物質(zhì)的本質(zhì)是信息嗎？五分鐘看懂中國地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)
這是Sheldon的第54篇漫畫，所有圖片大約4.9MB。
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在量子通信、量子計(jì)算和科幻小說中，有一種神奇的狀態(tài)扮演著重要的角色。
如果有一對粒子形成了這種狀態(tài)，不論它們相距多遠(yuǎn)，只要你測量其中一個粒子，另一個粒子也會瞬間發(fā)生響應(yīng)——在常人眼中，它們仿佛能夠超越光速的限制，形成了一種“超光速的心靈感應(yīng)”——就連愛因斯坦也無法透徹地理解這種概念，只好揶揄說，這是一種“鬼魅般的超距作用”。
在科幻小說《三體》中，這種狀態(tài)更是成了推動小說情節(jié)發(fā)展的關(guān)鍵黑科技。借助這種狀態(tài)，三體人再也不用擔(dān)心光速的限制，能夠從4.2光年外的老家，向地球瞬時傳遞信息，順利完成在地球上扶植人奸的任務(wù)。
說到這兒，你可能想起來了，這種神秘的狀態(tài)就是深受朋友圈偽科學(xué)文章歡迎的、讓霍金的哥們羅杰?彭羅斯從一個正統(tǒng)科學(xué)家滑入民科深淵的“量子糾纏”。
在2017年初，量子衛(wèi)星“墨子號”施展了一項(xiàng)關(guān)于量子糾纏的絕活：在1200千米的距離上，完成了量子糾纏光子對的分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
量子衛(wèi)星的另一項(xiàng)絕活也跟量子糾纏有關(guān)，這項(xiàng)絕活在科幻小說中的名字比量子糾纏還要響亮，叫做“量子傳送”（它的學(xué)名叫做量子隱形傳態(tài)）。
今天我們要說的是，中國科學(xué)家首次將地球上物質(zhì)的量子狀態(tài)，“傳送”到了1400千米外的“墨子號”量子衛(wèi)星上。他們是怎么做到的呢？
量子傳送可不是你想象的那樣：把人關(guān)進(jìn)一個玻璃罩里，用一束光一照，嗖的一聲，他就消失了。
然后在一千公里之外的太空，又有一束光一照，嗖的一聲，那個人就傳送好了。
你想的太美了，那是魔法傳送，在科學(xué)上實(shí)現(xiàn)不了。
跟魔法傳送相比，量子衛(wèi)星完成的量子傳送實(shí)驗(yàn)，有4個不一樣的地方。
1.量子傳送不能憑空把物體傳送到遠(yuǎn)處。它傳送的是一個粒子的量子狀態(tài)，而不是粒子本身。我們姑且把這個粒子叫作X。
量子傳送的過程也不是憑空發(fā)生的，而是需要借助一個粒子（我們把它叫作A），將X的量子狀態(tài)傳送到遠(yuǎn)處另一個粒子（我們把它叫作B）的身上。在中國的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，這三個粒子都是光子。
量子傳送進(jìn)行的時候，物質(zhì)既沒有憑空消失，也沒有憑空出現(xiàn)。傳送之前有三個粒子，傳送之后還是三個粒子。只不過三個粒子的狀態(tài)都變了。
2.實(shí)驗(yàn)用到的粒子可不是隨便選的。A和B在傳送之前，必須先形成量子糾纏的狀態(tài)。量子傳送，就是利用A和B之間的量子糾纏，通過X和A的相互作用，將X的量子狀態(tài)的一些特征，傳送到遙遠(yuǎn)的B身上。
3.量子傳送不能超越光速傳遞信息（愛因斯坦：讀到此處，破涕為笑
）。
你可能會問了，剛才不是說，“如果一對粒子發(fā)生了量子糾纏，只要你測量其中一個粒子，另一個粒子也會瞬間發(fā)生響應(yīng)”嗎？如果另一個粒子能夠瞬間響應(yīng)，難道不可以利用它超光速傳遞信息嗎？
其實(shí)，之前提到的“另一個粒子瞬間發(fā)生響應(yīng)”，并沒有本質(zhì)錯誤。當(dāng)我們測量量子糾纏中的一個粒子時，另一個粒子的響應(yīng)確實(shí)是超越光速瞬間產(chǎn)生的。但這種響應(yīng)完全是一種擲骰子式的隨機(jī)行為，根本不能用來傳遞信息。
