科普量子瞬间传输技术，包你懂！（ZT）

万得福

科普量子瞬间传输技术，包你懂！（ZT）
作者：@中科大胡不归
     最近有一条消息“中科大潘建伟项目组实现量子瞬间传输技术重大突破”（http://m.guancha.cn/Science/2015_03_06_311259[url]http://m.guancha.cn/Science/2015_03_06_311259[/url]），令许多人激动不已，观者如堵。怎么个激动法？最常见的反应有两种。一种是：“你们说的每一个字我都认识，但是你们说的东西我特么一点都听不懂！赞！！”可以简称“不明觉厉”。另一种是：“以后到了公交站，刷卡，选地点，biu的一声就出现在目的地公交站啦！爽！”可以简称“瞬间移动”。其实两种反应都是被小编误导的，因为小编的配图是《星际迷航》中的瞬间传输装置（每次与量子传态有关的报道他们总要配这个），前者可能认真地读了报道，发现根本没法连成一个完整的故事。没办法，懂得科学原理的小编不多，小编能想到的“日常生活”对应物只有这个“beam me up”。是不是很希望专业人士来做个准确的科普？
    我的专业是理论物理化学，按说没资格科普量子信息。不过我好歹懂得比公众多一些，并且请教了一位潘建伟院士组里的同事陈博士。虽然陈博士不是这篇文章的作者，而且一再声称他做的不是这一块，对整个量子信息也了解有限（这是科研工作者的标准态度，有一分证据说一分话），但还是提供了很多深入浅出的解读，特此鸣谢。于是乎，我觉得我对这项工作有一定的宏观了解，可以向公众解释解释了。虽然在内行看来很粗浅，但至少可以澄清一些误解，让你明白这项成果实际上是什么，不是什么，在科学史上处于什么位置，重要性有多高。我的叙述会力求简明，让高中以上文化水平的人都能看明白，同时力求准确，给出正确的科学图像。其实准确的表述往往比似是而非的表述更容易理解，这是看了很多半通不通的报道和教材之后的感受。总之，包你懂！如果还是不懂……再看一遍！：-）
    这项工作是2月26日以封面标题的形式发表在国际顶级科学期刊《自然》（Nature）上的，文章标题是《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》（“Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon”）。这里新的成果是“多个自由度”，因为1997年就实现了单个光子的单个自由度的量子隐形传态。那么，什么是光子？（这个问题大家应该都知道，光子是光的最小单元，日常见到的一束光中包含非常多个光子。）什么是自由度？什么是量子？什么是态？什么是量子传态？
    一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说这个物理量是量子化的，把这个最小单位称为量子。光子就是光量子，一束光至少包含一个光子，再少就不存在了。实验发现，原子中电子的能量不是连续变化的，而是只能取一些分立的值，也就是说，原子中的电子能量是量子化的。量子化是微观世界的普遍现象。20世纪上半叶（主要是从1900年到1930年），普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等伟大的物理学家们创立了量子力学，这是我们目前对微观世界最准确的描述。相对论几乎是爱因斯坦独力创造出来的，量子力学却是群星璀璨的产物。爱因斯坦在其中也发挥了非常重要的作用（提出光量子，这是他得诺贝尔物理学奖的原因，居然不是相对论！），但并不是最重要的，最重要的两个贡献者是普朗克和海森堡。不过上面无论哪一位，都比在世的物理学家伟大多了（杨振宁可能跟泡利相差不是很远？），这是时代的垂青，个人无法改变的。
    量子力学描述世界的语言跟经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态，说的是它在什么位置，具有什么动量。不言而喻的是，在任何一个时刻这个粒子总是位于某个位置，具有某个动量，即使你不知道是多少。量子力学描述一个粒子的状态，却是给出一个态函数或者称为态矢量，这个态矢量不是位于日常所见的三维空间，而是位于一个数学抽象的线性空间。在这里我们不需要深究这是个什么空间，关键在于两个态矢量之间可以进行“内积”的运算。内积是什么？在三维空间中，两个长度为1的单位矢量a和b做内积(a, b)，得到的是它们夹角的余弦，即两个矢量方向相同时得到1，方向相反时得到-1，互相垂直时得到0，所以内积也可以理解为一个矢量在另一个矢量上的投影。对两个态矢量也可以求这样的内积，结果是个复数（即有实部虚部，不一定是实数），而这个复数的绝对值小于等于1。
