在2016年9月19日的《Nature Photonics》在线内容中，来自中国和加拿大两国的研究人员，独立发表了我们在量子隐形传态方面的最新实验研究工作 [1-3]。这两个工作首次将量子隐形传态的实验研究引入到城域光网络中。通过利用量子纠缠光源、可预报单光子源或诱骗态-弱相干态光子源、量子贝尔态测量等量子资源和技术，研究人员打破了量子隐形传态距离的记录。更为重要的是，研究人员通过定义‘量子隐形传态距离’这一新的物理概念，更为明确的指出了未来量子网络的最佳拓扑结构。很荣幸地，我能够直接和间接参与到这两个工作中。以下，作为这两篇论文工作的参与人员，和朋友们分享这两篇论文工作的一些观点。同时，这也可以作为近期我们有关‘量子通信’话题讨论的一部分。

卡尔加里市的夜景

1.什么是量子隐形传态？

量子隐形传态不是巫术，也不是鬼神之说。尽管在我们的一些古代神话故事里（比如《封神榜》），或者科幻电影（比如《Star Trek》）中，有过一些人体的瞬间传递场景；但是这不是量子隐形传态讨论的范畴。或许有一些渊博的学者，喜欢在做报告时举类似上面的例子来解释量子隐形传态；不过，在现在的认知能力下，这不是科学的说法。在未来，人们能否基于现在的量子隐形传态技术发展出隔空传递大尺寸物质的技术，仍然是一个开放的科学问题，值得思考。

具体来说，量子隐形传态技术是量子通信技术的一种，其主要目标是进行量子态的传递。在通常的实验验证中，人们使用光子承载欲传递的量子态，然后进行传递。在此基础上，人们可以使用两种途径实现上述量子态的传递：（1）使用光纤或者自由空间等量子通道，将承载了量子态的光子直接传递给接收者；（2）借助量子纠缠资源和量子贝尔态测量技术，将承载在某光子上的未知量子状态，传递到接收者处。在整个过程中，承载量子态的光子不会被传递到接收处。人们把这种不进行具体的光子传递，而将该光子的量子状态传递到接收者处的技术，称作量子隐形传态技术。

2. 为什么需要量子隐形传态技术？

量子隐形传态技术的主要需求之一是在基于量子中继的长距离量子网络中。前面，我们提到进行（光-）量子态传递的两种技术途径。其中，使用量子通道进行直接传递的技术途径，必将经受光学损耗的衰减。这意味着，直接传递的技术方案将存在最大的传输距离，这限制了基于量子态传递的其他应用（比如量子密钥分发）的工作距离。尽管光学衰减在经典光通信中同样存在，但是经典光通信技术可以使用光放大等器件技术进行信号的放大，进而实现长距离的光通信技术。不过，不幸的是，当我们进入到量子通信（量子信息技术）的范畴，类似于光放大器的信号放大技术不复存在，因为任意量子态的不可克隆定理，从物理学根本上限制了此类器件的诞生。

可见，克服量子通道的光学衰减，进而实现长距离乃至全球范围的量子态传递，这是量子网络技术可能实用化的关键一步。在直接传递技术途径受阻的情况下，基于量子隐形传态的技术途径，成为实现量子态长距离传递的希望。具体的，该技术途径涉及量子纠缠的远距离分发，量子贝尔态的投影测量等。

事实上，在量子纠缠的远距离分发中，人们同样会面临由于光学衰减引起的纠缠损失（具有纠缠特性的光子被损耗掉），这再一次限制了量子纠缠的分发距离，进而限制基于量子隐形传态技术途径的态传递。为了克服在纠缠分发过程中光学损耗带来的距离限制，人们发展出了基于光原子存储器的量子中继器（其具体的思路：基于高性能的量子存储器和量子纠缠交换技术（量子纠缠态的隐形传递）），实现量子纠缠的长距离分发。关于量子中继器的内容，朋友们可以参考之前的一篇博文[4]。

3. 光网络中的量子隐形传态重要性和技术挑战

自1993年，科学家们从理论上提出量子隐形传态的方案以来，人们对其进行了大量的实验研究。然而，在我们工作完成之前，光纤网络中量子隐形传态的实验验证仍然是一个极大的挑战。这方面的技术挑战主要来自其中涉及的量子贝尔态的投影测量。此类投影测量涉及两个光子：承载了量子态的光子和纠缠光子对中的一个光子。具体地，要实现此类测量的成功，要求上述两个光子在各个自由度上不可区分。人们常说，差之毫厘，谬以千里，就是对此类量子贝尔态投影测量的准确描述。有趣的是，近几年的研究工作表明，当光子在光纤量子通道中传输之后，光子在偏振态、传播时间等自由度上会发生随机的变化。这些变化与制作光纤的石英材料具有温度和应力相关的折射率和双折射效应相关。在具体的实验测量中，人们发现如果不对上述变化采取实时测量和主动反馈控制，量子贝尔态的投影测量将难以成功实现，进而无法实现基于此的量子隐形传态。因此，我们工作之所以能够成功的关键是：我们发展了一整套能够测量和主动反馈控制的光子学和电子学系统。

值得一提的是，在Wolfgang16工作中[3]，我们基于HOM量子干涉现象发展了光子传播时间的高精度测量和主动反馈控制技术，我们对时间的测量和反馈控制精度达到了3.5皮秒。该技术不光可以用在量子通信技术中，还可以进一步扩展到量子雷达技术中，使得雷达的空间定位精度达到百微米量级。

4. 工作的先进性

目前，评价量子隐形传态的技术指标包括量子态的传递距离（State-transfer distance）和量子隐形传态距离（Teleportation distance）。其中，量子隐形传态距离是在Wolfgang16论文中首次提出[3]，其定义为当发生量子隐形传态的贝尔态测量发生时，接收量子态的光子距离贝尔测量装置的距离。根据量子态的传递距离而言，目前的世界记录由潘建伟教授和Aton Zeilinger教授组在2012年创造，但是他们的工作中量子隐形传态距离不超过10米。另一方面，根据量子隐形传态距离，目前的世界记录由最新发表的这两篇论文工作创造。值得一提的是，对于基于量子中继的长距离量子网络应用而言，量子隐形传态距离这一指标更为重要。

5. 什么时候能够基于量子隐形传态技术搭建真正的量子英特网？

我不知道这个问题的答案，也不知道谁知道。在目前的实验验证中，受限于光量子纠缠源的性能，量子态传递的速率和保真度这两个指标都不够完美，还难以满足量子英特网的要求。但是，从目前的技术发展趋势来看，基于此的量子英特网将比通用的量子计算机更早出现。

[1] News and views: http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.190.html

[2] Pan16: http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/pdf/nphoton.2016.179.pdf

[3] Wolfgang16: http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/pdf/nphoton.2016.180.pdf

[4] 掺铒光纤量子存储器—— 它能再一次改变世界吗——http://blog.sciencenet.cn/blog-1037866-858943.html

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作者：周强（科学网博客）

链接：http://blog.sciencenet.cn/blog-1037866-1003891.html