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      中国科学家刚刚创造了一项最远量子隐形传态纪录

      发布日期:2017年11月19日 16:00   来源:66科技网


      中国科学家刚刚打破了一项隐形传态记录。不,他们可没有把谁给发射到宇宙飞船上去。但是,他们成功将一个信息包从西藏传送到了离地870英里(约1400公里)的轨道卫星上。
      更具体地说, 科学家们将光子的量子态(也就是关于光子极化状态的信息)传送到了轨道卫星上。
      中国的科学家小组不仅刷新了量子远程传递的纪录,还证明了建立实用远距量子通信系统是可以实现的。要想窃听这样的通信系统而不被用户发觉是不可能的,线上通信将因此更加安全。
      此类试验以前曾经开展过,但澳大利亚布里斯班的格里菲斯大学量子动力学中心主任霍华德·怀斯曼通过电子邮件对《生命科学》表示,和以往不同的是,这次的试验从多方面扩展了技术可能性。
      “这次实验要困难得多,因为设置在太空中的量子检测器会快速移动,而且还要在无人控制的情况下自主运作,”他说。“这是在实现全球规模量子通信方面取得的重大进展。”
      幽灵般的双光子纠缠态
      这项试验利用了量子力学描述的众多现象中的一个:纠缠态,这种状态也被艾伯特·爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。纠缠是关于量子力学理论最著名的预测,当两个粒子互相纠缠,即使相距遥的远距离,一个粒子的行为将会影响另一个粒子的状态。同样,当其中一颗被操作而状态发生变化时,另一颗也会即刻发生相应的状态变化,这并不仅仅是个诡异的预测,而是已经在实验中获得的现象。物理学家将这种状态称为“量子关联”,举例来说,当一个粒子,如光子“朝上”时,与它存在纠缠的另一个光子就会“朝下”,两个粒子就像互相照镜子一样。(严格来见,两个粒子之间可能存在四种关联组合)。
      最诡异的是,一旦对第一个粒子进行测量,第二个粒子也会立即感应并同时随同第一个粒子改变其状态。状态信息会超越光速极限瞬间传递。(《在现实生活中认识爱因斯坦相对论的八个方法》)
      隐形传态信息
      今年六月,同样的这些研究人员报告取得了另一个重大成绩:他们从墨子卫星上向两个地面卫星站(因卫星轨道不同,两个地面卫星站的发射距离分别为1600公里、2400公里)发送了纠缠态光子。该试验显示远距离实现纠缠态是可能的。这项新试验使用纠缠态技术向远程卫星站传送了光量子状态。
      在他们最新的试验中,由任继刚带领的上海科技大学团队从位于西藏的地面站向轨道卫星发射激光。激光束所携带的光子与地面上的另一个光子存在纠缠态。然后,研究人员使地面光子与第三颗光子形成纠缠,并对这些光子的量子态进行测量。此处的测量并非是指科学家确实测量了准确的量子状态。这次实验中,科学家们只是检测了光子的垂直或水平偏振状态是否相同。存在四种组合状态:垂直-垂直,垂直-水平、水平-垂直以及水平-水平。因为地面粒子的状态与卫星粒子存在关联,正在检测卫星光子的观测者,同时还会知道这颗光子会处在四种可能状态之一,并与地面的两个光子存在关联。
      如果卫星上有人,告知他们地面光子与卫星光子的状态相同或不同,他们就可能重建地面光子状态,并将该状态复制到卫星上的单个光子中。地面光子将可以向轨道卫星隐形传态它们的量子态。
      这种技术听起来就像是超越光速传送信息,但目前还没有办法将这一技术用于瞬时信息通信系统。这是因为,尽管纠缠态粒子状态存在关联,但你在进行测量之前并不知道确切粒子的状态,同时你也不能控制该状态。
      但是,纠缠态粒子可用作完美的信息真实性验证器。理由就是,对粒子的观测会改变粒子的行为。如果一个窃听者试图窃听本次最近试验中卫星与地面站之间的通信,由科学家测量的光子量子态就不会正确发生关联。
      中国研究团队在远距离(500公里-1400公里)上实现了量子纠缠态,这一距离是到达卫星的最大距离。这是目前为止纠缠态发送的最远距离。纠缠态光子不能在其传输过程中与任何其他东西发生相互作用,因为,一旦发生相互作用,它们的状态就会被“观测到”,意思就是说,其状态可通过相互作用得到检测。因此,如果光子在到达目的地之前受到观测,隐形传态就不会发生。当科学家进行类似试验时,他们并不是每一次仅发射一个光子,为了能够进行所需的测量,科学家们需要发射很多光子。根据研究报告,卫星仅接受到在真空中发射的几百万颗光子中的911颗。
      如果这些相同的光子通过光纤进行发送,而不是通过太空,光子间的关联关系将被热、震动、甚至是光纤随机相互作用摧毁。这会导致要用3800亿年才能够就纠缠态光子得到一次测量结果。但是,卫星位于大气层外,纠缠态光子受损的概率较低。
      “光纤将导致很多光子损失,”日本电报电话公共公司基础研究实验室的资深研究人员比尔·芒罗在接受《生命科学》采访时说。向轨道卫星发射光子意味着,人们可以建立实际可行的通信系统。“你可以从中国发射到华盛顿或纽约。”降低信号干扰确保更多光子通过的关键问题,芒罗说,是一个可以解决的技术和工程问题。
      芒罗及怀斯曼指出,人们常常会认为,隐形传态是将一个实际的物体或光子从一个地点传送到另一个地点。“人们还以为这是《星球大战》里那样呢,”芒罗说。“他们认为,被隐形传态的是原子。这种想法是错误的,我们所传送的是信息,是将信息从一个量子传送到了另一个量子。再说一遍,传送的并不是物质,仅仅是信息。让人明白这一点真是好难啊!”
      这项研究最先刊发于《生命科学》。
      来源:https://www.space.com
      责编:钟狼将
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