「瞬間移動」並非不可能，量子隔空傳遞技術靠譜嗎？

出品網易科學人欄目組

譯者止水

圖註：電影《星際迷航》中，三名船員從太空船上「瞬間移動」到了其它地方。如果量子信息能成功地從行星「瞬移」到太空船的話，那麼下一步能否將人類也「瞬移」走？

無論是在科幻小說中，還是在神學領域裡，有關「瞬間移動」的概念已經流傳了上千年了。雖然《星際迷航》系列電影的大火，也順帶著將「瞬間移動」的概念帶入到了主流觀眾的視線下，讓它變得無人不知無人不曉，但它其實早就已經在莎士比亞的《暴風雨》里，在《一千零一夜》中的阿拉丁故事中，甚至在猶太教《塔木德經》（Jewish Talmud）里就已經出現過了。然而，現代科學也未能實現將這一「科幻夢想」變成「科學現實」，這是因為量子力學在科學家們的面前放置了一些令人難以逾越的障礙。但即便如此，對於那些單個粒子來說，量子隔空傳輸（quantum teleportation）卻是一個非常真實的物理現象。日前，人類有史以來第一次實現將一個粒子從地球「隔空傳送」到了太空中的一顆衛星中。這樣說來，人類的「瞬移移動」有可能實現嗎？下面，我們來看看科學是如何來解答這一問題的。

圖註：在一個預設的系統中放置一對糾纏粒子，並將它們隔開很長一段距離，我們可以通過測量一個粒子的量子態來瞬間傳輸另一個粒子的量子態信息，即便它倆之間隔著一段非常遠的距離。

首先，讓我們一起來設想一個沒有量子力學的世界，它的運行方式要相對的簡單粗暴：

·你知道組成一件東西的所有粒子的位置、粒子與粒子間的聯繫、粒子與粒子間的交互，以及它們的固有運動方式。

·你將這個東西打碎，將它分解成為組成這個東西的一個個獨立的粒子。

·然後，你既可以將所有的這些粒子帶走，將它們轉移至你的目的地，也可以從目的地那兒將這些完全一樣、無法區分的粒子轉移到其它地方，準備重組。

·當你具備了這些粒子所有完整的信息，你就可以將這些粒子重新組裝起來，用類似「複製黏貼」那樣的方式造出一個和「本尊」一模一樣的新東西。

然而不幸的是，我們的世界受到量子力學法則的制約，這讓這一操作在現實生活中，變得要複雜得多。

圖註：海森堡測不準原理的示意圖

我們的宇宙受到一些非常重要、非常基礎的規則的支配，其中一條就是不確定性原理，即任何一個粒子的位置和動量不可同時被確定。你對粒子的位置或是動量測量得越精準，你對另一個參數知道得就越模糊。

這一法則也被稱之為「海森堡測不準原理」，我們不可能同時得知一個粒子的位置和動量信息，更不用提要一次測得所有粒子的位置和動量信息了。如果沒有這些信息的話，我們就不可能知道一個粒子的量子態，這樣看來，要將人進行「瞬移」似乎是不可實現的。

圖註：如何兩個粒子糾纏到了一起的話，那麼他們就存在一個互補波函數的性質，衡量一個粒子的量子態，就能知道另一個粒子的量子態。

然而，這也正是「量子隔空傳輸」（quantum teleportation）發揮作用的地方。量子隔空傳輸是一個真實存在的物理現象，但它本身實際上並不會傳輸或是瞬移任何粒子，它們真正所能傳輸的其實是不確定量子態的固有信息，而這也正是我們需要傳輸過去的東西。

這一過程是通過一對糾纏粒子（entangled particles）來實現的。舉個例子，當我們有一對糾纏粒子的時候，將其中一個粒子送到我們的目標位置，我們就可以通過量子隔空傳輸的機制，將你所在位置的量子態信息傳輸到目標位置，這一過程甚至可以在完全不知道，或是完全無法決定你所在位置的量子態信息的情況下進行。

1993年，查爾斯·貝內特(Charles Bennett)、吉爾斯·布拉沙德(Gilles Brassard)和克洛德·克雷波(Claude Crépeau)等人在他們聯合撰寫的論文里，發表了這一新發現。

