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研究种类：Quantum Computing, Teleportation
原文作者: Cornelius Schätz
创作者：Heyyawn@DAOrayaki.org
审核者：Wonder@DAOrayaki.org
原文: Teleportation — Why it is important for the future of communication
*译者注：Teleportation 在科幻作品中常译为“瞬间移动”。量子隐形传态（Quantum teleportation），又称量子遥传、量子隐形传输、 量子隐形传送 、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。本文将使用“远距传输”作为“teleportation”的翻译。
我们从科幻电影中了解到的远距传输（Teleportation）仍是一个不可能实现的目标。但该技术本身真实存在，并且是量子信息研究的重要部分。尽管它可能只在小范围内发挥作用，但它很快就会改变我们在网络中分享信息和交流的方式。
千里之行，始于足下。就像在 1900 年，Max Planck 提出，如果人们将能量视为离散的而不是连续的，那么黑体辐射问题就可以得到解决。他将其称为量子化的能量。这个简单的假设促进了一个科学领域的发展，但因为该假设与我们在日常生活中习惯的物理学知识相矛盾，所以它被认为是一种奇怪的看待现实的方式，但它至少适用于微观现实。量子物理是一个奇怪的物理模型，用来解释和预测微观粒子的行为。而微观粒子可以做出非常奇怪的事情。最著名的例子一定是双缝实验。该实验表明，量子粒子可以同时处于 2 种物理状态，并同时通过两个狭缝，最终在狭缝后面的屏幕上形成了一个干涉图样，这使得物理学家认为微观粒子的行为像波一样。把粒子想象成波很奇怪，不是吗？
量子粒子可以同时处于多种物理状态。
图片注释：在这个实验中，人们使用了一个电子枪。每个电子就像波一样同时通过两个狭缝，在后面的屏幕上形成了干涉图样。
纠缠
量子物理定律的另一个相当奇特的结果是所谓的纠缠。就在今年，诺贝尔奖颁发给了主要工作是基于纠缠性质的研究人员。你可以在我的文章《2022 年的诺贝尔物理学奖》[1]中读到。
一个纠缠粒子发生的变化会瞬间触发纠缠态伙伴粒子的行动。
两个粒子可以纠缠在一起。我们可以故意将它们置于纠缠状态。这意味着，这两个粒子现在彼此相连，并且是以一种非常特殊的方式连接。一个粒子的变化会影响另一个粒子的变化。最疯狂的是，这种影响是瞬间发生的。这意味着，如果粒子 A 发生了什么，那么粒子 B 将会立即“感受”到它，并对此作出反应。爱因斯坦并不喜欢这种情况，他也无法接受该情况成为物理现实。但这是为什么呢？
要回答这个问题，我们先来见见 Alice 和 Bob。这两个人喜欢参加量子和密码学的实验。Alice 有一个电子，Bob 有一个电子。他们的电子纠缠在一起，这意味着这些电子现在处于这种特殊的连接状态。现在 Alice 带着她的电子去火星探险了。在这期间，她和 Bob 都没有与那个量子比特进行互动。Alice 一到达火星，就向 Bob 发送一条信息，让他对该量子比特做一些事情。因为光速只有每秒 30 万公里，这条消息从火星传输到地球花费了 3 分钟。Bob 在收到信息的那一刻，就与他的电子进行了互动。而 Alice 的电子没有丝毫延迟地做出反应。仿佛他们之间的信息以大于光速的速度进行了传输。而这种信息传递与爱因斯坦的相对论相矛盾，相对论指出，没有什么能比光速更快。这让他觉得量子理论有些不对劲。但事实证明，纠缠的确存在，甚至在量子计算领域发挥着重要作用。但更重要的是：纠缠在远距传输中发挥了重要作用。
远距传输
那么，远距传输到底是如何工作的呢？
当我们从量子物理学的角度谈论远距传输时，我们的意思是，我们将包含在一个粒子的量子态中的信息从一个地方传输到另一个地方。
这听起来很复杂，我们让 Alice 和 Bob 再参与一个实验。
远距传输的基础是纠缠。