    好，现在不可思议的新概念来了：对于任何一个物理量P（例如位置、动量），态矢量都可以分为两类，一类具有确定的P，称为P的本征态，P的取值称为这个本征态的本征值；另一类不具有确定的P，称为P的非本征态。非本征态比本征态多得多，如同无理数比有理数多得多。也就是说，绝大多数情况下，一个粒子是没有确定的位置的！等等，什么叫做“没有确定的位置”？是因为粒子跑得太快了，我们看不清吗？量子力学说的不是这种常规（而错误）的理解，而是说：非本征态是一个客观真实的状态，跟本征态同样客观真实，它没有确定的位置是因为它本质上就是如此，而不是因为我们的信息不全。来打个比方，有些状态可以用指向上下左右的箭头来表示，于是你定义“方向”为一个物理量，但是还有些状态是一个圆！圆状态跟箭头状态同样真实，只是没有确定的方向而已。
    但是读者还会困惑，因为我们总是可以用仪器去测量粒子的位置，测量的结果总是粒子出现在某个地方，而不是同时出现在两个地方，或者哪里都测量不到。好，下面就是量子力学的关键思想：对P的本征态测量P，粒子的状态不变，测得的是这个本征态的本征值。而对P的非本征态s测量P，会使粒子的状态从s变成某个P的本征态f，概率是s与f的内积的绝对值的平方|(s, f)|^2，发生这个变化后测得的就是f的本征值。用上面的例子来说，对箭头状态测方向，状态不变，得到的就是箭头的方向；对圆状态测方向，圆状态会以相同的几率变成任何一个箭头状态，得到的是这个新的箭头状态的方向。对位置的非本征态测量位置，就会测得粒子出现在某个随机的位置，而出现在空间所有位置的几率之和等于1。怎么知道测量结果是随机的呢？制备多个具有相同状态的粒子，把实验重复多次，就会发现实验结果每次都不一样。没错，量子力学具有本质的随机性，同样的原因可以导致不同的结果，这是跟经典力学的又一大区别。
    你也许会觉得上面这些说法简直莫名其妙，但是现在绝大多数科学家都对它们奉若圭臬。为什么呢？因为这套奇怪的理论跟实验符合得很好，而经典力学却不能。当然，这是哲学性的原因，而操作性的原因很简单：现在的科学家受的都是量子力学的教育。普朗克有一句非常有趣的话：“新的科学真理并不是由于说服它的对手取得胜利的，而是由于它的对手死光了，新的一代熟悉它的人成长起来了。”诚哉斯言！
    事实上，现在仍然有不少人对量子力学提出各种各样的挑战，包括不少专业科学家，民科就更多了（当然挑战相对论的民科更多）。历史上，挑战量子力学的势力更加强大，其中的带头大哥就是--爱因斯坦！老爱坚信粒子应该具有确定的位置和动量，世界的演化应该是决定性的，对前面说的量子力学的不确定性和随机性十分不满。用他自己的话来说，他相信“没有人看月亮的时候，月亮仍然存在”，以及“上帝不掷骰子”。
    如果是一般人，表达完信念也就没事了。但爱因斯坦是超级伟大的科学家，神一样的人物，他不会满足于只做口舌之争，而是要设计一个判决性的实验，以可验证的方式证明量子力学的错误。于是乎，1935年，爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）提出了一个思想实验，后人用他们的首字母称为EPR实验。你可以制备两个粒子A和B的“圆”态，使得在这个状态中两个粒子的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的偏振）相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定。这样一对粒子称为EPR对。然后你把这两个粒子在空间上分开很远，任意的远，然后测量粒子A的这个性质。好比你测得A是“上”，那么你就立刻知道了B现在是“下”。问题是，既然A和B已经离得非常远了，B是怎么知道A发生了变化，然后发生相应的变化的？EPR认为A和B之间出现了“鬼魅般的超距作用”，信息传递的速度超过光速，违反相对论。所以，量子力学肯定有错误。
    这个问题非常深邃，直到现在都不断给人以启发。不过量子力学的正统卫道士有一个标准回答：处于“圆”态的A和B是一个整体，当你对A进行测量的时候，A和B是同时发生变化的，并不是A变了之后传一个信息给B，B再变化，所以这里没有信息的传递，不违反相对论。这个回答怎么样？无论你信不信，反正我信了。不过爱因斯坦一直都不信，以这个他参与创建的理论的反对者的身份走完了一生。
    在爱因斯坦的时代，EPR实验只能在头脑中进行。随着科技的进步，这个实验可以实现了。1980年代，阿斯佩克特等人做了EPR实验，结果你猜怎么着？完全跟量子力学的预言符合！真的是你测得一个EPR对中的A是“上”的时候，B就变成了“下”。本来是设计出来否定量子力学的，反而验证了量子力学的正确性。这种事在科学史上屡见不鲜。17世纪的时候，牛顿主张光是粒子，惠更斯主张光是波动。牛顿按照惠更斯的理论计算出一个现象：把一束光射向一个不透明的小圆片，在圆片的背后中心位置会出现一个亮点，而不是暗点。牛顿认为这是不可能的，宣布驳倒了惠更斯。可是别人一做这个实验，发现真的就是如此，结果成了牛顿亲手证明惠更斯的正确。这正应了尼采的话：“杀不死我的，使我更强大！”
