“量子隐形传态”的概念及技术发展

摘 要：量子隐形传态是学术界关注的新焦点。随着量子隐形传态技术不断取得突破，量子通信过程中的信息传输能力和可靠性有望获得极大提升。文章详细阐述了量子隐形传态的实现过程，介绍了量子隐形传态的最新研发成果、专利申请以及应用方向。

关键词：量子隐形传态，纠缠，量子通信

中图分类号：N04；O431.2 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0033-03

The Conception and Technology Development of Quantum Teleportation

ZOU Lina

Abstract： Quantum teleportation is a new focus in academic circles. With the breakthrough of quantum teleportation technology， the transmission efficiency and security are improved significantly in quantum communication. This article describes the realization of quantum teleportation. The recent progress of experimental researches， patents and application fields of quantum teleportation are introduced.

Keywords： quantum teleportation， entanglemant， quantum communication

收稿日期：2014-06-10

作者介绍：邹丽娜（1982—），女，辽宁抚顺人，硕士，审查员，从事光电领域的专利审查。通信方式：zoulina@sipo.gov.cn。

引 言

量子隐形传态由“quantum teleportation”翻译而来。teleportation一词源于穿越科幻小说，意为一个人或物体在某处突然消失与此同时在其他地方又重新出现。对于人类的穿越，科学家从未停止过探索与研究，至今却依然只是一个幻想。隐形传态是否绝对无法实现呢？班尼特（Bennett）等人于1993年发表文章提出了一个两态粒子的未知量子态可以从一个地方隐形传送到另一个地方去，描述了量子的隐形传态方案，引起了学术界对量子隐形传态的极大兴趣[1]。基于Bennett等人的描述，关于量子隐形传态的方案相继出现，部分方案已在实验上获得实现。

一 量子隐形传态的实现

量子隐形传态过程就是允许A处粒子的未知量子态在B处的另一个粒子上还原出来。为了实现隐形传态，A和B之间必须事先共同分享一个纠缠的量子通道，即EPR粒子对。其中量子纠缠指的是两个或更多个量子系统之间的非定域、非经典的关联，是量子系统内各子系统或各自由度之间关联的力学属性。结合图1中所示的量子隐形传态实现方案，假设甲要传输粒子1的未知量子态X给乙，甲和乙事先共同分享有一对互相纠缠的qubit，甲拥有qubit A、乙拥有qubit B。纠缠粒子对qubit A和qubit B将构成量子通道，于是，粒子1、qubit A和qubit B形成了一个总系统。为了完成隐形传态，甲必须对粒子1和qubit A进行Bell联合测量[2]，若粒子1为两态（如粒子的水平偏振态和垂直偏振态）粒子，则测量的结果将出现4种可能的量子态分别为00、01、10、11，也就是说有四分之一的机会得到每个Bell基，而一次测量只能得到其中的一个Bell基。粒子1和qubit A的子系统在测量之后将塌缩到其中的一个Bell基上，并与粒子qubit B消纠缠，基于量子非局限性，乙手中的qubit B就会同时由原来的纠缠态塌缩到相应的量子态上。接下来，甲将测得的结果经由经典通道（因此传输速度不会超过光速）告诉乙，乙收到信息后，对qubit B进行与甲测量结果相应的幺正变换，就可以把qubit B的状态变化成粒子1的原始状态X，从而使得粒子1本身未被传送，但其状态的完整信息从甲处传送到了乙处，qubit B成为粒子1的复制品。在形式上，如果不看甲与乙共同分享纠缠粒子对的过程，其传递好像只通过发送经典信息就完成了超时空传物。整个过程中原物量子信息经由量子通道和经典通道分别传输，此过程中，原物并未被传送给接收者，它始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的物质单元（如粒子）变换成处于与原物完全相同的量子态，原物的量子态在发送者进行测量及提取经典信息时已遭破坏。

图1 量子隐形传态实现方案

二 量子隐形传态的研究进展及应用

量子隐形传态网络，由于纠缠的非局域性，无论通信双方在什么位置、相距多远，只要他们建立量子通道，就可以进行量子信息的传送，其量子信息的传送与双方的网络线路无关。这种全新的通信方式传输的不再是经典信息，而是量子态携带的信息，从而能够实现大容量、高速的信息传送，实现不可破译不可窃听的保密通信。基于理论上的所展现的完美优势，科研人员利用各种实验条件力争使量子隐形传态早日实践应用。1997年Zeilinger（蔡林格）——潘建伟小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证[3]。2004年该小组成功地将量子“超时空穿越”的距离提高到了600米。2007年开始，中国科学技术大学-清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子通道，最终在2009年成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输，验证了穿越大气层实现基于卫星的空间量子通信的可能性[4]，潘建伟团队于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学检验奠定了技术基础。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输的最远距离——143公里[5]，这一数字已经接近了近地轨道卫星与地面之间的距离。随着量子隐形传态技术不断取得新的突破，将实现从卫星发射保密信息到地面单元，甚至卫星可以与潜水艇进行通信，而不需要其浮出水面或发射无线电来暴露位置。中国科学院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项，力争在2015年左右发射全球首颗“量子通信卫星”。

伴随着实验的成功以及巨大的发展潜力，围绕量子隐形传态的信息传输系统以及实现方法的相关专利申请也在逐年增加，尽管目前的专利申请数量还不足百篇。最早的相关专利由日本公司于1997年提出，而且日本也是申请总量位居第一位的国家，其次是美国。中国虽然在量子隐形传态理论及实验方面都做出了大量开创性工作，学术文章影响力位居世界前列，但仅有2篇专利申请。未来，量子隐形传态的专利申请数量必然大幅增加，同时，伴随着相关专利的申请、公开也必将有力地加快量子隐形传态技术应用的步伐。

量子隐形传态“超时空穿越”的通信运输方式，将创建一个超级安全的全球通信网络，完成一次真正意义上的信息革命。

参考文献

[1] Bennett C H，Brassard G，Crepeau C，et al.Teleporting an unknown quantum state via dual classical and EinsteinPodolskyRosen channels[J]. Physical Review Letters，1993（70）：1895-1899.

[2] 李承祖.量子通信和量子计算[D]. 长沙：国防科技大学出版社，2000.

[3] Bouwmeester D，Pan J W. Experimental quantum teleportation[J]. Nature，1997（390）：575-578.

[4] Jin X M，Ren J G. Experimental FreeSpace Quantum teleportation[J]. Nature Photonics，2010（4）：376.

[5] Ma X S，Thomas H. Quantum teleportation over 143 kilometres using active feedforwad[J]. Nature，2012（489）：269-273.