迷你《星际迷航》：中科大实现单光子高维量子态“瞬间传输”

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《星际迷航》式的“瞬间传输”虽然只停留在科幻作品中，但量子信息学家们对于“瞬间传输”一个粒子的量子态已经有了经验。

这种被称作“量子隐形传态”（quantum teleportation）的技术，本质上是不改变一个粒子（如一个光子）位置的情况下，把其上的特定信息在遥远的另一个粒子上重建起来，中间无需具体的传送物质，就像是魔术里面的“大变活人”。

只不过，过去科学家们只做到了二维量子态的隐形传态，近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组在《物理评论快报》（PRL）上报告了最新进展：利用6光子系统，他们对单光子的三维量子态实时了高效的隐形传送。

郭光灿团队认为，高维量子隐形传态相比起二维系统具有信道容量更高、安全性更高等优点。相关技术可用于其他高维量子信息研究，为构建高效的高维量子网络打下坚实基础。

量子隐形传态

量子隐形传态需要基于一种量子世界里的奇妙现象实现，那就是“量子纠缠”。

处于纠缠态的两个微观粒子不论相距多远都存在一种关联，其中一个粒子状态发生改变（比如人们对其进行观测），另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。比方说，如果一个光子的偏振态是“向上”的，那么另一个光子的偏振态必然是“向下”的。

制备出这样一对纠缠起来的光子，科学家们就可以进一步开展“大变光子”的演示。

我们假设小红想把手上1号光子的量子态传给小明。那么，科学家就制备出一对纠缠起来的2号光子和3号光子，通过光纤传输、或是通过卫星分别发给小红和小明。接着，小红对1号光子和2号光子进行一种特定的操作，称为“贝尔态测量”（BSM）。根据量子的一些基本特性，1号光子和2号光子经过测量之后，他们的量子态会改变，与2号光子处于纠缠态的3号光子也会发生相应变化。在得到某一个测量结果时，小明手上的3号光子恰好会变到1号光子最初的状态，隐形传态就此完成。

1993年，IBM的查尔斯·本内特（Charles H. Bennett）和其他5位科学家一起提出了这个奇妙的构想，后来在1997年由奥地利因斯布鲁克大学的蔡林格（Anton Zeilinger）团队首次实现了单光子自旋态的传输。

2017年，“墨子号”量子通信实验卫星宣布实现了卫星和地面站之前遥远的星地量子隐形传态。

从二维到多维

不过，此前实验通常传输的是光子的偏振态这个量。偏振态是一个二维态，可以在二维空间中由两个本征矢量描述。

但郭光灿团队认为，光子自然存在其他一些多维态，例如轨道角动量、时间模式、频率模式和空间模式等，多维系统在量子世界里更为普遍。因此，要完全远程重建单光子的量子态，需要进行多维态的隐形传送。

论文指出，传送高维量子态主要存在两大挑战。一是要产生高质量的高维纠缠态，这是量子隐形传态的基础。

为此，李传锋、柳必恒等人从2016年开始就采用光子的路径自由度编码，解决路径比特相干性问题，制备出高保真度的三维纠缠态。他们也解决路径维度扩展问题，实现了32维量子纠缠态，此外，他们实现了高维量子纠缠态在11公里光纤中的有效传输。

二就是要对光子实施高维贝尔态测量。理论研究表明，在线性光学体系中，必须采用辅助粒子才能实现高维量子隐形传态。

在量子隐形传态原本的模型里只有三个光子，郭光灿团队发现，利用⌈ log2(d )⌉ -1个辅助纠缠光子对，就可高效实现d维量子隐形传态。也就是说，传输3维量子态，需要1对辅助纠缠光子。

在这里，小红想要把1号光子的三个空间模式量子态传给小明，除了双方各自得到纠缠起来的2号光子和3号光子以外，小红还要在辅助纠缠光子对4号和5号的帮助下进行高维贝尔态测量，把测量结果通过传统信道（比如打电话）告知小明。最后，小明要根据小红的测量结果对手上的3号光子执行适当的操作，就能把它转变为1号光子的初始状态。

实验结果表明，量子隐形传态保真度达59.6%，以7个标准差超过了经典极限值1/3，证实了三维量子隐形传态过程的量子特性。