    EPR现象既然是一个真实的效应，而不是爱因斯坦等人以为的悖论，人们就想到利用它。量子隐形传态（quantum teleportation）就是一个重要的应用。英文单词teleportation就是科幻艺术中biu的一声把人传过去的瞬间传输，tele是远，port是传，所以小编们报道这种新闻总是配传人的图片，《星际迷航》中的Spock发来贺电！可是，在量子信息研究中实际做的是把一个粒子A的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B复制A的状态，注意传的是状态而不是粒子。当然你可以说传人也是把人的所有原子的状态传到远处的另外一堆原子上，组合成一个同样的人。OK我没意见，只不过为了避免混淆，中国的科学家们还是小心谨慎地把teleportation翻译成了隐形传态。
    量子隐形传态是怎么操作的呢？基本思路是这样：让第三个粒子C跟B组成EPR对，而C跟A离得很近，跟B离得很远。让A按照某个密码跟C发生相互作用，改变C的状态，于是B的状态也发生了相应的变化。再通过经典的通讯手段（比如电话、光缆）把密码告诉B那边的人，对B按照密码进行反向操作，就得到了A的状态。这里的基本元素包括作为中介的C、密码和传输密码的经典信道。
    量子隐形传态是在什么时候实现的？答案是1997年，当时潘建伟在奥地利维也纳大学的塞林格（Zeilinger）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》（“Experimental quantum teleportation”）的文章，潘建伟是第二作者。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”，跟它并列的包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等，这个阵容强大得吓死人。当然，量子隐形传态的重要性不能和那些神级成果相提并论，不过也已经相当了不起了，尤其是在基础科学已经很久没有革命的当代。
    现在终于可以说到潘建伟研究组最新的这个工作了。1997年实现的是单个光子的单个自由度的量子隐形传态，现在实现的是单个光子的多个自由度的量子隐形传态。自由度是什么？自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。例如一个静止在一条线上的粒子，描述它只需要一个数，自由度就是1。静止在一个面上的粒子，自由度就是2。三维空间中的静止粒子，自由度就是3。描述三维空间中一个运动的粒子，需要知道位置的3个分量和动量的3个分离，自由度是6。光子具有自旋角动量和轨道角动量，如果你看不懂这两个词，没关系，只要明白它们是两个自由度就够了。在以前的实验中，传的只是轨道角动量的状态。但是如果你想真正传输一个光子的完整状态，应该把这两个自由度的状态都传过去。潘建伟研究组实现的就是这件事。所以完整意义的量子隐形传态，应该说是2015年才实现的。
    这两个实验之间为什么隔了18年之久呢？因为前面说的全都是理论，而在实验操作中有非常多的技术困难。为了解决这些困难，他们“巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案，制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台”。不要问我这些是什么意思，对量子信息的业外人士来说这些是技术细节了。重要的是，这些技术进步都非常新颖，非常困难，通过这些实验手段的创新，他们终于达到了多自由度隐形传态的目的。其实这个目的实现得还不是非常完美。文章摘要里有一句“传输的保真度（fidelity）位于0.57至0.68之间”，也就是说，有40%左右的可能性传输失败！这是实验中的种种噪声、损耗造成的，不是理论的限制，以后可以继续提高。在单自由度的传态中，保真度已经能达到99%以上了。这是现代科研的常态，在一个看似简单的故事下面隐含着无数的技术细节。这是隔行如隔山的来源，也是民科在当代的作用远远比历史上小的原因。
