9.3　量子隐形传输

1996年2月的《科学美国人》杂志在封二刊登了IBM的广告，宣传该公司的研究新进展。

很多年来她和住在大阪的朋友分享食谱。她向他展示了几百种使用红辣椒的方式。他则分享了寿喜烧的独家秘方。有一天，玛格丽特女士给小泽先生发了一封电邮，里面说：“做好准备，我给你心灵传输（teleport）了一份炖牛肉。”玛格丽特女士对技术的要求稍微有点超前，但我们一直在为实现她的愿望而努力。来自IBM的科学家和他的同事们发现了一种方法，能将一个物体原地分解、再在另一个地点毫发无伤地重现它。听起来像变魔术，但是他们取得的突破性进展将影响到科技生活的方方面面，从研发未来的计算机，到拓展人类对宇宙的认知。真是一群聪明的家伙！但他们中还没有一个人能把肉馅塞进卷心菜里。

图9-3　IBM的广告。由IBM公司提供

广告中标榜的技术是怎么回事？与其说它和炖牛肉有关系，不如说和量子比特有关系。而量子比特真的可以原地分解，再在另一个地点重现，就好像变魔术一样。广告中提到的研究人员就是1993年在IBM工作的科学家查理·贝内特和他的同事们，其中包括吉尔斯·布拉萨德。为我们带来量子加密技术的这群人，也发明了量子隐形传输。

假如阿瑟想把一个量子比特传输给哈瑞特，该如何做呢？

图9-4　 量子比特

阿瑟可以选择用联邦快递来寄送这个量子比特，但是如果海关人员想查看包裹内容，就会毁掉这个量子比特，让它变成只能取真假二值之一的普通比特。即使阿瑟十分小心地亲自运送这个量子比特，他也不可能完全避免它在与外界环境的相互作用中被损坏。

阿瑟也可以发送这个量子比特的描述信息(-0.55真, 0.84假)，哈瑞特根据描述重建一个完全相同的量子比特。但如果阿瑟只有量子比特本身，他无法对其准确的描述做出判断，因为任何试图测度量子比特的行为都将导致它坍缩为真或假二值之一。

贝内特和同事们为阿瑟向哈瑞特传输量子比特提供了一种方法，但有一个缺点。阿瑟和哈瑞特需要事先准备一些彼此纠缠的量子比特。

图中带心形的量子比特处于纠缠状态，分别为阿瑟和哈瑞特持有。如果阿瑟观测他的量子比特，他会等概率地看到“真”或“假”。但若阿瑟看到的是“真”，那哈瑞特看到的必然是“真”，如果他看到了“假”，那她看到的也是“假”，这和本章前面介绍的棒球比赛是类似的。

图9-5　纠缠

阿瑟现在有两个量子比特，标有五角星的用来传输，标有心形的和哈瑞特的量子比特处于纠缠态。之前提到过，这两个量子的组合态在四维空间表现为一个球体。阿瑟在不观察量子比特的情况下小心地旋转这个四维球。然后阿瑟观测这两个量子比特，得到两个普通的比特（0或1）。

阿瑟把这两个普通的比特传送给哈瑞特。其中一个比特告诉哈瑞特是否要旋转她的量子比特，另一个则表示是否要翻转它。哈瑞特根据指令进行相应的操作。接着轻吹一口气，大喊一声“变！”袖子里什么都没藏！突然，哈瑞特就得到了阿瑟原来的那个量子比特。令人震惊的是，这一切都是真的。

阿瑟的两个量子比特发生了什么？它们在被观测到的那一刻就毁灭了。否则，阿瑟将制造出量子比特的副本，这是量子力学法则所禁止的。

当阿瑟操作和测量他的量子比特时，哈瑞特的比特未受影响。阿瑟不能通过对自己的量子比特的操作而影响到哈瑞特的量子比特，否则阿瑟就有了和哈瑞特通信的方法，这种信息传递的速度比光速还快，这在物理学上是不可能的。

当哈瑞特接收到阿瑟传来的两个比特时，这个信息能让她把自己的量子比特看做阿瑟原来的量子比特经过量子操作后的版本。这两个普通比特准确地告诉了哈瑞特要如何逆转这些操作，才能恢复阿瑟原来的那个量子比特。哈瑞特无法检测阿瑟的操作，但随着阿瑟传送过来的两个普通比特，一个完好无损的量子比特就像变魔术似的被传输过来了。

图9-6

怎么把这一切和炖牛肉或者《星际迷航》中那些厉害的传送器联系在一起？假如我想用量子隐形传输从芝加哥到东京。某个公司会为我准备一大堆处于纠缠态的量子，把其中的一半小心地运送到芝加哥，另一半运送到东京。然后我在芝加哥的一个小房间里和数量多到足够描述我的量子比特待在一起，在某个高维空间被旋转，然后经过测量变成经典的比特。这些比特被传送到该公司的东京分支机构，然后那里的人们在一个小房间里以恰当的方式旋转另一些量子比特，打开房门，我就出现了。酷！

那堆彼此纠缠的量子就这样被消耗了。要传送别人或者把我传回去就需要一堆新的处于纠缠态的量子比特。其实道理和航空燃油差不多。我从东京坐飞机回家，不可能重新使用那些在来东京的航班上消耗的燃油。

更令人担心的问题是如何让那些描述我的海量量子（规模可能达到3个10亿相乘的数量级，基本上相当于构成人体的原子数量）保持在完全的纠缠状态，这可能还严重低估了所需的量子比特数量。即使有极小部分的量子和外界环境发生轻微作用而丧失了纠缠态，从另一头出现的我就很可能被毁形，甚至变成一团死肉。所以你先走，我宁愿慢一点，消耗一些航空燃油，咱们东京见。