出品|網(wǎng)易科學(xué)人欄目組

譯者|止水

圖注：電影《星際迷航》中，三名船員從太空船上“瞬間移動(dòng)”到了其它地方。如果量子信息能成功地從行星“瞬移”到太空船的話，那么下一步能否將人類也“瞬移”走？

無論是在科幻小說中，還是在神學(xué)領(lǐng)域里，有關(guān)“瞬間移動(dòng)”的概念已經(jīng)流傳了上千年了。雖然《星際迷航》系列電影的大火，也順帶著將“瞬間移動(dòng)”的概念帶入到了主流觀眾的視線下，讓它變得無人不知無人不曉，但它其實(shí)早就已經(jīng)在莎士比亞的《暴風(fēng)雨》里，在《一千零一夜》中的阿拉丁故事中，甚至在猶太教《塔木德經(jīng)》（Jewish Talmud）里就已經(jīng)出現(xiàn)過了。然而，現(xiàn)代科學(xué)也未能實(shí)現(xiàn)將這一“科幻夢想”變成“科學(xué)現(xiàn)實(shí)”，這是因?yàn)榱孔恿W(xué)在科學(xué)家們的面前放置了一些令人難以逾越的障礙。但即便如此，對于那些單個(gè)粒子來說，量子隔空傳輸（quantum teleportation）卻是一個(gè)非常真實(shí)的物理現(xiàn)象。日前，人類有史以來第一次實(shí)現(xiàn)將一個(gè)粒子從地球“隔空傳送”到了太空中的一顆衛(wèi)星中。這樣說來，人類的“瞬移移動(dòng)”有可能實(shí)現(xiàn)嗎？下面，我們來看看科學(xué)是如何來解答這一問題的。

圖注：在一個(gè)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)中放置一對糾纏粒子，并將它們隔開很長一段距離，我們可以通過測量一個(gè)粒子的量子態(tài)來瞬間傳輸另一個(gè)粒子的量子態(tài)信息，即便它倆之間隔著一段非常遠(yuǎn)的距離。

首先，讓我們一起來設(shè)想一個(gè)沒有量子力學(xué)的世界，它的運(yùn)行方式要相對的簡單粗暴：

·你知道組成一件東西的所有粒子的位置、粒子與粒子間的聯(lián)系、粒子與粒子間的交互，以及它們的固有運(yùn)動(dòng)方式。

·你將這個(gè)東西打碎，將它分解成為組成這個(gè)東西的一個(gè)個(gè)獨(dú)立的粒子。

·然后，你既可以將所有的這些粒子帶走，將它們轉(zhuǎn)移至你的目的地，也可以從目的地那兒將這些完全一樣、無法區(qū)分的粒子轉(zhuǎn)移到其它地方，準(zhǔn)備重組。

·當(dāng)你具備了這些粒子所有完整的信息，你就可以將這些粒子重新組裝起來，用類似“復(fù)制黏貼”那樣的方式造出一個(gè)和“本尊”一模一樣的新東西。

然而不幸的是，我們的世界受到量子力學(xué)法則的制約，這讓這一操作在現(xiàn)實(shí)生活中，變得要復(fù)雜得多。

圖注：海森堡測不準(zhǔn)原理的示意圖

我們的宇宙受到一些非常重要、非?；A(chǔ)的規(guī)則的支配，其中一條就是不確定性原理，即任何一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量不可同時(shí)被確定。你對粒子的位置或是動(dòng)量測量得越精準(zhǔn)，你對另一個(gè)參數(shù)知道得就越模糊。

這一法則也被稱之為“海森堡測不準(zhǔn)原理”，我們不可能同時(shí)得知一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量信息，更不用提要一次測得所有粒子的位置和動(dòng)量信息了。如果沒有這些信息的話，我們就不可能知道一個(gè)粒子的量子態(tài)，這樣看來，要將人進(jìn)行“瞬移”似乎是不可實(shí)現(xiàn)的。

圖注：如何兩個(gè)粒子糾纏到了一起的話，那么他們就存在一個(gè)互補(bǔ)波函數(shù)的性質(zhì)，衡量一個(gè)粒子的量子態(tài)，就能知道另一個(gè)粒子的量子態(tài)。

然而，這也正是“量子隔空傳輸”（quantum teleportation）發(fā)揮作用的地方。量子隔空傳輸是一個(gè)真實(shí)存在的物理現(xiàn)象，但它本身實(shí)際上并不會(huì)傳輸或是瞬移任何粒子，它們真正所能傳輸?shù)钠鋵?shí)是不確定量子態(tài)的固有信息，而這也正是我們需要傳輸過去的東西。

這一過程是通過一對糾纏粒子（entangled particles）來實(shí)現(xiàn)的。舉個(gè)例子，當(dāng)我們有一對糾纏粒子的時(shí)候，將其中一個(gè)粒子送到我們的目標(biāo)位置，我們就可以通過量子隔空傳輸?shù)臋C(jī)制，將你所在位置的量子態(tài)信息傳輸?shù)侥繕?biāo)位置，這一過程甚至可以在完全不知道，或是完全無法決定你所在位置的量子態(tài)信息的情況下進(jìn)行。

1993年，查爾斯·貝內(nèi)特(Charles Bennett)、吉爾斯·布拉沙德(Gilles Brassard)和克洛德·克雷波(Claude Crépeau)等人在他們聯(lián)合撰寫的論文里，發(fā)表了這一新發(fā)現(xiàn)。

