「我們可以量子隱形傳態少量的信息來重建複雜的物體。比方說人類基因組，大小在Gb左右。」
來源 | 墨子沙龍
看到「量子隱形傳態」（quantum teleportation）這個名字，你是不是想起了《星際迷航》中的傳送技術？傳送機瞬間就能將人或物體轉移到千里之外，下班再也不用擠地鐵了〜
事實上，量子隱形傳態傳送的是一個粒子的量子態，它利用量子糾纏將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠的地方，而不用傳送粒子本身。
什麼是量子糾纏呢？打個比方，我們假設有一對雙胞胎兄弟——小賽和小墨，如果你問他們同樣的問題，他們會各自隨機地給出一個答案，不過他們總是給出同樣的答案。比如你問小墨：「草是什麼顏色的？」他可能說：「黑色的。」當你問小賽同樣的問題時，也會得到同樣的答案。
他們的行為和一對糾纏粒子的表現是類似的。一對處於糾纏態的光子總是「心有靈犀」。
利用這種神奇的性質，我們就可以實現量子隱形傳態。為此，我們需要三個光子：一個最初的光子A，一對糾纏光子B和C。我們要做一次測量，但不是對A或者B進行測量，而是把它們輸入到一個測量裝置里，測量它們之間的關係，然後我們就能得到兩個比特的信息。一旦得到這個信息，A、B兩個光子就被破壞了。我們將兩比特的信息傳給另一個光子C——這個光子從來沒有接近過A，然後對光子C進行某些操作，就能得到一個精確的拷貝，讓C處於不再存在的光子A的狀態。[1]
（圖源：參考資料[1]）
整個過程中，我們其實沒有做拷貝。因為我們摧毀了最初的光子，所以從來沒有多於一個拷貝存在過。我們只是製備了另一個光子，讓它和原來的光子A有一樣的狀態，同時破壞最初的光子。而且我們並沒有以超光速傳送A的狀態，因為經典信息不可能以超過光速的速度傳輸。
那麼，可以通過這樣的手段來傳輸一個人嗎？在2018年墨子沙龍 「量子·密碼」 活動上，小記者們就量子隱形傳態相關的問題對三位量子通信領域的先驅進行了採訪。
Q=小記者（潘杜若, 蔡雨軒, Fenya）
Bennett=Charles Bennett，IBM研發中心物理學家、信息理論家，現代量子信息理論的創始人之一
Brassard=Gilles Brassard，蒙特婁大學教授，加拿大研究學會主席
Ekert=Artur Ekert，新加坡國立大學量子技術中心主任、英國牛津大學數學研究所量子物理學教授
只有靈魂能被傳輸
Q：你覺得在可預見的將來，通過量子隱形傳態來傳輸整個人體的信息會成為現實嗎？
Brassard：恐怕不行。這在原理上就無法實現，因為涉及到需要發送的經典信息的數量。當你進行量子隱形傳態時，儘管大部分過程，或者說神奇的部分，都是量子的，然而仍然需要發送經典信息。為了量子隱形傳態一個人體而需要發送的經典信息量將會超出我們的想像，更別提為了啟動這個過程你得需要多少糾纏了。所以很遺憾，我認為這件事不會實現。
Bennett：Brassard還只考慮了（正確）信息的量，事實上其中往往還包含大量的錯誤信息。
Ekert：量子隱形傳態錯誤信息或量子隱形傳態無知，這一點很重要。
Brassard：哦，對了。你們知道Asher Peres吧，就是量子隱形傳態文章的六個作者之一[2]。他是一個非常出名的無神論者。有一次，一個記者問他：如果你隱形傳態一個人，那麼只有人體會被傳輸還是靈魂會被一起傳輸？
他的回答是：只有靈魂。
Ekert：不過我們還是可以量子隱形傳態少量的信息來重建複雜的物體。比方說人類基因組，大小在Gb左右。
Brassard：但（量子隱形傳態）是在量子水平上而言的。
Ekert：不一定。
Bennett：其實這是經典信息；你並不真的需要量子隱形傳態來傳輸它。就像Arthur指出的那樣，你可以通過手機來傳輸人類基因組。
Brassard：然後在另一端重建人，只是沒有記憶而已。
Q：根據不確定性原理，你無法同時獲知粒子的準確位置和速度，所以這件事不可能發生吧？
Bennett：其實這正是量子隱形傳態可以做到的事。你摧毀原來的量子態後可以構建出一個完美的複製品。你無法做到的，是通過量子隱形傳態得到一個量子態的全部信息再構建出它的複製品。但是你可以摧毀原來的量子態，然後構建出一個完全相同的量子態。