比方說，在量子傳送中，當(dāng)X和A產(chǎn)生相互作用的一剎那，量子力學(xué)就會犯它的老毛病，讓“上帝”開始“擲骰子”（愛因斯坦：才下眉頭，卻上心頭
），隨機(jī)產(chǎn)生4種結(jié)果中的1種！
此時，X的量子狀態(tài)的一些特征，確實(shí)傳送到B的身上。但在可能傳送到B身上的4種結(jié)果中，有3種結(jié)果會以不同的方式將這些特征打亂，重新組合。
在每一次的量子傳送實(shí)驗(yàn)中，“上帝”都會“擲骰子”，隨機(jī)從4種傳送結(jié)果中選1種。B到底會得到什么樣的結(jié)果，科學(xué)家根本控制不了，所以是完全是隨機(jī)產(chǎn)生的。
在物理學(xué)中，隨機(jī)就意味著結(jié)果不確定，結(jié)果不確定就相當(dāng)于說“不知道”，也就是說，在完全隨機(jī)的結(jié)果中不包含任何確定的信息！
注：我們舉一個簡單的例子。假設(shè)你想問你的配偶，今晚有沒有興趣一起看Benenti的《量子計(jì)算和量子信息原理》？
他/她打算通過一對糾纏光子給你發(fā)送回答。在回答之前，你猜測，她有50%的概率說有，50%的概率說沒有。
為了通過量子糾纏發(fā)送回答，他/她操縱了其中一個光子，導(dǎo)致“上帝擲了一次骰子”，使你隨機(jī)得到另一個光子測量結(jié)果，每一種結(jié)果出現(xiàn)的概率各占50%。
因?yàn)椤皵S骰子”的過程完全是隨機(jī)的，任何人都沒法控制。所以不論他/她究竟想說什么，你都有50%的概率得到“有”，50%的概率得到“沒有”。
也就是說，回答之前和回答之后沒有任何區(qū)別。
在量子糾纏中，雖然遠(yuǎn)處的粒子對相互作用瞬間做出了響應(yīng)，但響應(yīng)的結(jié)果完全是隨機(jī)的，不以人的意志為轉(zhuǎn)移，結(jié)果什么信息都沒有傳遞出來！
所以，量子傳送并不能超光速傳遞信息（嚴(yán)格地說，是不能超光速傳遞經(jīng)典信息），這是因?yàn)榱孔蛹m纏本身不能超光速傳遞信息。
也就是說，《三體》中設(shè)想的“通過量子糾纏從4.2光年外瞬間傳遞信息，從而扶植人奸”的設(shè)想是無法實(shí)現(xiàn)的。（大劉：
）
既然量子傳送的結(jié)果是隨機(jī)產(chǎn)生的，那么如何才能真正地將原先的X的量子狀態(tài)，傳送到遠(yuǎn)處的B身上呢？這就要說到量子傳送的第4點(diǎn)不同。
4.量子傳送必須通過打電話、發(fā)郵件等經(jīng)典信息通道傳輸測量的結(jié)果，才能真正完成傳送。
原來，在X和A發(fā)生相互作用的一剎那，X和A這兩個光子也會隨機(jī)進(jìn)入一種新的狀態(tài)，這個狀態(tài)也是隨機(jī)地四選一，跟B光子的四選一完全對應(yīng)。
為了完成量子傳送，在X和A附近的科學(xué)家必須檢查這兩個光子到底進(jìn)入了哪個狀態(tài)，然后把這個狀態(tài)結(jié)果通過打電話、發(fā)郵件等不可超過光速的通信方式，告訴遠(yuǎn)在B粒子處的另一個科學(xué)家。
另一個科學(xué)家了解了X和A的狀態(tài)信息后，就能知道B粒子身上接收到X的特征發(fā)生了哪些變化，就可以有針對性地對B粒子進(jìn)行操作，從而將X最原始的量子狀態(tài)還原出來，使得X的狀態(tài)成功傳送到B粒子的身上。
在整個傳送的過程中，兩邊的科學(xué)家可以自始至終都不知道原先的粒子X處于什么樣的量子狀態(tài)。由于漫畫的創(chuàng)作需要，我們把粒子X的狀態(tài)畫成了“白鶴亮翅”。但實(shí)際上，它可以是任何狀態(tài)，只要量子力學(xué)允許就可以，而且科學(xué)家可以完全不知道它處于哪個狀態(tài)。
不管X處于什么狀態(tài)，只要按照上面說過的步驟，一步一步操作，科學(xué)家就可以把它傳送到遙遠(yuǎn)的粒子B身上。
如果你覺得量子傳送的過程還是太復(fù)雜，可以參考分鐘物理制作的這張動圖：如何傳送薛定諤的貓。除了沒有體現(xiàn)“量子傳送必須借助量子糾纏”和“貓不能憑空消失”之外，其他細(xì)節(jié)的比喻都可以幫助理解。
