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乾坤大挪移?科学家首次实现高维度量子隐形传态

2019-08-20 10:09 科技日报

来源标题:乾坤大挪移?科学家首次实现高维度量子隐形传态

记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等和奥地利维也纳大学塞林格小组合作,在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。研究论文以编辑推荐的形式于8月15日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上。

据悉,这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来,科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度,为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。包括美国物理学会的Physics杂志、英国物理学会Physics World网站、《科学美国人》在内的国际权威学术和科普媒体对该工作进行了专题亮点报道。

何为量子隐形传态(Quantum teleportation)?

量子隐形传态是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息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,就如同武侠小说中的“乾坤大挪移”那般。

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。

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。

既然量子隐形传态能够借助量子纠缠将未知的量子态传输到遥远地点,而不用传送物质本身,所以它是远距离量子通信和分布式量子计算的核心功能单元。

但是,要真正实现复杂量子物理系统的完整态传输,并把它应用于可扩展的量子信息技术,量子隐形传态需要走向多体、多终端、多自由度、高维度和远距离。真实的物理体系往往包括多个粒子,每个粒子包含多种自由度,而每个自由度又可以有多个维度。

专注于此重大目标,潘建伟及其同事进行了长期探索和耕耘。1997年,潘建伟和奥地利同事们首次实现了独立光子偏振态的量子隐形传态的实验验证,该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。2004年,潘建伟团队演示了终端开放的量子隐形传态。2006年,该团队实现了两光子复合系统的量子隐形传态 。2015年,团队实现了单光子多自由度的隐形传态 。2017年,基于墨子号量子科学实验卫星,团队将量子隐形传态的距离推进至千公里量级。

迄今为止,所有的量子隐形传态实验都局限于量子态的二维子空间。高维量子态的隐形传态作为完整传输一个量子系统的最后一个待解决挑战,由于其可行性理论方案和实验技术上的双重困难,一直悬而未决。对于高维体系,由于其以维度的平方项增多的贝尔态数量和随之增加的复杂纠缠特性,必须发展出一套全新的可行理论方案。在实验技术上,高维贝尔态测量需要等效地实现独立光子的高维量子态之间的控制逻辑门,这也是量子信息技术的无人区。

责任编辑:刘美君(QN0048)

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