    知道了这项成果是什么，我们可以来回答它不是什么了。很遗憾，它不是biu的一声把人传走。当然，可以说是朝这个方向前进了一步，而且是一大步。多大的一步？如果用《老子》的话：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”1997年是实现了道生一，这次是实现了一生二。不过，离传人有多远的距离呢？可以这样估算。12克碳原子是1摩尔，即6*10^23个。人的体重如果是60公斤，就大约有5000摩尔的原子，即3*10^27个。描述一个原子的状态，我不知道要多少个自由度，姑且算作10个吧。那么要描述一个人，就需要10^28量级的自由度。我们现在刚刚从1进步到了2……就连这个2也不是非常稳定的，还有40%的几率传错，想想如果你身上1%的细胞出了错会怎么样？所以，嗯，我们的征途是星辰大海！骚年，向着夕阳奔跑吧！
    由于这项工作的重要性，《自然》在同一期上评论道：“该实验为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元。”这是一个恰如其分的评价。如果你要问，能不能得诺贝尔奖？我不好说，不过如果真有一天得奖，塞林格应该在前面，因为道生一肯定比一生二重要。当然，潘建伟和他的团队都还很年轻，他们有无限的可能性，将来因为其它的成就得诺贝尔奖也未可知。科学最大的魅力之一，就是一切皆有可能。（来，干了这碗鸡汤！）
    潘建伟研究组是量子信息的世界领导者之一，当然不好说是最先进的，因为在欧洲、美国也有跟他们差不多水平、各有千秋的研究组。在量子保密通信这个领域他们做得尤其突出，创造了多项传输距离的世界纪录，已经有多个政务网投入实用，并将在2016年发射量子卫星。目前中国很少有领域具有这样领先的世界地位，弥足珍贵。
    值得特别强调的是，中国的量子信息绝不是一花独放，而是百花争春。仅仅在科大，比较大的研究组就有潘建伟院士、郭光灿院士、杜江峰教授三家，比较小的我就数不过来了。顺便说一下，最近杜江峰研究组在3月6日的《科学》杂志上发表了题为《日常环境下单蛋白质的自旋共振谱》（“Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions”）的文章，周荣斌研究组在1月15日的《细胞》（Cell）杂志上发表了题为“Dopamine controls systemic inflammation through inhibition of NLRP3 inflammasome”的文章。在2015年的前3个月，科大在《自然》、《科学》和《细胞》这三大国际顶级期刊（合称CNS）上各发了一篇，堪称开门红。当然，对CNS大惊小怪仍然是中国的大学科研水平有限的证据，因为还是少嘛。什么时候CNS多得大家都不当回事了，不再关心文章发在什么地方，只专注成果的科学重要性，那就真的是世界一流大学了。
    据我了解，中国的量子信息研究是从1990年代开始的。那时郭光灿从量子光学转向量子信息，迎来了事业的高峰。潘建伟那时只是研究生，现在已经是国际领军人物了。从这些轨迹可以看出，一个国家的科学可以进步得有多快。1999年左右，杨振宁到科大演讲《近代科学进入中国的回顾与前瞻》，结论是：“以下的几个长远的因素是使得一个社会、一个国家能够有辉煌的科技发展的必要条件。第一个是需要有聪明的年轻人，有头脑做科学研究；第二是需要有重视纪律、重视忍耐心、重视勤奋的社会传统；第三要有决心；第四要有经济条件。……中国在20世纪里有前三者，到了21世纪我认为将四者具备，所以我对21世纪中国科技的发展是绝对乐观的。”当时我十分不以为然，因为中国有太多的问题，腐败，专制，贫富差距，世风日下……所以，杨先生，您是不是老糊涂了？不错，当时我倾向于崩溃论，对中国的前途十分悲观。后来随着眼界的扩大，越来越发现杨振宁讲的是完全正确的。虽然他这些道理看起来无比的质朴，简直是土得掉渣，但实际上是“重剑无锋，大巧不工”。科学大师关于科学发展的眼光确实比我们高得多，不服不行。你说中国没人才，耐心培养不就是了？以中国人的天分，说不定一搞就搞出个国际领导者来。科学最大的魅力之一，就是一切皆有可能。（来，再干了这碗鸡汤！）
    在这里我要讲一个故事。美国物理学家拉比（1898-1988）年轻的时候去欧洲留学，发现美国的物理杂志《物理评论》是被一年一次用船运过去的，说明在欧洲科学界看来美国的物理学根本不值得重视。拉比暗下决心振兴美国物理学，回国后担任了《物理评论》的主编，如今这本杂志是世界物理学界最著名的期刊之一，美国的物理学是世界上最先进的。美国化学家鲍林（1901-1994）也是在去欧洲留学之后，把美国的化学提升到了世界最先进水平。
    如果当时有“冷静党”跳出来说美国人不行，永远赶不上欧洲，也能找到无数的证据。而这样的“冷静党”在中国一抓一大把，正如@吏部尚书吉哈克 所说：“中国人的意识已经跟不上中国的发展了。国家顶尖的科研人员已经搞的是人类科学中顶尖的那些东西了，而民众甚至人大委员却还在迷恋日本的马桶圈和电饭煲……脚用30年走了人家300年的路，脑子却留在了30年前……”
    你愿意向顶尖的科研人员看齐吗？中国最大的魅力之一，就是一切皆有可能。