如思想般自由迅捷

( 安东·齐林格（左）和德国医学博士约尔格·米凯利斯（Joerg Michaelis） )

“假如我这笨拙的身体是思想，不作美的距离就不能阻止我，因为我就会从那迢迢的远方，无论多隔绝，被带到你的寓所。那么，纵使我的腿站在离你最远的天涯，对我有什么妨碍？空灵的思想无论想到达哪里，它立刻可以飞跃崇山和大海。”

莎士比亚在这首诗中生动描述了一个人渴望马上见到情人，却又被千山万水阻隔，渴望自己能够瞬间到达情人身边的心情。在莎士比亚生活的时代，交通不便，诗人只能幻想身体能像自己的思想一样随时到达远方。

即使是在现代，有了火车、飞机，交通和通讯也同样是一个大问题。身体如同思想一般轻盈和自由，大多也只能存在于科幻作品的描述中，其中最著名的大概就是《星际迷航》（Star Trek）系列电影中对于“传送器”的描述：一个人只要站在这种神奇的机器上，启动机器，他就会从机器上消失，而被“传送”到任何地方去。

这种神奇的“传送”技术，目前也只能在科幻作品中出现。因为狭义相对论限制了粒子运动的最大速度是光速，在宇宙中旅行不可能超过光的速度，因此也就无法做到“实时”传送。同时，一个人在以接近光速运动时，根据狭义相对论，他的相对质量会增加到接近无限，那么也就需要近乎无限的能量来推动，这也是无法达到的，因此人类只能在相对低速的环境中生活。

那么，如果我们先不去考虑人的思想、感情和“灵魂”，是否可以用一种技术把一个人身体的每一个粒子，包括每一个粒子的所有状态都记录下来，然后在另外一个地方，根据记录，再通过其他的粒子组装起来呢？这样，也等于把人“传送”到了另一个地方。就如同拿着一个建筑物的工程图纸，就可以在另一个地方修建一座同样的建筑物，这种方法在理论上是否可行？人与建筑物不同，构成建筑物结构的基本元素，比如砖瓦、钢筋等等，都属于宏观物体，宏观物体的性质和排列可以通过记录复制下来，而人则复杂得多。且不说每个人都大约由1029个基本粒子构成，要记录下它们的性质和排列方式几乎是一件不可能的事情，同时，组成人的基本粒子都属于微观粒子，在微观领域粒子的行为方式由量子力学支配。此时，因为受到“测不准原理”的制约，人们无法准确地记录（测量）一个微观粒子的各种状态——测量越精确，受到的干扰也就越大。比如说，如果要精确测量一个粒子的动量，我们就无法得到它精确的位置，反过来也是一样。

( 查尔斯·班尼特 )

受到这种条件的制约，即使是在理论上，我们也无法把一个人“传送”到另一个地方去。但是，在这个领域的理论研究并没有中断。1993年，由来自IBM纽约实验室的查尔斯·班尼特（Charles H.Bennett）领导的一组科学家在《物理评论快报》（Physics Review Letters）杂志上发表了一篇里程碑式的论文——《通过双重经典和EPR通道传输未知量子态》（Teleporting an Unknown Quantum State Via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels）。在这篇论文中，作者论述了“量子传输”（Quantum Teleportation）的基本原理：虽然受到测不准原理的制约，我们无法准确地测量一个基本粒子的所有状态，但是我们可以通过一种经典与量子力学手段相结合的方式，把一个基本粒子完整的量子态传输（Teleport）到另外任意一个地点，而无需经过这两个地点之间的空间。班尼特的这篇论文标志着实现“量子传输”在理论上的可能性，从而使得量子加密（Quantum Cryptography）、量子信息处理、量子网络、量子计算机等应用也都成为可能。量子态与人们日常所熟悉的通信方式中只有0和1两种信号不同，一个微观粒子可以处于一种、多种状态并存的叠加态（Superposition），如果我们可以远程传输量子的叠加态，那么在理论上，以此原理工作的计算机处理速度将大幅提高。

