当时的困境
想把一个量子态送到远处,最自然的办法有两条,而量子力学把两条都堵死了。
第一条是复制:把它抄一份寄过去。1982 年伍特斯与祖雷克证明了不可克隆定理——不存在任何操作能在保留原件的同时复制一个未知的量子态。证明只用了量子力学的线性:若复制机对两个基态都成立,那么对它们的叠加态,它给出的结果与「复制叠加态」应有的结果不一致。
第二条是测量:把它测出来,再把参数用电话告诉对方,让对方重新制备一个。可一次测量只能给出一个结果,而一个未知的量子态含有连续多的信息——测一次得到的那点数据远远不够,而测完之后态已经塌缩,没有第二次机会。
于是结论看起来很硬:未知的量子态既不能抄,也不能读。它似乎注定被困在原地。
洞见时刻
1993 年,贝内特与五位合作者指出了第三条路,办法是把「信息」拆成两半走。
设甲要把一个未知态送给乙。第一步,两人先共享一对纠缠粒子,一人一个。第二步,甲把待传的粒子与自己手上那半纠缠粒子做一次联合测量——注意,不是分别测量,而是把两者作为一个整体投影到四个「贝尔态」之一。这次测量不告诉甲那个未知态是什么,只给出四选一的两比特结果;与此同时,乙手上那个粒子瞬间变成了原来那个态经过四种变换之一后的样子。第三步,甲把这两比特用普通信道发给乙,乙照着做对应的逆操作,手上的粒子就变成了原件。
三件事同时成立,这才自洽:原件在联合测量中被摧毁(所以没有违反不可克隆);必须发送经典信息(所以没有超光速);没有任何人需要知道那个态是什么(所以未知态也能传)。
1997 年,因斯布鲁克的蔡林格小组把它做了出来,传的是单个光子的偏振态。论文的第二作者是他当时的博士生潘建伟。同一年,罗马的德马尔蒂尼小组也用另一种方案实现了传态。
第二年,同一批人做了更进一步的事:纠缠交换。两对分别纠缠的光子,各取一个送到中间站做联合测量,剩下的两个光子——它们从来没有相互作用过——立刻纠缠起来。这等于把隐形传态用在「纠缠」本身上。
涟漪效应
名字带来了持久的误会:它搬运的是量子态,不是物质,也不是能量;原件必须销毁;还得配一通普通电话。它和科幻片里那种「把人拆了在别处装回来」的传送没有关系。
真正的用处在网络。光纤里的光子会被吸收,平均每十公里就丢掉一半,而经典中继器的做法——放大信号——本质上是复制,量子态不允许。纠缠交换给出了替代方案:把长链路切成若干短段,各段先建立纠缠,再一段段交换过去,最终让两端直接共享纠缠。这就是量子中继器的原理,也是量子网络唯一已知的可行路线。
实验尺度随后一路放大:2012 年在加那利群岛两岛之间实现了 143 公里的自由空间隐形传态;2016 年中国的「墨子号」卫星升空,次年在相距 1200 公里的两个地面站之间分发纠缠;2017 年 9 月,中奥两个团队用这颗卫星在北京与维也纳之间做了一次量子加密的洲际视频通话——一端是潘建伟,另一端是他当年的导师蔡林格。
在量子计算这边,隐形传态同样是基础件:分布式量子计算要把量子比特在芯片之间搬来搬去,靠的就是它;某些容错方案里,逻辑门本身就是用传态实现的。
如果没有它
不可克隆定理常被当成一条坏消息——它禁止复制,所以量子信息不能像经典信息那样随手备份和放大。
隐形传态是这条禁令的另一面:不能复制,但可以转移。有了它,量子信息才第一次具备「能被送到别处」这个最起码的性质,量子网络、量子中继、分布式量子计算才谈得上存在。
顺带地,它把不可克隆定理从限制变成了资产:正因为量子态无法被偷偷复制,任何窃听都会留下痕迹,量子密钥分发的安全性正建立在这一点上。