"瞬间移动"并非不可能 量子隔空传递技术靠谱吗?

出品|网易科学人栏目组

译者|止水

图注：电影《星际迷航》中，三名船员从太空船上“瞬间移动”到了其它地方。如果量子信息能成功地从行星“瞬移”到太空船的话，那么下一步能否将人类也“瞬移”走？

无论是在科幻小说中，还是在神学领域里，有关“瞬间移动”的概念已经流传了上千年了。虽然《星际迷航》系列电影的大火，也顺带着将“瞬间移动”的概念带入到了主流观众的视线下，让它变得无人不知无人不晓，但它其实早就已经在莎士比亚的《暴风雨》里，在《一千零一夜》中的阿拉丁故事中，甚至在犹太教《塔木德经》（Jewish Talmud）里就已经出现过了。然而，现代科学也未能实现将这一“科幻梦想”变成“科学现实”，这是因为量子力学在科学家们的面前放置了一些令人难以逾越的障碍。但即便如此，对于那些单个粒子来说，量子隔空传输（quantum teleportation）却是一个非常真实的物理现象。日前，人类有史以来第一次实现将一个粒子从地球“隔空传送”到了太空中的一颗卫星中。这样说来，人类的“瞬移移动”有可能实现吗？下面，我们来看看科学是如何来解答这一问题的。

图注：在一个预设的系统中放置一对纠缠粒子，并将它们隔开很长一段距离，我们可以通过测量一个粒子的量子态来瞬间传输另一个粒子的量子态信息，即便它俩之间隔着一段非常远的距离。

首先，让我们一起来设想一个没有量子力学的世界，它的运行方式要相对的简单粗暴：

・你知道组成一件东西的所有粒子的位置、粒子与粒子间的联系、粒子与粒子间的交互，以及它们的固有运动方式。

・你将这个东西打碎，将它分解成为组成这个东西的一个个独立的粒子。

・然后，你既可以将所有的这些粒子带走，将它们转移至你的目的地，也可以从目的地那儿将这些完全一样、无法区分的粒子 转移到其它地方，准备重组。

・当你具备了这些粒子所有完整的信息，你就可以将这些粒子重新组装起来，用类似“复制黏贴”那样的方式造出一个和“本尊”一模一样的新东西。

然而不幸的是，我们的世界受到量子力学法则的制约，这让这一操作在现实生活中，变得要复杂得多。

图注：海森堡测不准原理的示意图

我们的宇宙受到一些非常重要、非常基础的规则的支配，其中一条就是不确定性原理，即任何一个粒子的位置和动量不可同时被确定。你对粒子的位置或是动量测量得越精准，你对另一个参数知道得就越模糊。

这一法则也被称之为“海森堡测不准原理”，我们不可能同时得知一个粒子的位置和动量信息，更不用提要一次测得所有粒子的位置和动量信息了。如果没有这些信息的话，我们就不可能知道一个粒子的量子态，这样看来，要将人进行“瞬移”似乎是不可实现的。

图注：如何两个粒子纠缠到了一起的话，那么他们就存在一个互补波函数的性质，衡量一个粒子的量子态，就能知道另一个粒子的量子态。

然而，这也正是“量子隔空传输”（quantum teleportation）发挥作用的地方。量子隔空传输是一个真实存在的物理现象，但它本身实际上并不会传输或是瞬移任何粒子，它们真正所能传输的其实是不确定量子态的固有信息，而这也正是我们需要传输过去的东西。

这一过程是通过一对纠缠粒子（entangled particles）来实现的。举个例子，当我们有一对纠缠粒子的时候，将其中一个粒子送到我们的目标位置，我们就可以通过量子隔空传输的机制，将你所在位置的量子态信息传输到目标位置，这一过程甚至可以在完全不知道，或是完全无法决定你所在位置的量子态信息的情况下进行。

1993年，查尔斯・贝内特(Charles Bennett)、吉尔斯・布拉沙德(Gilles Brassard)和克洛德・克雷波(Claude Crépeau)等人在他们联合撰写的论文里，发表了这一新发现。

