簡介
量子态隐形傳輸是一種全新的通信方式，它不再是經典信息的傳輸，而是量子态攜帶來的量子信息。在以往經典傳輸狀态下，一個個獨立的光子各自攜帶信息通過發送和接收裝置進行信息傳遞；但在量子狀态下，兩個糾纏的光子互為一組互相關聯，并可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方同時瞬間出現，量子态隐形傳輸利用的就是量子的這種特性。
有曆史學家總結：18-19世紀是機械世紀，20世紀是信息時代，現在的21世紀是量子世紀。在量子信息科學發展的初期，物理學家就發現量子一般都是成雙成對的，并發現了量子的糾纏現象。量子糾纏是一種量子的力學現象。比如在量子态下兩個光子其中一個被控制後，狀态發生了變化，另一個也會即刻發生相應變化，就仿佛像“心有靈犀”般的雙胞胎，兩顆光子間像有了超光速的秘密通信一樣，即使距離遙遠仍然保持着特别的關聯性，這種相互關聯性就叫量子糾纏。
量子态的隐形傳輸在沒有任何載體的攜帶下，而隻是把一對攜帶信息的糾纏光子分開來，将其一的光子發送到特定的位置，就能準确推測出另一個光子的狀态，從而達到“超時空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運輸方式，那會給将來的能源革命，空間航天技術帶來多少的好處！中國已領先世界實現自由空間遠距離量子通信技術，并驗證了在外層空間與地球之間的分發糾纏光子的可行性，和證實了量子态隐形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來的衛星中繼全球化量子通信網絡奠定了可靠基礎。
現有的量子保密通信主要通過量子密鑰對經典信息進行加密傳輸，随着技術的發展，最終的量子保密通信将會實現量子信息的傳輸，通過光纖網絡進行量子隐形傳态有望極大提高互聯網連接的安全性和強度。然而，利用光纖網絡進行長距離量子隐形傳态需要獨立的光源，且在長距離傳輸後，兩個光源的光束沒有差别，成為量子隐形傳态的技術挑戰。
量子隐形傳态（Quantum teleportation），又稱量子遙傳、量子隐形傳輸、量子隐形傳送、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息（physical information）的轉換來傳送量子态至任意距離的位置的技術。是一種全新的通信方式。它傳輸的不再是經典信息而是量子态攜帶的量子信息，在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子态如同經曆了科幻小說中描寫的“超時空傳輸”，在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。
量子遙傳并不會傳送任何物質或能量。這樣的技術在量子信息與量子計算上相當有幫助。然而，這方式無法傳遞傳統的資訊，因此無法使用在超光速的通訊上面。量子遙傳與一般所說的瞬間移動沒有關系–量子遙傳無法傳遞系統本身，也無法用來安排分子以在另一端組成物體。
2015年12月11日，英國物理學會主辦的《物理世界》（Physics World）公布2015年度國際物理學領域的十項重大突破，中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隐形傳态”的研究成果榮登榜首；中國科學院物理所方忠、翁紅明等憑借外爾費米子的先驅性研究入選。
曆史沿革
1993年，美國物理學家貝尼特等人提出了“量子态隐形傳輸”的方案：将原粒子物理特性的信息發向遠處的另一個粒子，該粒子在接收到這些信息後，會成為原粒子的複制品。而在此過程中，傳輸的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。傳輸結束後，原粒子已經不具備原來的量子态，而有了新的量子态。
1995年，潘建偉完成碩士學位論文《量子佯謬》。十多年來，他尋找粒子相互聯系的“神奇力量”。
1997年由潘建偉及其奧地利同事首次完成的單光子量子态隐形傳輸是量子信息發展的一個裡程碑。
1999年，在國内學術界對量子通信領域的研究還很陌生時，潘建偉及其同事有關實現未知量子态遠程輸送的研究成果，同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果，一起被著名的《自然》雜志評為“百年物理學21篇經典論文”。
2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地将量子“超時空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環境的幹擾，量子态隐形傳輸的距離難以大幅度提高。2004年，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現更遠距離的量子通信。在自由空間，環境對光量子态的幹擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層進入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優勢。該小組早在2005年就在合肥創造了13公裡的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。
