《星際迷航》式的“瞬間傳輸”雖然只停留在科幻作品中，但量子信息學家們對于“瞬間傳輸”一個粒子的量子態(tài)已經有了經驗。

這種被稱作“量子隱形傳態(tài)”（quantum teleportation）的技術，本質上是不改變一個粒子（如一個光子）位置的情況下，把其上的特定信息在遙遠的另一個粒子上重建起來，中間無需具體的傳送物質，就像是魔術里面的“大變活人”。

科幻片《星際迷航》有一句著名臺詞"beam me up Scotty"（傳送我吧，史考提）

只不過，過去科學家們只做到了二維量子態(tài)的隱形傳態(tài)，近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恒研究組在《物理評論快報》（PRL）上報告了最新進展：利用6光子系統(tǒng)，他們對單光子的三維量子態(tài)實施了高效的隱形傳送。

郭光燦團隊認為，高維量子隱形傳態(tài)相比起二維系統(tǒng)具有信道容量更高、安全性更高等優(yōu)點。相關技術可用于其他高維量子信息研究，為構建高效的高維量子網絡打下堅實基礎。

量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)需要基于一種量子世界里的奇妙現(xiàn)象實現(xiàn)，那就是“量子糾纏”。

處于糾纏態(tài)的兩個微觀粒子不論相距多遠都存在一種關聯(lián)，其中一個粒子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進行觀測），另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應改變，仿佛“心靈感應”。比方說，如果一個光子的偏振態(tài)是“向上”的，那么另一個光子的偏振態(tài)必然是“向下”的。

制備出這樣一對糾纏起來的光子，科學家們就可以進一步開展“大變光子”的演示。

“墨子號”曾實現(xiàn)星地量子隱形傳態(tài)

我們假設小紅想把手上1號光子的量子態(tài)傳給小明。那么，科學家就制備出一對糾纏起來的2號光子和3號光子，通過光纖傳輸、或是通過衛(wèi)星分別發(fā)給小紅和小明。接著，小紅對1號光子和2號光子進行一種特定的操作，稱為“貝爾態(tài)測量”（BSM）。根據(jù)量子的一些基本特性，1號光子和2號光子經過測量之后，它們的量子態(tài)會改變，與2號光子處于糾纏態(tài)的3號光子也會發(fā)生相應變化。在得到某一個測量結果時，小明手上的3號光子恰好會變到1號光子最初的狀態(tài)，隱形傳態(tài)就此完成。

1993年，IBM的查爾斯·本內特（Charles H. Bennett）和其他5位科學家一起提出了這個奇妙的構想，后來在1997年由奧地利因斯布魯克大學的蔡林格（Anton Zeilinger）團隊首次實現(xiàn)了單光子自旋態(tài)的傳輸。

2017年，“墨子號”量子通信實驗衛(wèi)星宣布實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面站之前遙遠的星地量子隱形傳態(tài)。

從二維到多維

不過，此前實驗通常傳輸?shù)氖枪庾拥钠駪B(tài)這個量。偏振態(tài)是一個二維態(tài)，可以在二維空間中由兩個本征矢量描述。

但郭光燦團隊認為，光子自然存在其他一些多維態(tài)，例如軌道角動量、時間模式、頻率模式和空間模式等，多維系統(tǒng)在量子世界里更為普遍。因此，要完全遠程重建單光子的量子態(tài)，需要進行多維態(tài)的隱形傳送。

論文指出，傳送高維量子態(tài)主要存在兩大挑戰(zhàn)。一是要產生高質量的高維糾纏態(tài)，這是量子隱形傳態(tài)的基礎。

為此，李傳鋒、柳必恒等人從2016年開始就采用光子的路徑自由度編碼，解決路徑比特相干性問題，制備出高保真度的三維糾纏態(tài)。他們也解決路徑維度擴展問題，實現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)，此外，他們實現(xiàn)了高維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸。

二就是要對光子實施高維貝爾態(tài)測量。理論研究表明，在線性光學體系中，必須采用輔助粒子才能實現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)。

在量子隱形傳態(tài)原本的模型里只有三個光子，郭光燦團隊發(fā)現(xiàn)，利用? log2(d )? -1個輔助糾纏光子對，就可高效實現(xiàn)d維量子隱形傳態(tài)。也就是說，傳輸3維量子態(tài)，需要1對輔助糾纏光子。

在這里，小紅想要把1號光子的三個空間模式量子態(tài)傳給小明，除了雙方各自得到糾纏起來的2號光子和3號光子以外，小紅還要在輔助糾纏光子對4號和5號的幫助下進行高維貝爾態(tài)測量，把測量結果通過傳統(tǒng)信道（比如打電話）告知小明。最后，小明要根據(jù)小紅的測量結果對手上的3號光子執(zhí)行適當?shù)牟僮鳎湍馨阉D變?yōu)?號光子的初始狀態(tài)。

高維量子隱形傳態(tài)示意圖

實驗結果表明，量子隱形傳態(tài)保真度達59.6%，以7個標準差超過了經典極限值1/3，證實了三維量子隱形傳態(tài)過程的量子特性。