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我国量子态隐形传输获突破 超时空穿越或成真

2010/06/05 08:04    来源：北京日报   

本文导读：日前，由中国科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破，可能使这种以往只能出现在科幻电影中的“超时空穿越”神奇场景变为现实。

新华社合肥6月4日电(记者熊润频)存放着机密文件的保险箱被放入一个特殊装置之后，可以突然消失，并且同一瞬间出现在相距遥远的另一个特定装置中，被人方便地取出。记者从中国科学技术大学获悉，日前，由中国科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破，可能使这种以往只能出现在科幻电影中的“超时空穿越”神奇场景变为现实。

据联合小组研究成员彭承志教授介绍，作为未来量子通信网络的核心要素，量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息，而是量子态携带的量子信息。

“在经典状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。”彭承志说。

据介绍，量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。

2004年，中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。

据悉，该小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始，中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。

据悉，该成果已经发表在6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》上，并引起了国际学术界的广泛关注。

相关新闻：我科学家首次实现复合系统量子态隐形传输

科技日报 2006年10月11日 报道

中国科学技术大学新闻中心今天宣布，曾被评为中国十大科技新闻人物的该校潘建伟教授和他的同事杨涛、张强等通过实验，在国际上首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输。最新出版的英国《自然》杂志在其子刊《自然?物理》10月号以封面文章发表了这一研究成果。

由于未知量子态不能被精确克隆，传输未知量子态只能通过传输物质粒子加以实现，而传输过程中的损耗和干扰却使得量子信息的传输极其困难。但量子态隐形传输借助量子纠缠可以巧妙解决这一问题，并在远距离量子通信中起核心作用。1997年，由潘建伟及其奥地利同事首次完成的单光子量子态隐形传输，被公认为量子信息发展的一个里程碑。和单个量子态相比所具有的复杂性，实现复合系统量子态隐形传输在技术上面临着巨大的挑战。

潘建伟领导的中国科大课题组，同德国、奥地利等国的同事合作，对这一世界性难题进行了近10年的研究。他们首先对飞秒脉冲激光器进行改造，将其输出功率提高了一倍以上，并通过巧妙的设计解决了倍频晶体容易损伤的问题，这样就可以在实验上同时操纵三对超高亮度的纠缠光子对。其中的一对光子可以制备成待传输的各种两光子复合系统，另外两对纠缠光子构成并行的量子通道，分别用来隐形传输复合系统中两个光子的量子态。实验结果表明，不仅两个光子的量子态能被精确传输，两光子系统中的各种关联关系也能被精确传输。该实验不仅在国际上首次成功实现了复合系统量子态的隐形传输，而且第一次成功实现了六光子纠缠态的操纵。

《自然》杂志对该项工作的专门报道中，称赞潘建伟等人的实验成果是“在大尺度量子通信研究中取得的长足进展”。（记者 陈敬农）

相关新闻：美科学家首次实现原子和光子间量子态隐形传输

新华网 2005年12月08日 报道

新华网伦敦１２月８日电（记者曹丽君）美国的两个研究小组最近分别利用类似的方法，实现了原子和光子之间的量子态隐形传输，此项关键的技术突破将为建造“坚不可摧”的全球通信网络和运算速度惊人的量子计算机奠定基础。两个小组的研究报告同时登载在８日出版的最新一期《自然》杂志上。

所谓量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。１９９３年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案：将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。去年６月，美国和奥地利的科学家曾实现了原子间的量子态隐形传输。

此次，美国哈佛大学和佐治亚技术研究所的科学家对更复杂的原子和光子间量子态隐形传输进行了尝试，并获得了成功。研究中，他们分别利用一束强激光轰击一团铷原子，生成了具备这团铷原子量子态的单个光子。随后，科学家将该光子传送过１００米长的光缆，又生成了携带同样量子态的另一团铷原子，实现了原子与光子间的量子态隐形传输。哈佛大学的研究人员指出，实验中最复杂的任务是将单个光子从激光中分离出来，他们利用了晶体，根据光子的极性、反射率和吸收率实现了这一点。

量子计算机是遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的装置，其基本信息单位是量子比特。目前，携带量子比特的光子在光缆中传播几十公里后就会衰竭，无法进行长距离传送。哈佛大学的研究人员说，此项新技术可以完成量子比特的连续存储，实现光子的再传输，因此有助于建立长距离的光量子通信，同时还将有效保护网络的私密。（完）

相关新闻：物理学家首次实现原子间的量子态隐形传输

新华网 2004-06-18 报道

新华网伦敦６月１７日电（记者曹丽君）美国和奥地利的物理学家在１７日出版的英国《自然》杂志上分别报告说，他们首次在没有任何物理连接的情况下，实现了原子间的量子态隐形传输。这一重大科学突破将为研制量子计算机奠定基础。

所谓量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。１９９３年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案：将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。

美国国家标准与技术研究所的科学家说，他们利用激光技术，对三个带有正电荷的铍原子的量子态进行操作。首先，他们利用量子纠缠技术使其中两个原子的量子态完全一致。接着，他们准确地测量了这两个原子的量子态，然后通过激光将它们的量子态复制到８微米外的另一个原子上。整个过程由计算机控制，仅耗时４毫秒，传输成功率达到７８％。

奥地利因斯布鲁克大学的科学家领导的另一个研究小组采用钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为７５％。基本原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个原子。两项实验在具体方法上有所不同，奥地利小组使两个原子距离相对较远，以便用激光单独地改变一个原子的状态；美国小组则将原子冷却以保持操作的可靠性。

量子计算机是遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的装置。其基本信息单位是量子比特，但现有技术还不能使量子比特快速移动。美国国家标准与技术研究所在一份声明中说：“利用我们报告的这种隐形传输技术，可以提升量子比特的移动速度，加快逻辑运算的速度。”另外，量子态隐形传输所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程，新突破将为实现数据的快速储存、处理和回收奠定基础。

中国科学技术大学量子信息实验室主任郭光灿教授对新华社记者说，上述成果是在量子信息理论框架指引下往前走的一步，证实了量子信息的有关理论预言和该领域的潜在能力。以前科学家曾经成功地对光子进行量子态隐形传输，而光子主要用于量子通信，原子在量子计算中更有潜力。他说，实现原子间量子态隐形传输将有助于研制量子计算机，不过还不能从根本上解决量子计算研究面临的问题。（完）