量子態(tài)隱形傳輸

　　發(fā)展

　　1997年奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，2004年該小組利用多瑙河底光纖信道，成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。

　　2004年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、彭承志等研究人員開(kāi)始探索在自由空間信道中實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。該小組2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子對(duì)的可行性。

　　2007年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)-清華大學(xué)聯(lián)合研究小組開(kāi)始在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，證實(shí)了量子隱形傳態(tài)過(guò)程穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)鑒定了可靠基礎(chǔ)。除此之外，聯(lián)合小組還在該研究平臺(tái)上針對(duì)未來(lái)空間量子通信需求開(kāi)展了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)等多個(gè)方向的研究，取得了豐富的成果。

　　2012年8月，中國(guó)科學(xué)家潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將能達(dá)到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳輸問(wèn)題。

　　2012年9月，維也納大學(xué)和奧地利科學(xué)院的物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳態(tài)最遠(yuǎn)距離——143公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

　　最新成果

　　據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，歐洲空間局位于加那利群島的光學(xué)觀測(cè)站創(chuàng)造了一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了跨越143公里的量子態(tài)隱形傳輸。來(lái)自?shī)W地利、加拿大、德國(guó)以及挪威的研究人員將一個(gè)光子的物理特性通過(guò)量子態(tài)隱形傳輸發(fā)送往另一處的一個(gè)粒子，實(shí)現(xiàn)了位于拉帕爾馬卡普坦望遠(yuǎn)鏡與歐洲空間局特內(nèi)里費(fèi)島光學(xué)觀測(cè)站之間143公里的“隱形傳輸”。

　　歐洲空間局兩處相距143公里的觀測(cè)站之間實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。

　　本項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在最新的《自然》雜志上，科學(xué)家認(rèn)為一旦兩個(gè)粒子之間發(fā)生糾纏，那么它們之間似乎就建立起了某種聯(lián)系，無(wú)論兩個(gè)粒子距離多么遙遠(yuǎn)，其中一個(gè)粒子狀態(tài)的改變也會(huì)引起另一個(gè)粒子的變化，而這之間并沒(méi)有任何物理信號(hào)的傳遞。愛(ài)因斯坦對(duì)量子糾纏的現(xiàn)象也感到困惑，被喻為幽靈般的超距離作用，科學(xué)家希望通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子通信。

　　根據(jù)歐洲空間局負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的研究人員埃里克·威爾（Eric Wille）介紹：“這是一次成功的遠(yuǎn)距離量子通信，第一次在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸，該項(xiàng)目的挑戰(zhàn)在于兩個(gè)光子之間的距離達(dá)到了143公里，盡管距離遙遠(yuǎn)以及在大氣擾動(dòng)的情況下，兩個(gè)光子之間仍然可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳輸。”

　　在進(jìn)行涉及量子糾纏的低信噪比實(shí)驗(yàn)中，需要非常小心，需要安裝超低噪音的光子探測(cè)器，以及一個(gè)單獨(dú)進(jìn)程的量子糾纏被用于維持兩個(gè)測(cè)試站的時(shí)鐘同步，控制在三十億分之一秒之內(nèi)。這些實(shí)驗(yàn)條件有助于確保探測(cè)到光子，最好的GPS信號(hào)能夠控制在一百億分之一秒內(nèi)。即使有了這樣的測(cè)試精度，該團(tuán)隊(duì)由于惡劣的天氣被迫將該實(shí)驗(yàn)推遲了一年，而在2011年的實(shí)驗(yàn)卻以失敗告終。

　　兩處歐洲空間局的觀測(cè)站位于2400米海拔之上，不得不面對(duì)一些惡劣的氣象條件，比如大雨、霧、大風(fēng)或者大雪天氣，甚至是沙塵暴，但是實(shí)驗(yàn)終于在五月份開(kāi)始進(jìn)行，并最終創(chuàng)造了量子態(tài)隱形傳輸?shù)男掠涗?。根?jù)奧地利科學(xué)家博士魯珀特·烏爾辛（Rupert Ursin）介紹：“我們下一步將會(huì)在地面觀測(cè)站與地球軌道衛(wèi)星之間建立一次量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)量子通信的可能性。”