圖註：號稱比光速還快的量子隔空傳輸（錯誤的）。事實上，沒有什麼信息交換得能比光速還快。

在過去的20多年裡，量子隔空傳輸現象雖然已經被科學界所熟知，並在許多不同的環境下，得到了實驗的驗證，然而它的應用目前卻依然很局限：

·它只適用於一對粒子；

·物質無法實現隔空傳輸；

·光量子的交換需用從源位置傳輸至目標位置；

·要實現在不丟失信號的情況下，去完成量子隔空傳輸受到傳輸距離的限制。

圖註：當我們想知道操作者那兒的粒子狀態的時候，即便利用量子糾纏性質，我們所得到的結果也未必會比瞎猜強。然而，我們還是可以將一個不確定的量子態傳輸到一個目標位置，但是即便你知道源位置的答案，目標位置處的量子態仍是無法確定。

此前，傳輸距離的限制意味著你最遠只能在幾千米的範圍內實現量子隔空傳輸。然而實際上，我們將信息從一個未知量子態傳輸至另一個位置的能力，要遠比我們自己所想像的要大得多。

但傳輸距離仍是受限的，以致於我們過去無法保證說信息能被傳輸至一艘太空船。而這也是為什麼我們說這次「將一個粒子從地球隔空傳送到了太空中的一顆衛星中」的這一新突破是如此的重要。

通過建立一個從地球到一顆太空衛星的通道連接，大多數的量子隔空傳輸都是通過一個空蕩蕩的空間實現的，所以它幾乎不會出現信號丟失的情況。就如這份新刊登出來的論文所描述的那樣：

「我們通過一個連接通道，首次實現將一個單獨光量子的量子位從地面天文台傳輸至了一顆地球低空軌道衛星上，實現了長達1400千米的量子隔空傳輸。」

圖註：GPS衛星在我們的日常生活中已經變得不可或缺了，無論是地圖導航還是玩《口袋妖怪Go》。將量子隔空傳輸技術融入到我們的衛星網路，我們就可以開發出第一套量子全球通信網路。

當我們具備了足夠數量的光量子，我們就沒有理由不去相信我們能將藏在量子態的終極宏觀組合——活生生的一個人——裡面的信息進行編碼，然後傳輸出去。然而不幸的是，具備了能編譯出一個人類的信息和從一堆原始粒子材料中將一個活人構建出來，完全是兩碼事。

以我們目前的科技水平來說，我們要將活人用量子態構建出來是完全不可能實現的。知道一個人的信息狀態——包括組成他的所有粒子的信息——是一回事兒，但要重組這個人完全就是另外一碼事兒了。

圖註：在電影《星際迷航》里，一名船員在「瞬移」中途被抓住了。

如果我們足夠幸運的話，藉助量子隔空傳遞技術，一個被傳輸來的單獨粒子的身上可以攜帶足夠的信息，它能告訴你，你想要知道的某個人身上的一個粒子的信息。然而，這一情況如果放大了再去看的話，就會變得非常複雜：

「人腦當中大約有1000億個神經元，它們之間存在著100萬億個聯繫。這就意味著我們需要考慮大約2100,000,000,000,000個可能存在的量子態組合，這一數字甚至要超過我們已知宇宙中所有粒子的總數。」

圖註：IBM的四量子位電路，它可以突破計算能力的極限，讓我們的計算機強大到能模擬整個宇宙。

「將一個粒子從地球隔空傳送到了太空中的一顆衛星中」的這一新突破，或許具有很高的應用前景，它或許能使量子計算機的研發取得革命性的突破，並將我們的計算能力提升到一個前所未有的新高度。

但如果要把人「瞬移」到其它地方，我們所需要提供的條件可不只是要把一個人的信息編寫進量子態那麼簡單。

如果說我們只需要一定數量的能組成人的「粒子」的話，那麼編寫人的「信息」的問題或許是可以解決的。然而，要從「理論的草圖」里把人給造出來——更不用說目標位置的那個「人造人」是否和源位置處的「本尊」是同一個人——完全就是另一個問題了。

如果我們能提出這個問題的解決方法，那「人類瞬移」才有可能從科幻小說的領域裡掙脫出來，成為現實。（止水）

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