2005年4月22日，潘建偉與同事們又在國際上首次證明了糾纏粒子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣後，其糾纏的特性仍然能夠保持，為實現全球化的量子通信奠定實驗基礎。
2006年中國科大量子信息與量子物理創新群體又有新成果。10月出版的英國《自然》雜志在其子刊《自然·物理》以封面文章的形式發表了，中科大合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉及他的同事楊濤、張強等完成的研究成果：兩粒子複合系統量子态隐形傳輸的實驗實現。這是實現“時空穿梭”的基礎性研究。這篇文章也是中國科學家首次在該雜志發表封面文章。
2007年開始，中國科大——清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公裡的自由空間量子信道，并取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子态隐形傳輸，證實了量子态隐形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。該成果已經發表在6月1日出版的英國《自然》雜志子刊《自然·光子學》上。
2012年8月，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公裡量級的自由空間量子隐形傳态和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎。“在高損耗的地面成功傳輸100公裡，意味着在低損耗的太空傳輸距離将能達到1000公裡以上，基本上解決了量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。
2012年9月，維也納大學和奧地利科學院的物理學家實現了量子态隐形傳态最遠距離——143公裡，創造了新的世界紀錄。
2016年8月16日，中國率先在酒泉衛星發射中心成功發射我國自主研發的世界首顆量子通訊衛星——“墨子号”，這标志着我國在量子通信技術方面跻身世界前列，并且标志了人類在量子通信方面邁出的重要一步。
《人民日報》2016年9月20日報道，中國科學技術大學教授潘建偉、張強等與相關單位合作，在合肥量子城域通信試驗網上首次實現了預先糾纏分發的獨立量子源之間的量子态隐形傳輸。該研究成果9月19日在線發表在英國《自然·光子學》上。同日刊發的還有加拿大研究團隊的量子隐形傳态實驗成果。這兩項獨立研究表明，城際網絡進行量子隐形傳态在技術上是可行的，這為未來可擴展量子網絡的構建奠定了堅實基礎。
工作原理
利用類圈體三旋模型的多态性和同時性演示、就能教育普及類似量子計算機的量子邏輯。這是孤子演示鍊對DNA雙螺旋結構的孤波成功模拟後揭示開的。同時，這還可能為科學提供21世紀裡廣泛認識自然、生命、社會現象的數學思維。其原理說明如下：
兩列圈鍊的耦合編碼，由于鍊圈與鍊圈上下之間的正交，出現左右、前後兩種共轭的編碼。以圈子與圈子一對一的套接設為1，大于或小于一對一的套接設為0，孤子演示鍊的編碼從上往下的結構是：①領圈00；②左10，右11；③前01，後10；④左01；右10；⑤前10，後01；⑥左10，右01；⑦前01，後10；⑧左01，右10……該共轭編碼，隻要讓第②層的右圈變為領圈，即讓原領圈自由落下，就會發生孤波滾動；反之恢複原先的領圈地位，即讓後者自由落下，也要發生孤波。
這種滾動不是領圈真正落下，而是圈套之間傳遞着一種信息、能量和相位，構成類似螺旋狀的攪龍軌迹。因此具有類似貝克隆變換的表達式，這是一種類似SG（正弦--戈登）方程的非線性偏微分方程的描述。這種SG方程有正負扭狀孤立子解，分别叫正扭和反扭。孤子演示鍊與DNA雙螺旋結構相對應，它的左右、前後雙共轭編碼，對應DNA中腺嘌呤A、鳥嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T等四種堿基的T與A、C與G必定配對的編碼。
孤子演示鍊不僅揭示了DNA雙螺旋結構中存在的孤波現象，而且還揭示了自然界和人類社會中普遍存在的共轭編碼場現象。例如數學中的正負、加減、連續與間斷；物理學中的正反、冷熱、波與粒；化學中的酸堿、氧化與還原；生物學中的雌雄、生死、進化與退化……等等大量的事物與概念，顯露出共轭無處不在。
隻是人們還沒有把共轭與雙共轭和多共轭聯系起來，沒有把雙共轭和多共轭與編碼聯系起來，沒有把共轭編碼及其強弱與孤波以及四種相互作用和貝克隆變換、SG方程等深層次現象及現代數學聯系起來。2003年5月四川科技出版社出版的《三旋理論初探》中，有關《生命與量子計算機》和《雙螺旋結構與量子計算機》的章節，以及2003年9月在天津古籍出版社出版的《解讀＜時間簡史＞》等兩本專著，為潘建偉教授的多粒子量子糾纏态隐形傳輸，在沒有光纖聯結和存在噪聲幹擾的情況下提供了清晰的圖像說明和詳盡闡述。