假设 Alice 有一个电子，并想把它传送给 Bob。但这并不是说电子瞬间穿过空间，跳到 Bob 等待的地方。Alice 是把构成她的电子的所有信息都传送给 Bob。这些信息包括电荷、质量和自旋等参数。Bob 需要一个中性电子作为一张白纸，这样他就可以把 Alice 电子的信息“打印”在上面。为了实现这一点，Bob 的电子需要与 Alice 的电子纠缠在一起。
Bob 通过所谓的经典信道从 Alice 那里接收信息。经典信道是量子物理学家描述我们现在使用的所有普通信息交流方式的术语。这包括你能想象到的任何东西，如电话线、无线电传输或一张纸上的 1 和 0 的序列。量子信道将是传输量子信息的一种方式。例如，这些信道用于超密集编码，这是另一种奇特的量子算法。但让我们回到 Alice 和 Bob。
所以 Alice 把她电子的所有信息，通过无线电波发送给 Bob。他收到 1 和 0 的序列，并将信息印在他的空白电子上。他用这种方法准确地重建了在另一端的 Alice 的电子。让我们看看如何将这个理论应用到人类身上。当然，这纯粹是基于理论，只是为了好玩。
图片注释：Alice 向 Bob 传输量子信息的过程的可视化量子电路图。
因此，为了能传输一个人，这个人身上的每一个粒子都必须与传输通道另一端的同类型的粒子纠缠在一起。然后每个粒子的量子态必须精确地编码为 1 和 0 的序列。那将是大量的数据。然后，在不损失任何一个比特的情况下，再将这些大量的数据传输到另一端。在那里，信息将被解码并印在纠缠的伙伴粒子上。因此，如果 Alice 要把自己传输到 Bob 所在的位置，那么她首先需要把她现在身体里存在的每一个粒子与 Bob 那边的粒子纠缠在一起。通过这个信息在 Bob 那边创造了另一个 Alice。现在你可能会问自己：原来的 Alice 怎么样了？她还在那里吗？
不可克隆原理
好吧，我想本节的标题已经回答了我们在上一节末尾提出的问题。让我们来看看背后的原理吧！首先，让我们回顾一下本文开头所提到的双缝实验。通过该实验，我们发现了电子可以同时通过两个狭缝，以及它们是如何处于量子状态的。但如果我们想看看它是如何同时通过两个狭缝的呢？
我们可以在有两条狭缝的墙后面安装一个探测器。探测器会记录下电子通过了哪条狭缝。但是，一旦激活探测器，电子就不再表现得像波。它不愿意被观测，观测的行为会破坏量子态。电子只会通过其中一个狭缝，最终也不会呈现干涉图样。
观测会破坏量子态。
回到远距传输协议。如果我们从一个粒子中提取信息，我们就必须以某种方式测量这些信息。但如果我们进行观测，我们就会破坏量子态。但是，在粒子仍然保持原始状态不变的情况下，不可能创建一个粒子的精确副本。
我们将其称为“不可克隆原理”。
如果不破坏原始态，那么就不可能复制某个量子态。
将此应用于 Alice 的传输过程，我们会注意到，只要她的信息被传送，她就不会以物理形式存在。她只是纯粹的信息。
只有当信息完全印在等待的空白粒子上时，她才会再次以物理形式存在。这有点吓人，对吧？
至少我觉得这有些毛骨悚然。
那么，这与通信技术有什么关系呢？
通信的未来
量子定律的最大应用将是量子计算机。如果有足够的量子比特来处理信息，它们将会比当今的任何经典计算机都要强大。现在想象一下量子计算机网络，再想想它们能做什么。是不是很棒？
在量子计算机网络中，量子计算机处理量子信息，这种量子信息需要在网络节点之间进行交换。但由于“不可克隆原理”，量子信息不能像在经典网络中那样传输。所以，远距传输进入了游戏。在一个量子计算机网络中（如果你愿意的话，也可以称其为量子互联网），量子信息通过远距传输过程在节点之间传递。
那么这一切又有什么用呢？为什么我们需要量子互联网，它又与通信有什么关系呢？
好吧，最疯狂的是，在这样一个量子网络中，我们可以建立一个无法窃听的通信信道。为什么？因为观测对量子态有影响。如果你窃听了正在两点之间传输的信息，你就会测量到量子状态，你就会不可避免地改变信息。这就能保证信息的安全，同时还能发现并定位窃听者。
尽管量子远距传输听起来像一个疯狂的科幻概念，但它的确真实存在，只不过它不是以我们最初想象的那种形式存在。最令人惊讶的是：量子远距传输将用于构建一种更安全的信息交换方式。
参考文献：
[1]https://medium.datadriveninvestor.com/the-physics-nobel-prize-2022-93c6d8d5d24a
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