮到光子在光纖中的損耗率，量子隱形傳態的距離拓展一直十分艱難。直到2004年，蔡林格團隊才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態距離提高到600米。2008年，潘建偉團隊與清華大學合作，在北京八達嶺與河北懷來之間實現了16公里的量子態隱形傳態，相當于此前世界紀錄的27倍。

　　2012年，潘建偉團隊在青海湖實現了97公里自由空間的量子態隱形傳輸。

　　2015年，潘建偉團隊首次實現單光子多自由度的量子隱形傳態，也就是說，傳輸了一個單光子的多個信息。

　　2015年，潘建偉團隊多光子糾纏干涉成果獲得了2015年度國家自然科學一等獎。

　　“上傳”與“下載”

　　自2005年加入潘建偉團隊以來，任繼剛就一直進行量子隱形傳態的研究工作，并參與了上述八達嶺和青海湖等實驗。

　　在任繼剛看來，在這次“墨子號”圓滿完成的三大科學實驗任務：量子糾纏分發、量子隱形傳態、量子密鑰分發中，地星之間量子隱形傳態最大的挑戰，在于它是唯一一個從地面往上傳的實驗。

　　“那兩個實驗（量子糾纏分發和量子密鑰分發）是從天上往地下發，地面上是大口徑的望遠鏡接收。這種大口徑的望遠鏡，我們國家的技術已經比較成熟。”

　　從衛星上下行的光束，先經過長距離的真空，再穿過最后十幾公里的近地面大氣層，光斑直徑大約有十幾米。此時產生一些擾動，對接收效果影響并不大。而從地面“上傳”，光束會首先經過大氣層的干擾。

　　為此，團隊挑選了阿里這個實驗地點：海拔高，光束可以少“走”一些路，年均降水少，空氣干燥，人類活動的干擾較少。不過，研究人員也不得不接受惡劣的自然條件的挑戰。

　　在這次實驗中，量子糾纏和貝爾態測量都是在阿里的地面站中進行的。下一步，團隊將先進行遠距離的量子糾纏分發，再進行貝爾態測量，實現地面站之間的量子隱形傳態。

　　我們當然可以暢想，未來有一天，我們站在地面的機器里，說出《星際迷航》中的那句經典臺詞：“Beam me up.”（傳送我吧）。我們的身體被分解成無數粒子，然后這些粒子的狀態被傳送給衛星里的粒子。這時，一個“我”在地面上被分解了，一個“我”在衛星上重構。

　　不過，量子隱形傳態目前處于十分初期的發展階段，因而，我們還無需過早地操心“衛星上的那個我還是不是我”這種哲學問題。作者：虞涵棋