實驗研究
德國科學家首次測量到電子通過量子信道“逃離”原子。德國科學家在最新一期英國《自然》雜志上發表論文稱，他們首次測量到通過量子信道“逃離”原子的電子，而且發現每個電子“逃離”的速度極為驚人。
量子信道在微觀世界普遍存在，“量子信道指的就是量子在裡面傳輸不受影響的通道。”中國科學技術大學，中科院量子信息重點實驗室副主任韓正甫教授說：“量子信道在量子物理學中相稱于光學裡，光纖這樣的光學信道和通信中一般的電線。”但電線是有形的，量子信道迄今為止卻從未被觀測到。
由于電子帶負電荷，在帶正電荷的原子核的吸引下電子被束縛在原子内部。假如電子沒有在一段時間内獲得足夠的能量，它就無法“逃離”原子核的束縛。但量子力學可以提供另一種方法，電子可以直接通過量子信道逃脫出來，這在物理學中叫遂穿效應。打個比喻，這就像在大碗中放一個小石子，石子不會出來。除非石子的能量很大，大過碗壁的能量時，它就會從碗的上面跳出來。
但是量子物理學上有一個非常希奇的效應，當碗壁足夠矮，非常薄，即便碗壁的能量依然大于石子的能量，石子也會莫名其妙地跑出來，畢竟它是怎樣出來的誰也不知道，就像變魔術一樣。而這個跑出來的“石子”實際上是通過一個隧道跑出來的，這個通道就是量子信道。
德國科學家最新的實驗成果就是利用百億分之一秒的阿秒激光級脈沖攻擊氖原子從而觀察到了隧穿效應的全過程，而且證明了量子信道的存在。韓正甫教授解釋說，這就像我們看運動員跳高或者跳遠的時候，眼睛并不能看清晰他們的身體在騰空過程中的每個粗大變化，而通過慢動作我們卻可以把每一瞬間看清楚。
如此同時，美國國家标準與技術研究所的科學家是利用激光技術，對三個帶有正電荷的铍原子的量子态進行操作。首先，他們利用量子糾纏技術使其中兩個原子的量子态完全一緻。接着，他們準确地測量了這兩個原子的量子态，然後通過激光将它們的量子态複制到8微米外的另一個原子上。
整個過程由計算機控制，僅耗時4毫秒，傳輸成功率達到78%。而另一個研究小組的奧地利因斯布魯克大學的科學家則采用鈣原子，同樣實現了量子态隐形傳輸，成功率為75%。其基本原理也是利用第三個原子為輔助，用激光将一個原子的量子态傳遞給另一個原子。但兩項實驗在具體方法上有所不同，奧地利小組使兩個原子距離相對較遠，以便用激光單獨地改變一個原子的狀态；美國小組則将原子冷卻以保持操作的可靠性。
緊接着，奧地利因斯布魯克大學的科學家領導的另一個研究小組則采用鈣原子，同樣實現了量子态隐形傳輸，成功率為75%。試驗原理也是利用第三個原子為輔助，用激光将一個原子的量子态傳遞給另一個(chuan2di4gei3ling4yi1ge4)原子。
2004年起，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開始試驗探索在自由空間實現更遠距離的量子通信，先後取得多項成果。2007年開始，中國科大與清華大學聯合研究小組在北京八達嶺與河北懷來之間架設長達16公裡的自由空間量子信道，最終在2009年成功實現16公裡的世界上最遠距離的量子态隐形傳輸，證實量子态隐形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛星中繼的全球化量子通信網奠定可靠基礎，使得全球化量子通信網絡的最終實現邁出重要一步。
想象
“瞬間轉移”和“穿牆術”是否能實現？通過量子信道，電子能瞬間逃離原子，小石子莫名其妙就穿過了碗壁，難道所謂的“瞬間轉移”和“穿牆術”這些曾經隻出現在神話和科幻小說中的場景果真是可以實現的？
《封神演義》中的土行孫，他會突然消失，一轉眼又從别的地方冒出來。在科幻系列電影《星際旅行》中，發送人體是一件最尋常不過的事情。在一台魔術裝置中，宇航員的身體忽然一閃，便消失得無影無蹤，之後他會出現在任何一處希望抵達的地點，甚至是外星球。隻要那個地方有一台類似的接收器，除了平淡地說一句“發射我吧，蘇格蘭人！”之外，沒有人會把它當做話題來談論。
想象一下，如果這樣的技術有一天能夠普及，那麼我們出門旅行再也不用費力的轉乘各種交通工具，而隻要運用這種傳送工具，瞬間就能把我們“轉移”就任何我們想去的地方。
韓正甫教授說(hanzhengfujiaoshoushuo)，理論上這樣的場景是可以實現的，物理學上叫做量子态隐形傳物。從物理學角度，可以這樣來想象隐形傳物(chuan2wu4)的過程：先提取原物的所有信息，然後将這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的複制品。
技術難題
難題一
人的身體是由物質組成的，如果用光速把人的身體移動到另一個地點，那麼，就必須将它“唯物質化”。經物理學家計算，單單突破原子核内部的限定力，就必須把身體加熱到1萬億攝氏度———這比太陽内部的熱度還要高幾百倍。隻有在這一溫度下，物質才能變為光，并通過光速輸送就任何一個地點。而對每一個被輸送的人來說，所使用的能量要超過迄今為止人類全部能量消耗的大概1000倍。