图注：号称比光速还快的量子隔空传输（错误的）。事实上，没有什么信息交换得能比光速还快。

在过去的20多年里，量子隔空传输现象虽然已经被科学界所熟知，并在许多不同的环境下，得到了实验的验证，然而它的应用目前却依然很局限：

・它只适用于一对粒子；

・物质无法实现隔空传输；

・光量子的交换需用从源位置传输至目标位置；

・要实现在不丢失信号的情况下，去完成量子隔空传输受到传输距离的限制。

图注：当我们想知道操作者那儿的粒子状态的时候，即便利用量子纠缠性质，我们所得到的结果也未必会比瞎猜强。然而，我们还是可以将一个不确定的量子态传输到一个目标位置，但是即便你知道源位置的答案，目标位置处的量子态仍是无法确定。

此前，传输距离的限制意味着你最远只能在几千米的范围内实现量子隔空传输。然而实际上，我们将信息从一个未知量子态传输至另一个位置的能力，要远比我们自己所想象的要大得多。

但传输距离仍是受限的，以致于我们过去无法保证说信息能被传输至一艘太空船。而这也是为什么我们说这次“将一个粒子从地球隔空传送到了太空中的一颗卫星中”的这一新突破是如此的重要。

通过建立一个从地球到一颗太空卫星的通道连接，大多数的量子隔空传输都是通过一个空荡荡的空间实现的，所以它几乎不会出现信号丢失的情况。就如这份新刊登出来的论文所描述的那样：

“我们通过一个连接通道，首次实现将一个单独光量子的量子位从地面天文台传输至了一颗地球低空轨道卫星上，实现了长达1400千米的量子隔空传输。”

图注：GPS卫星在我们的日常生活中已经变得不可或缺了，无论是地图导航还是玩《口袋妖怪Go》。将量子隔空传输技术融入到我们的卫星网络，我们就可以开发出第一套量子全球通信网络。

当我们具备了足够数量的光量子，我们就没有理由不去相信我们能将藏在量子态的终极宏观组合――活生生的一个人――里面的信息进行编码，然后传输出去。然而不幸的是，具备了能编译出一个人类的信息和从一堆原始粒子材料中将一个活人构建出来，完全是两码事。

以我们目前的科技水平来说，我们要将活人用量子态构建出来是完全不可能实现的。知道一个人的信息状态――包括组成他的所有粒子的信息――是一回事儿，但要重组这个人完全就是另外一码事儿了。

图注：在电影《星际迷航》里，一名船员在“瞬移”中途被抓住了。

如果我们足够幸运的话，借助量子隔空传递技术，一个被传输来的单独粒子的身上可以携带足够的信息，它能告诉你，你想要知道的某个人身上的一个粒子的信息。然而，这一情况如果放大了再去看的话，就会变得非常复杂：

“人脑当中大约有1000亿个神经元，它们之间存在着100万亿个联系。这就意味着我们需要考虑大约2100,000,000,000,000个可能存在的量子态组合，这一数字甚至要超过我们已知宇宙中所有粒子的总数。”

图注：IBM的四量子位电路，它可以突破计算能力的极限，让我们的计算机强大到能仿真整个宇宙。

“将一个粒子从地球隔空传送到了太空中的一颗卫星中”的这一新突破，或许具有很高的应用前景，它或许能使量子计算机的研发取得革命性的突破，并将我们的计算能力提升到一个前所未有的新高度。

但如果要把人“瞬移”到其它地方，我们所需要提供的条件可不只是要把一个人的信息编写进量子态那么简单。

如果说我们只需要一定数量的能组成人的“粒子”的话，那么编写人的“信息”的问题或许是可以解决的。然而，要从“理论的草图”里把人给造出来――更不用说目标位置的那个“人造人”是否和源位置处的“本尊”是同一个人――完全就是另一个问题了。

如果我们能提出这个问题的解决方法，那“人类瞬移”才有可能从科幻小说的领域里挣脱出来，成为现实。（止水）