圖注：號稱比光速還快的量子隔空傳輸（錯(cuò)誤的）。事實(shí)上，沒有什么信息交換得能比光速還快。

在過去的20多年里，量子隔空傳輸現(xiàn)象雖然已經(jīng)被科學(xué)界所熟知，并在許多不同的環(huán)境下，得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，然而它的應(yīng)用目前卻依然很局限：

·它只適用于一對粒子；

·物質(zhì)無法實(shí)現(xiàn)隔空傳輸；

·光量子的交換需用從源位置傳輸至目標(biāo)位置；

·要實(shí)現(xiàn)在不丟失信號的情況下，去完成量子隔空傳輸受到傳輸距離的限制。

圖注：當(dāng)我們想知道操作者那兒的粒子狀態(tài)的時(shí)候，即便利用量子糾纏性質(zhì)，我們所得到的結(jié)果也未必會(huì)比瞎猜強(qiáng)。然而，我們還是可以將一個(gè)不確定的量子態(tài)傳輸?shù)揭粋€(gè)目標(biāo)位置，但是即便你知道源位置的答案，目標(biāo)位置處的量子態(tài)仍是無法確定。

此前，傳輸距離的限制意味著你最遠(yuǎn)只能在幾千米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子隔空傳輸。然而實(shí)際上，我們將信息從一個(gè)未知量子態(tài)傳輸至另一個(gè)位置的能力，要遠(yuǎn)比我們自己所想象的要大得多。

但傳輸距離仍是受限的，以致于我們過去無法保證說信息能被傳輸至一艘太空船。而這也是為什么我們說這次“將一個(gè)粒子從地球隔空傳送到了太空中的一顆衛(wèi)星中”的這一新突破是如此的重要。

通過建立一個(gè)從地球到一顆太空衛(wèi)星的通道連接，大多數(shù)的量子隔空傳輸都是通過一個(gè)空蕩蕩的空間實(shí)現(xiàn)的，所以它幾乎不會(huì)出現(xiàn)信號丟失的情況。就如這份新刊登出來的論文所描述的那樣：

“我們通過一個(gè)連接通道，首次實(shí)現(xiàn)將一個(gè)單獨(dú)光量子的量子位從地面天文臺傳輸至了一顆地球低空軌道衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)1400千米的量子隔空傳輸?！?/p>

圖注：GPS衛(wèi)星在我們的日常生活中已經(jīng)變得不可或缺了，無論是地圖導(dǎo)航還是玩《口袋妖怪Go》。將量子隔空傳輸技術(shù)融入到我們的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，我們就可以開發(fā)出第一套量子全球通信網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)我們具備了足夠數(shù)量的光量子，我們就沒有理由不去相信我們能將藏在量子態(tài)的終極宏觀組合——活生生的一個(gè)人——里面的信息進(jìn)行編碼，然后傳輸出去。然而不幸的是，具備了能編譯出一個(gè)人類的信息和從一堆原始粒子材料中將一個(gè)活人構(gòu)建出來，完全是兩碼事。

以我們目前的科技水平來說，我們要將活人用量子態(tài)構(gòu)建出來是完全不可能實(shí)現(xiàn)的。知道一個(gè)人的信息狀態(tài)——包括組成他的所有粒子的信息——是一回事兒，但要重組這個(gè)人完全就是另外一碼事兒了。

圖注：在電影《星際迷航》里，一名船員在“瞬移”中途被抓住了。

如果我們足夠幸運(yùn)的話，借助量子隔空傳遞技術(shù)，一個(gè)被傳輸來的單獨(dú)粒子的身上可以攜帶足夠的信息，它能告訴你，你想要知道的某個(gè)人身上的一個(gè)粒子的信息。然而，這一情況如果放大了再去看的話，就會(huì)變得非常復(fù)雜：

“人腦當(dāng)中大約有1000億個(gè)神經(jīng)元，它們之間存在著100萬億個(gè)聯(lián)系。這就意味著我們需要考慮大約2100,000,000,000,000個(gè)可能存在的量子態(tài)組合，這一數(shù)字甚至要超過我們已知宇宙中所有粒子的總數(shù)?！?/p>

圖注：IBM的四量子位電路，它可以突破計(jì)算能力的極限，讓我們的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大到能仿真整個(gè)宇宙。

“將一個(gè)粒子從地球隔空傳送到了太空中的一顆衛(wèi)星中”的這一新突破，或許具有很高的應(yīng)用前景，它或許能使量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)取得革命性的突破，并將我們的計(jì)算能力提升到一個(gè)前所未有的新高度。

但如果要把人“瞬移”到其它地方，我們所需要提供的條件可不只是要把一個(gè)人的信息編寫進(jìn)量子態(tài)那么簡單。

如果說我們只需要一定數(shù)量的能組成人的“粒子”的話，那么編寫人的“信息”的問題或許是可以解決的。然而，要從“理論的草圖”里把人給造出來——更不用說目標(biāo)位置的那個(gè)“人造人”是否和源位置處的“本尊”是同一個(gè)人——完全就是另一個(gè)問題了。

如果我們能提出這個(gè)問題的解決方法，那“人類瞬移”才有可能從科幻小說的領(lǐng)域里掙脫出來，成為現(xiàn)實(shí)。（止水）