量子物理学能解锁远距传物吗？

从空中城市到机器人管家，未来主义的愿景充斥着 PopSci 的历史。在“我们到达了吗？”专栏中，我们检查了实现最雄心勃勃的承诺的进展情况。请在此处阅读本系列的更多内容。

喷气背包、飞行汽车、气垫滑板、子弹头列车——从科幻小说到科学事实，发明家们想出了各种各样的创意方式来从 A 点到达 B 点。但说到交通的极致，没有什么能比得上心灵传输——无需车辆的即时旅行。如果说“传送我上太空”技术比其他交通技术受到的关注较少——《大众科学》在 1993 年 11 月和 2004 年 9 月刊登了简短的解释——那并不是因为这个想法不吸引人。遗憾的是，几十年来，心灵传输科学并没有取得太多进展。然而，自 2010 年代以来，亚原子层面的新发现正在撼动这一领域：具体来说，就是量子心灵传输。

就在本月，负责评选获奖者的瑞典皇家科学院表示，2022 年诺贝尔物理学奖被授予三位科学家，以表彰他们“对纠缠光子的实验”。获奖者的工作表明，远距传物是可能的——至少在光子之间是可能的（但对可以远距传物有一些严重的警告）。物理学家阿兰·阿斯派克特 (Alain Aspect)、约翰·克劳泽 (John Clauser) 和安东·泽林格 (Anton Zeilinger) 在过去几十年中取得了独立突破。他们的工作成果不仅展示了量子纠缠的实际作用，还展示了这种神秘特性如何成为将量子信息从一个光子传送到另一个光子的通道。虽然他们的发现还远不能将机场和火车站改造成星际迷航式的传送器，但它们已经进入了有前景的应用领域，包括量子计算、量子网络和量子加密。

“‘隐形传态’这个词非常鼓舞人心，”加州理工学院物理学教授、INQNET 量子网络项目主任 Maria Spiropulu 说道。“它唤醒了我们的感官，暗示着一种奇怪的现象正在发生。但在量子隐形传态中，并没有发生什么奇怪的事情。”

20 世纪初，当马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔和埃尔温·薛定谔等物理学家讨论量子力学时，人们逐渐意识到，在亚原子粒子层面，大自然似乎有自己隐藏的通信通道，即量子纠缠。爱因斯坦在 1935 年发表的一篇论文中科学地描述了这一现象，但因其似乎违背了正常的物理规则而将其称为“幽灵般的超距作用”。当时，它看起来和心灵传输一样荒诞不经，心灵传输这个词是由作家查尔斯·福特在四年前首次创造的，用来描述不明飞行物和闹鬼等无法解释的奇观。

“五十年前，当科学家开始做 [量子] 实验时，”斯皮罗普鲁说，“这仍然被认为是相当深奥的。”为了向那些科学家致敬，斯皮罗普鲁在办公室里挂了一幅纪念物理学家理查德费曼的印刷品。费曼于 1965 年凭借他的费曼图（一种量子力学的图形解释）获得诺贝尔奖。

Spiropulu 将量子纠缠等同于共享记忆。“一旦你结婚，无论你离婚多少次都无关紧要，”她解释道。因为你们共同创造了回忆，“你们永远联系在一起。”在亚原子层面，粒子之间的“共享记忆”使远距离粒子之间关于量子态（如原子自旋和光子极化）的信息能够即时传输。这些信息位称为量子位或量子比特。经典数字位是二进制的，这意味着它们只能保存 1 或 0 的值，但量子比特可以在叠加态中表示 0 和 1 之间的任何范围，这意味着同时存在一定的概率为 0 和一定的概率为 1。量子比特能够同时接受无限数量的潜在值，这使它们能够更快地处理信息——这正是物理学家在利用量子隐形传态的系统中寻找的东西。

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但要使量子比特作为信息处理器发挥作用，它们需要像传统计算机芯片那样共享信息。这就需要量子纠缠和隐形传态。通过纠缠亚原子粒子（如光子或电子，即量子比特），然后将它们分离，可以对其中一个执行操作，从而在其纠缠的孪生粒子中产生瞬时响应。

迄今为止，量子比特分离的最远距离是由中国科学家创造的，他们利用量子纠缠将信息从西藏发送到 870 英里外的轨道卫星。在陆地上，这一记录只有几十英里，通过光纤连接和空气（视距激光）传播。

量子比特的奇怪行为——无论相隔多远，它们都表现得像仍然在一起——继续让物理学家感到困惑和惊讶。“它确实看起来很神奇，”斯皮罗普鲁承认。“效果看起来很神奇！但一旦你把它分解开来，它就是工程。”在过去五年里，量子工程取得了巨大进步，应用了量子比特神秘但可预测的特性。除了谷歌、IBM 和微软等科技巨头在量子计算方面取得的进展外，斯皮罗普鲁还牵头开展了一项政府和私人资助的项目，以构建利用量子隐形传态的量子互联网。
在加州理工学院 Spiropulu 的博士后研究员 Venkata R. (Raju) Valivarthi 和 Neil Sinclair 的指导下，最先进的量子隐形传态将按以下方式工作（你可能需要系紧安全带）：