　　2012年12月10日英國(guó)《每日郵報(bào)》消息，加拿大Hyperstealth生物科技公司研發(fā)出一種先進(jìn)的偽裝布料。這種偽裝布料被稱之為“量子隱形”(Quantum Stealth)，能夠彎曲周圍的光波，進(jìn)而達(dá)到隱形效果。

　　“量子隱形”(Quantum Stealth)

　　它是一種輕型材料，造價(jià)也不高，可廣泛用于各類電器及建筑裝飾中，可以將其包裹在各類材質(zhì)的表面將其達(dá)到隱身的效果。

　　隱形傳輸

　　中國(guó)實(shí)現(xiàn)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸

　　量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層證實(shí)為全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

　　由中國(guó)科大和清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，16公里的傳輸距離比原世界紀(jì)錄提高了20多倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次證實(shí)了在自由空間進(jìn)行遠(yuǎn)距離量子態(tài)隱形傳輸?shù)目尚行?為全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)最終實(shí)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。

　　據(jù)聯(lián)合小組研究成員彭承志教授介紹，量子態(tài)隱形傳輸是一種全新通信方式,它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息,是未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。利用量子糾纏技術(shù),需要傳輸?shù)牧孔討B(tài)如同科幻小說(shuō)中描繪的“超時(shí)空穿越”，在一個(gè)地方神秘消失,不需要任何載體的攜帶,又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現(xiàn)。這一奇特的現(xiàn)象引起了學(xué)術(shù)界廣泛興趣。2004年，這個(gè)小組利用多瑙河底的光纖信道,成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾,量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以大幅度提高。

　　2004年，中國(guó)科大潘建偉、彭承志等研究人員開(kāi)始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。在自由空間,環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小,而光子一旦穿透大氣層進(jìn)入外層空間,其損耗更是接近于零,這使得自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。這個(gè)小組2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄,同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開(kāi)始，中國(guó)科大——清華大學(xué)聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來(lái)衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠基礎(chǔ)。

　　聯(lián)合小組在自由空間量子通信領(lǐng)域的一系列工作,得到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等支持,并引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,出版的英國(guó)《自然》雜志子刊《自然·光子學(xué)》以封面論文形式發(fā)表了這一研究成果。英國(guó)的《新科學(xué)家》、美國(guó)的《今日物理》、美國(guó)物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站均及時(shí)報(bào)道了這個(gè)研究成果。

　　穿大氣層

　　1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證；2004 年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。

　　2004年開(kāi)始，潘建偉、彭承志等研究人員開(kāi)始探索在自由空間信道中實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通 信。在自由空間信道中，光子傳輸幾乎不存在退相干效應(yīng)，而一旦穿透大氣層進(jìn)入到外層空間，光子的損耗更是接近于零，這使得自由空間信道相比光纖信道在大尺 度上具有特別的優(yōu)勢(shì)。該小組于2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子對(duì)的可行性。2007年開(kāi)始，中國(guó)科大-清華大學(xué)聯(lián)合研究小組開(kāi)始在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終 在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，證實(shí)了量子隱形傳態(tài)過(guò)程穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星量子中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠 基礎(chǔ)。

　　彭承志告訴記者，量子糾纏做為量子信息科學(xué)的核心資源，是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，基于量子糾纏的量子態(tài)隱形傳輸是量子計(jì)算和量子中繼中的基本過(guò)程，而16公里這個(gè)距離能夠等效大氣的有效厚度，對(duì)于未來(lái)實(shí)用化全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的建立具有十分重要的 意義。這樣的自由空間量子通信的前景就是，未來(lái)發(fā)射衛(wèi)星上天，利用衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全球化量子通信。

　　中國(guó)科學(xué)家在自由空間量子通信方向上的一系列工作引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。英國(guó)的《新科學(xué)家》(New Scientist)、美國(guó)的《今日物理》(Physics Today)、真實(shí)世界等多家學(xué)術(shù)新聞媒體均對(duì)這些工作進(jìn)行了報(bào)道。