Brassard：你無法同時足夠準確地獲知粒子的位置和速度，或更準確地說是動量。
如果你想要在其他地方重建出相同的粒子，與原來的粒子有相同的速度和位置。很顯然，你無法通過測量同時得到原來粒子的準確速度和位置，自然也無法通過經典方式發送這些信息，然後在另一處根據這些信息重建出粒子。
量子隱形傳態的全部意義在於，可以實現這一點（譯者註：即重建粒子）。
通過量子隱形傳態，我們可以在接收端重建出與原來的粒子擁有全部相同的量子特性的粒子，即使我們並不能同時測量這些量子特性然後通過經典方式發送相關信息。
Bennett：但是你必須摧毀原來的量子態。
Ekert：原先的量子態是模糊不清的，你無法得到粒子的準確位置和動量。我們只能說粒子是處於某個特定的量子態。而量子隱形傳態能夠讓你做到的是，在別處重建出一個在位置和動量上擁有相同的不確定度的量子態。當然，也會將原有的量子態摧毀。
量子糾纏，並不是你以為的那樣
Q：聽說（在量子糾纏中）粒子是成對出現的，如果你改變其中一個，另一個也會隨之改變。那麼是否可以利用量子糾纏來傳遞信息？
Brassard ：請容許我打斷你一下。人們通常是這麼描述量子糾纏的，尤其是記者，但其實量子糾纏並不是這樣的。並不存在這樣的情況，你在這裡做了一件事，瞬間另一件事在別處也發生了。這完全是錯誤的理解。
量子糾纏看起來好像是這樣的。但如果按照這種理解，那麼你將可以對所有你要測量的東西進行準確預測，然而事實並非如此。
Bennett：其實你會得到錯誤的預測，也就是說認為存在瞬時的通信。
當我測量我的粒子的時候，它並不會對你的粒子產生可以觀測到的影響。不過如果你對你的粒子進行測量，我將能夠知道你的測量結果。其實你的粒子的表現並不會變化，只不過我獲知了我們的粒子之間的關聯，而且只有在我們最終比較測量結果的時候我才能獲得這個信息。
Brassard：我對我擁有的糾纏對的其中一個粒子做的任何事情不會對你擁有的另一個粒子產生任何影響。只有當我們比較結果的時候會看到異乎尋常的情況。但是如果每個參與方只獨立地看待他擁有的粒子——
Bennett：他無法得知另外一個粒子是否被操控了。
Brassard：回到你的問題。是的，我們可以隱形傳態量子糾纏。假如我是Alice， Bennett是Bob。Alice和Bob首先糾纏在一起，以便用於量子隱形傳態。隨後Alice和Ekert糾纏在一起，那麼原先（Alice和Bob間）的糾纏就被摧毀了。所以我們可以像量子隱形傳態量子態般地量子隱形傳態糾纏。
Ekert：回到最初的問題。其實並不存在瞬時的通信。量子糾纏無法幫你實現這一點。
Bennett：愛因斯坦說過不存在超光速通信。正如愛因斯坦說過的所有東西一樣，這個觀點也一直被銘記著。但是他不喜歡糾纏，他把糾纏稱為「鬼魅般的超距作用（spooky action at a distance）」。
Brassard：其實，我覺得正確的翻譯應該是「幽靈般的超距作用（ghostly action at a distance）」。
Bennett：是的，幽靈般的超距作用。所以，愛因斯坦不喜歡量子糾纏。但即使他也理解在量子糾纏中並不存在瞬時的通信。
但是所有在英語或德語中讀到這個描述的人都會理解成遠距離作用，理解成可控的遠距離作用。
我有時會用這個例子來說明。假如我有一對會隨機表現的神奇硬幣，當我拋它們的時候，我無法預測它們會正面朝上還是反面朝上。如果這對硬幣中的一個在你手上，另一個在我手上，並且我們同時拋它們，它們看起來總是得到一樣的結果。但是僅僅看我的硬幣，我們並不能知道它們得到了一樣的結果。我們只能通過互相比較結果才能知道，而這個比較的過程無法以超光速進行。
只要我們倆的硬幣仍舊是獨立隨機的，我們是無法發現我們的硬幣的拋擲結果是一樣的。換句話說，如果我翻轉我的硬幣，這並不會讓你的硬幣也翻轉過來。
記者：潘杜若，蔡雨軒，Fenya
翻譯：夏秀秀
參考資料
[1] https://mp.weixin.qq.com/s/6OehPG3S7EEckwWfTkGmYg
[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.70.1895
文章頭圖及封面圖片來源：pixabay.com