步骤 1：缠绕

使用激光，光子流穿过一种特殊的光学晶体，这种晶体可以将光子分裂成对。现在这对光子纠缠在一起，这意味着它们共享信息。当一个发生变化时，另一个也会发生变化。

第二步：打开量子隐形传态通道

然后，两个光子中的一个通过光纤电缆（或其他能够传输光的介质，如空气或太空）发送到远处。这为远距传送打开了一个量子通道。远处的光子（上面标记为光子一）成为接收器，而留在后面的光子（标记为光子二）成为发射器。这个通道不一定指示信息流的方向，因为光子可以以迂回的方式分布。

步骤 3：准备传送信息

第三个光子被添加到混合物中，并被编码为要传送的信息。第三个光子是信息载体。传输的信息类型可以编码成光子的属性或状态，例如其位置、极化和动量。（如果你将编码信息视为 0、1 及其叠加，这就是量子比特的作用所在。）

步骤 4：传送编码信息

量子物理学的一个奇特特性是，只有测量粒子，才能知道其状态或特性（例如自旋或位置）。你可以把它想象成骰子。一个骰子最多可以容纳六个值，但只有掷出后才能知道其值。测量粒子就像掷骰子一样，它会锁定一个特定的值。在隐形传态中，一旦第三个光子被编码，就会对第二和第三个光子的属性进行联合测量，这意味着会同时测量它们的状态并锁定它们的值（就像查看一对骰子的值一样）。测量操作会改变第二个光子的状态以匹配第三个光子的状态。一旦第二个光子发生变化，位于量子通道接收端的第一个光子就会进入匹配状态。

现在，信息掌握在光子一号——接收器手中。然而，即使信息已被传送到遥远的位置，它仍然是编码的，这意味着，就像展开的骰子一样，在解码或测量之前，它是不确定的。光子一号的测量值需要与光子二号和三号的联合测量值相匹配。因此，对光子二号和三号的联合测量结果被记录下来并发送到光子一号的位置，以便重复测量以解锁信息。此时，光子二号和三号消失了，因为测量光子的行为会破坏它们。光子会被用来测量它们的任何东西吸收，比如我们的眼睛。

第五步：完成传送

为了解码光子一的状态并完成远距传物，必须根据联合测量的结果操纵光子一，也称为旋转它，这就像掷骰子一样，就像之前掷光子一和二一样。这会解码信息——类似于二进制 1 和 0 转换为文本或数值的方式。远距传物表面上似乎是瞬时的，但由于联合测量的解码指令只能使用光发送（在这种情况下是通过光纤电缆），光子只能以光速传输信息。这很重要，因为否则远距传物就会违反爱因斯坦的相对论原理，该原理指出没有任何东西的速度能超过光速——如果真的如此，这将导致各种奇怪的后果，并可能颠覆物理学。现在，光子三（信使）中的编码信息已从光子二的位置（发射器）远距传物到光子一的位置（接收器）并被解码。

呼！量子隐形传态完成。

由于我们今天使用光传输数字比特，量子隐形传态和量子网络似乎没有内在优势。但两者的区别很大。量子比特可以传递比比特多得多的信息。此外，量子网络更安全，因为干扰量子纠缠的尝试会破坏开放的量子通道。

研究人员已经发现了许多不同的方法来纠缠、传输和测量亚原子信息。此外，他们正在从传送光子信息升级到传送电子甚至原子等较大粒子的信息。

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但传输的依然只是信息，而不是物质——人类的构成物质。虽然终极梦想可能是人类的远程传送，但实际上我们还没有实现，这也许是件好事。

《星际迷航》电视和电影系列不仅帮助普及了心灵传送，还通过闪亮的淡入淡出效果和朗朗上口的传送器音调对其进行了美化。另一方面， 《变蝇人》是一部关于心灵传送失败的电影，它对心灵传送的描述更加黑暗，但可能更符合科学原理。这是因为心灵传送实际上是一种轮回转世的行为。传送生命物质是一件冒险的事情：它需要在出发点扫描旅行者的信息，将这些信息传输到所需的坐标，并在出发点解构这些信息，同时在到达点重建旅行者——我们不希望自己的错误复制品逍遥法外。我们也不希望到达时自己只是一个没有生命的复制品。我们必须在到达时所有能跳动、呼吸、眨眼的系统都完好无损，这个过程才能成功。传送生物，从本质上讲，是一件生死攸关的事情。

或不。

斯蒂芬·霍金等杰出人物提出，通过量子纠缠信道传送的信息或矢量状态不必局限于亚原子粒子特性。事实上，根据这一理论，整个黑洞中捕获的信息都可以被传送。这很奇怪，但通过纠缠两个黑洞并将它们与虫洞（时空捷径）连接起来，消失在一个黑洞中的信息可能会以全息图的形式从另一个黑洞中出现。根据这一推理，分子、人类甚至整个星球的矢量状态理论上都可以作为全息图被传送。

加州理工学院物理学家基普·索恩 (Kip Thorne) 因探测引力波而荣获 2017 年诺贝尔物理学奖，他早在 1988 年就对远距传物和时间旅行的可能性做出了最好的解释：“我们可以想象一个先进文明从量子泡沫中拉出一个虫洞，并将其扩大到经典尺寸。这可以通过目前正在开发的计算量子隧穿自发虫洞产生的技术来分析。”

目前，斯皮罗普鲁仍专注于量子隐形传态的直接前景。但它看起来与《星际迷航》完全不同。 “‘把我传送上去吧，斯科特？’没有这种事，”她说。“但确实取得了很大进展。而且具有变革性。”