總之，量子傳送的本質(zhì)可以簡單地理解為，先用糾纏光子對中的一個光子A，跟待傳送的X發(fā)生相互作用，然后讀取相互作用結(jié)果中蘊(yùn)含的信息；再將這個信息傳輸給B處的科學(xué)家，讓他有針對性地操縱光子B，使得光子B的狀態(tài)完全還原成光子X原先的狀態(tài)。
我們再強(qiáng)調(diào)一下，在量子傳送的過程中，物理學(xué)家自始至終都不知道要傳送的光子X處于什么樣的量子狀態(tài)。它的奇妙之處就在這里：雖然你不知道你要傳送的量子狀態(tài)是什么，但你仍然可以通過下面幾個步驟的操作，把它傳送到一千公里之外的地方。
因此，量子傳送（確切地說，是量子隱形傳態(tài)）被科學(xué)家看作是一種量子通信的實(shí)現(xiàn)方式。
為什么非要搞量子傳送，能不能直接復(fù)制粒子的狀態(tài)？
不能！
在量子力學(xué)中，對于一個未知的量子狀態(tài)（光子X），科學(xué)家既不能直接對它精確測量（測不準(zhǔn)原理），也不能未經(jīng)測量而強(qiáng)行將它復(fù)制出來（量子不可克隆原理）。
所以，如果你想把一個光子X，從地面弄到太空中，要么你需要將光子X朝天上發(fā)射出去，要么就得使用量子傳送。
比方說，在量子衛(wèi)星的量子傳送實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家有一大堆要傳送的光子X。他們可以讓設(shè)在西藏阿里的地面站快速產(chǎn)生一對對糾纏光子，然后向太空中的量子衛(wèi)星發(fā)射其中一組光子B。然后通過量子傳送的方式，將一個個要傳送的光子X的量子狀態(tài)，傳送到量子衛(wèi)星接收到的B身上。
一個哲學(xué)問題：它還是原來的它嗎？
說到這兒，你的腦中可能會產(chǎn)生一個哲學(xué)問題。如果光子X的量子狀態(tài)傳送到了光子B身上，那么傳送后的光子B跟傳送前的光子X到底算不算同一個粒子呢？
或者我們可以換一種問法。比方說，你是一名宇航員，在天上感到孤單寂寞。你的對象為了來看你，先是給你發(fā)送了一大堆粒子，然后通過量子傳送的方式，讓這堆粒子變成了自己身上對應(yīng)的每一個粒子的狀態(tài)，分毫不差。那么，這堆粒子構(gòu)成的跟你對象各個方面完全一致的人，到底是不是你原先愛過的那個人呢？
在哲學(xué)家看來，這個問題可能有很多種答案。有的流派會說是，有的流派會說不是。
從物理學(xué)的角度講，這個問題只有一個回答：是！
如果有兩個粒子，種類完全相同，量子狀態(tài)也完全相同，那么它們就是完全無法區(qū)分的。
如果有一個粒子，量子狀態(tài)被測量破壞了，卻在一段時間后，傳送到了另一個同種粒子的身上，那么物理學(xué)家就可以說，同一個粒子又一次出現(xiàn)了?；蛘哒f，一個粒子被傳送過去了。
這也許就是為什么，量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)的英文名稱叫做quantum teleportation，其中的teleportation在科幻小說和電子游戲當(dāng)中，就是指“隔空傳送物質(zhì)”。
物質(zhì)的本質(zhì)是（量子）信息嗎？
如果傳送狀態(tài)就等于傳送物質(zhì)，那么我們可以說，物質(zhì)的本質(zhì)就是信息嗎？
當(dāng)然可以。已故的著名物理學(xué)家約翰?惠勒曾經(jīng)提出，信息是物理學(xué)的核心，萬物皆是比特（“Itfrombit”）。
隨著量子計(jì)算和量子通信學(xué)的發(fā)展，量子物理學(xué)中的信息（量子比特）在科學(xué)家心目中的地位越來越重要。2003年，物理學(xué)家大衛(wèi)?多伊奇進(jìn)一步發(fā)展了惠勒的觀點(diǎn)：萬物皆是量子比特（“Itfromqubit”）。
量子傳送實(shí)驗(yàn)，從一個側(cè)面反映了萬物皆是量子比特的說法。
我們有可能傳送人類大腦中的意識嗎？
從物理學(xué)家的角度看，傳送人類或者傳送人類大腦并不違背物理原理。如果能把人類大腦中的每一個原子的狀態(tài)，通過量子傳送，傳送到另一堆原子身上，那么我們就實(shí)現(xiàn)了傳送大腦。