難題二
發射儀器必須在目的地将人重新組合起來。為了知道如何組合，它就需要獲得人體所有原子結構的精确信息。如果每一個原子約為1000字節，描述人體的所有原子總共需要10的31次方的字節，而目前世界上全部圖書所含有的信息約為10的15次方字節，僅是完整描述一個人所需要的信息的1億分之一。僅傳輸這些數據對于今天速度最快的計算機來說，也會花去比宇宙年齡還要長2000倍的時間。
難題三
精确描述人的原子結構是最棘手的問題，從根本上來說是不可能的。因為根據海森伯測不準原理，我們不可能獲得一個粒子的全部信息。例如，如果我們想知道一個粒子的位置，那麼我們就會失去所有關于它的速度的信息，反之亦然。
實驗突破
由中科大和清華大學組成的聯合小組在量子态隐形傳輸技術上取得的新突破，可能使這種以往隻能出現在科幻電影中的“超時空穿越”、“瞬間轉移”等神奇場景變為現實。
拆分光子實現隐形傳輸
據該項目聯合小組研究成員彭承志教授介紹，在一般狀态下，一個個獨立的光子各自攜帶信息，通過發送和接收裝置進行信息傳遞。但是在量子狀态下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關聯，并且可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現。“量子态隐形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶着信息的糾纏的光子進行拆分，将其中一個光子發送到特定位置，這時，兩地之間隻需要知道其中一個光子的即時狀态，就能準确推測另外一個光子的狀态，從而實現類似‘超時空穿越’的通信方式。”彭承志表示。
中科大專家5年努力今成正果
早在2004年，中科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現更遠距離的量子通信。在自由空間，環境對光量子态的幹擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層進入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優勢。據了解，該小組2005年就在合肥創造了13公裡的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。
2007年開始，中科大—清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公裡的自由空間量子信道，并取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子态隐形傳輸，證實了量子态隐形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。
國産技術打破世界紀錄
量子态隐形傳輸一直是學術界和公衆的關注焦點。1997年，奧地利蔡林格小組在室内首次完成了量子态隐形傳輸的原理性實驗驗證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地将量子“超時空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環境的幹擾，量子态隐形傳輸的距離難以大幅度提高。
然而，中國的量子态隐形傳輸技術則取得了突破性進展。2010年6月1日出版的英國《自然》雜志子刊《自然·光子學》以封面論文形式發表中國科學家量子态隐形傳輸的最新研究成果：中科大和清華大學組成的聯合小組成功實現16公裡的世界上最遠距離的量子态隐形傳輸。
技術應用
潘建偉教授及其同事在研究中發現，适當降低被傳輸量子态的亮度可在不破壞被傳輸态的條件下成功傳輸量子态。這一研究成果，與高精度的糾纏态純化一起，可從根本上解決目前在遠距離量子通訊中由“退相幹效應”帶來的困難，并将極大地推動可容錯量子計算的實驗研究。
潘建偉開展的一項實驗表明，不管兩個粒子之間的距離有多遠，哪怕其間全是“自由空間”，二者也有根本的互相聯系，其中一個粒子狀态的變化都會影響到第二個粒子的狀态。而且，兩個相距遙遠的光子即使在沒有光纖聯結和存在噪聲幹擾的情況下，也可以糾纏在一起。而在他們開展以上實驗之前，兩個粒子間的量子糾纏要麼發生在相對很短的距離，要麼将兩個粒子通過光纖聯結起來。然而，也許今後能解開愛因斯坦之謎密鑰的三旋理論，更會形成超級量子計算機和“萬無一失”的密碼系統的基礎而做出貢獻。
但過去的量子态隐形傳輸實驗，在确定傳輸量子态成功的同時，必須以破壞被傳輸的量子态為代價，這就使其不可能在量子通訊和量子計算中有進一步的應用。
量子糾纏做為量子信息科學的核心資源，是目前國際上的研究熱點，基于量子糾纏的量子态隐形傳輸是量子計算和量子中繼中的基本過程，而16公裡這個距離能夠等效大氣的有效厚度，對于未來實用化全球量子通信網絡的建立具有十分重要的意義。這樣的自由空間量子通信的前景就是，未來發射衛星上天，利用衛星平台中轉實現全球化量子通信。