一个原本只存在于科幻领域的概念成为了物理学研究的热门领域，通过量子传输，在理论上一个量子态可以被传递到宇宙中任何一个地方，这其中最关键的就在于“量子纠缠”（Quantum Entanglement）。量子纠缠是一种只有在微观领域才会出现的奇特现象，直到现在，人们也无法完全理解量子纠缠的本质。因为与相对论相抵触，爱因斯坦一生都不相信量子力学的完备性，他更不喜欢量子纠缠的概念，对之描述为“幽灵般的超距作用”。尽管至今人们对于量子纠缠仍然有各种各样不同的解释，但是它的存在和性质已经被各种实验所证实。当两个粒子处于纠缠状态时，它们之间就构成一个系统，从而无论分隔多远，处在宇宙任何地方，两个粒子的量子态都会相互联系。因为爱因斯坦、波多斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）曾经在一篇著名的论文中对此进行讨论，这种状态也常被称为EPR态（三个人名字的首字母）。

研究量子传输的科学家们习惯命名进行量子传输实验的两个人为爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob），这两个人处于两个隔绝的实验室中，希望把一个粒子（通常为单个光子）的量子态从一个实验室完全传送到另一个实验室去。根据班尼特的论文，他们可以利用经典方式来传递这个粒子的一部分状态信息，而通过一对处于纠缠态的光子来传输这个粒子其他部分的量子态。这样，一个粒子的全部量子态就通过一种不经过空间传输的方式被完全传送到了另一个地方（而之前被传送的量子态也被摧毁），同时，因为这种方式利用了纠缠态的“超距”作用，无法被干扰或窃听，这也就可以成为量子加密技术的基础。

不仅是在理论中，科学家们早就开始了量子传输的实验，在这方面，中国科学家一直处于世界领先地位。从20世纪90年代起，科学家们就一直试图通过量子纠缠来传输粒子的量子态，从光子的偏振到原子核的自旋都曾经是量子传输实验的对象。这种实验的难度非常高，因为“量子纠缠”是一种很短暂并且极容易被打扰的状态，周围环境，包括空气波动的干扰很容易使粒子解除纠缠状态，因此一开始只能在很小的距离上进行实验。1997年，科学家们通过一对相互纠缠的光子进行了50厘米的量子传输，之后量子传输的世界纪录不断被打破。2004年8月，科学家们通过光纤进行了600米远的量子传输；2012年8月，中国科学家实现了跨越整个青海湖的长达97公里的量子传输，创造了新的世界纪录。之后过了仅仅几天，一组来自奥地利、加拿大、德国和挪威的科学家在欧洲航天局（ESA）的支持下，在加那利群岛（Canary Islands）上欧洲航天局的基站之间通过激光器和天文望远镜进行了量子传输实验，在实验中两个基站的时钟被同步到只有十亿分之三秒的误差，他们成功地进行了长达143公里的量子传输，创造了新的世界纪录，这个成果也在2012年9月被发表在《自然》（Nature）杂志上。

现在，进行量子传输实验的科学家们把目标都转向了天空。刚刚创造了新的世界纪录的奥地利科学家安东·齐林格（Anton Zeilinger）表示，在地球上进行了远距离的量子传输实验后，下一步他打算在距离地面约1500公里的地球轨道空间站进行实验，这个计划也许需要花费数千万美元，用10年时间来进行准备。虽然现在吸引了很多人的关注，量子传输领域的实验还只算得上是刚刚起步并且困难重重，量子计算机和量子网络离实际应用还很遥远，不过，正是通过这种方式，科学家们正在一步步地开拓着一个更加自由和迅捷的未来。（文 / 苗千） 通信量子通讯量子传输科学科普量子态自由思想量子量子纠缠量子力学迅捷