但大腦中的意識是不是也能傳送呢？物理學(xué)家通常不考慮的意識問題，按理說應(yīng)該咨詢生物學(xué)家。當(dāng)然，物理學(xué)家認(rèn)為世界的基礎(chǔ)是物理的，如果我們傳送了大腦中所有的物理信息，那么其中的化學(xué)和生物信息也應(yīng)該都一起傳送過去了。
但是，一個人的大腦平均含有10^26個原子，也就是100000000000000000000000000000000000000個原子。雖然傳送大腦不違背物理原理，以現(xiàn)在的技術(shù)手段，科學(xué)家想辦也辦不到啦。
中國的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是怎么做的？
講了那么多背景知識，終于可以開始講正題了！
在“墨子號”量子衛(wèi)星的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家用到的光子都是波長780納米的近紅外光子。他們想要傳送的量子狀態(tài)，就是近紅外光子的偏振狀態(tài)。
在物理學(xué)中，描述一個自由光子的量子狀態(tài)有很多種，其中有一種是光子的振動方向，也叫做偏振方向，地星量子隱形傳態(tài)所傳送的量子態(tài)就是加載在光子偏振上的。
比如，在這次的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家想要傳送的光子X，可能是以下六種偏振狀態(tài)中的一種：0度偏振，90度偏振，45度偏振，135度偏振，左旋偏振，右旋偏振。
在西藏的阿里站中產(chǎn)生光子X的同時，科學(xué)家也同時讓實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生了一對糾纏光子A和B。他們讓其中一個光子B瞄準(zhǔn)在太空中高速運(yùn)動的量子衛(wèi)星，并讓光子A和光子X同時經(jīng)過一個聯(lián)合bell測量裝置，也就是讓A和X產(chǎn)生相互作用。
緊接著，科學(xué)家在阿里站中用儀器測量并記錄A和X的相互作用結(jié)果，衛(wèi)星有效載荷也測量并記錄光子B的偏振測量結(jié)果，之后通過對星地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行符合對比，最終確認(rèn)光子X的量子態(tài)是不是已經(jīng)通過隱形傳態(tài)的方式傳送到了光子B上。
在這次實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家一共向量子衛(wèi)星傳送了911個光子的狀態(tài)，最遠(yuǎn)傳送距離達(dá)到1400千米，并達(dá)到了較高的保真度。
總結(jié)：
量子傳送（量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)）看起來像是科學(xué)家玩起了科幻，只是為了好玩。但實(shí)際上，量子傳送非常有用。
比如，如果將來技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，你可以將一組量子數(shù)據(jù)信息，傳送到遠(yuǎn)方的一臺量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)存上。
又比如，你可以將一對糾纏光子的量子狀態(tài)，分別傳送到遠(yuǎn)方的兩個不同的粒子身上，讓這兩個粒子不用相互接觸就可以發(fā)生量子糾纏。
再比如，你可以通過傳送操作量子數(shù)據(jù)用的量子門，實(shí)現(xiàn)分布式的量子計(jì)算。
到目前為止，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，已經(jīng)提前圓滿地完成了三大任務(wù)：
2.地星量子隱形傳態(tài)
這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的成功，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
