量子态隐形传输就是指利用“量子纠缠”技术，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。量子隐形传态是一种传递量子状态的重要通信方式，通俗地讲，就是将编码在光子中的量子信息从一个地点远程传输到另一个地点。

2016年9月中国科学技术大学教授潘建伟、张强等与相关单位合作，在合肥量子城域通信试验网上首次实现了预先纠缠分发的独立量子源之间的量子态隐形传输。我国科学家在量子通信研究上再次创造世界纪录：由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组，成功实现了16公里的量子态隐形传输，这一距离是目前世界最远距离的20多倍。

量子态隐形传输

量子纠缠

卫星网络、光纤网络等

中国科学技术大学

潘建伟

简介

量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它不再是经典信息的传输，而是量子态携带来的量子信息。在以往经典传输状态下，一个个独立的光子各自携带信息通过发送和接收装置进行信息传递；但在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组互相关联，并可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方同时瞬间出现，量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性。

有历史学家总结：18-19世纪是机械世纪，20世纪是信息时代，现在的21世纪是量子世纪。在量子信息科学发展的初期，物理学家就发现量子一般都是成双成对的，并发现了量子的纠缠现象。量子纠缠是一种量子的力学现象。比如在量子态下两个光子其中一个被控制后，状态发生了变化，另一个也会即刻发生相应变化，就仿佛像“心有灵犀”般的双胞胎，两颗光子间像有了超光速的秘密通信一样，即使距离遥远仍然保持着特别的关联性，这种相互关联性就叫量子纠缠。

量子态的隐形传输在没有任何载体的携带下，而只是把一对携带信息的纠缠光子分开来，将其一的光子发送到特定的位置，就能准确推测出另一个光子的状态，从而达到“超时空穿越”的通信方式和“隔空取物”的运输方式，那会给将来的能源革命，空间航天技术带来多少的好处！中国已领先世界实现自由空间远距离量子通信技术，并验证了在外层空间与地球之间的分发纠缠光子的可行性，和证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来的卫星中继全球化量子通信网络奠定了可靠基础。

现有的量子保密通信主要通过量子密钥对经典信息进行加密传输，随着技术的发展，最终的量子保密通信将会实现量子信息的传输，通过光纤网络进行量子隐形传态有望极大提高互联网连接的安全性和强度。然而，利用光纤网络进行长距离量子隐形传态需要独立的光源，且在长距离传输后，两个光源的光束没有差别，成为量子隐形传态的技术挑战。

量子隐形传态（Quantum teleportation），又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息（physical information）的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

量子遥传并不会传送任何物质或能量。这样的技术在量子信息与量子计算上相当有帮助。然而，这方式无法传递传统的资讯，因此无法使用在超光速的通讯上面。量子遥传与一般所说的瞬间移动没有关系–量子遥传无法传递系统本身，也无法用来安排分子以在另一端组成物体。

2015年12月11日，英国物理学会主办的《物理世界》（Physics World）公布2015年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等以“多自由度量子隐形传态”的研究成果荣登榜首；中国科学院物理所方忠、翁红明等凭借外尔费米子的先驱性研究入选。

历史沿革

1993年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案：将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。

1995年，潘建伟完成硕士学位论文《量子佯谬》。十多年来，他寻找粒子相互联系的“神奇力量”。

1997年由潘建伟及其奥地利同事首次完成的单光子量子态隐形传输是量子信息发展的一个里程碑。

1999年，在国内学术界对量子通信领域的研究还很陌生时，潘建伟及其同事有关实现未知量子态远程输送的研究成果，同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果，一起被著名的《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”。

2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。2004年，中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。该小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。

2005年4月22日，潘建伟与同事们又在国际上首次证明了纠缠粒子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，其纠缠的特性仍然能够保持，为实现全球化的量子通信奠定实验基础。

2006年中国科大量子信息与量子物理创新群体又有新成果。10月出版的英国《自然》杂志在其子刊《自然·物理》以封面文章的形式发表了，中科大合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟及他的同事杨涛、张强等完成的研究成果：两粒子复合系统量子态隐形传输的实验实现。这是实现“时空穿梭”的基础性研究。这篇文章也是中国科学家首次在该杂志发表封面文章。

2007年开始，中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。该成果已经发表在6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》上。

2012年8月，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。“在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将能达到1000公里以上，基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。

2012年9月，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家实现了量子态隐形传态最远距离——143公里，创造了新的世界纪录。

2016年8月16日，中国率先在酒泉卫星发射中心成功发射我国自主研发的世界首颗量子通讯卫星——“墨子号”，这标志着我国在量子通信技术方面跻身世界前列，并且标志了人类在量子通信方面迈出的重要一步。

《人民日报》2016年9月20日报道，中国科学技术大学教授潘建伟、张强等与相关单位合作，在合肥量子城域通信试验网上首次实现了预先纠缠分发的独立量子源之间的量子态隐形传输。该研究成果9月19日在线发表在英国《自然·光子学》上。同日刊发的还有加拿大研究团队的量子隐形传态实验成果。这两项独立研究表明，城际网络进行量子隐形传态在技术上是可行的，这为未来可扩展量子网络的构建奠定了坚实基础。

工作原理

利用类圈体三旋模型的多态性和同时性演示、就能教育普及类似量子计算机的量子逻辑。这是孤子演示链对DNA双螺旋结构的孤波成功模拟后揭示开的。同时，这还可能为科学提供21世纪里广泛认识自然、生命、社会现象的数学思维。其原理说明如下：

两列圈链的耦合编码，由于链圈与链圈上下之间的正交，出现左右、前后两种共轭的编码。以圈子与圈子一对一的套接设为1，大于或小于一对一的套接设为0，孤子演示链的编码从上往下的结构是：①领圈00；②左10，右11；③前01，后10；④左01；右10；⑤前10，后01；⑥左10，右01；⑦前01，后10；⑧左01，右10……该共轭编码，只要让第②层的右圈变为领圈，即让原领圈自由落下，就会发生孤波滚动；反之恢复原先的领圈地位，即让后者自由落下，也要发生孤波。

这种滚动不是领圈真正落下，而是圈套之间传递着一种信息、能量和相位，构成类似螺旋状的搅龙轨迹。因此具有类似贝克隆变换的表达式，这是一种类似SG（正弦--戈登）方程的非线性偏微分方程的描述。这种SG方程有正负扭状孤立子解，分别叫正扭和反扭。孤子演示链与DNA双螺旋结构相对应，它的左右、前后双共轭编码，对应DNA中腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T等四种碱基的T与A、C与G必定配对的编码。

孤子演示链不仅揭示了DNA双螺旋结构中存在的孤波现象，而且还揭示了自然界和人类社会中普遍存在的共轭编码场现象。例如数学中的正负、加减、连续与间断；物理学中的正反、冷热、波与粒；化学中的酸碱、氧化与还原；生物学中的雌雄、生死、进化与退化……等等大量的事物与概念，显露出共轭无处不在。

只是人们还没有把共轭与双共轭和多共轭联系起来，没有把双共轭和多共轭与编码联系起来，没有把共轭编码及其强弱与孤波以及四种相互作用和贝克隆变换、SG方程等深层次现象及现代数学联系起来。2003年5月四川科技出版社出版的《三旋理论初探》中，有关《生命与量子计算机》和《双螺旋结构与量子计算机》的章节，以及2003年9月在天津古籍出版社出版的《解读＜时间简史＞》等两本专著，为潘建伟教授的多粒子量子纠缠态隐形传输，在没有光纤联结和存在噪声干扰的情况下提供了清晰的图像说明和详尽阐述。

实验研究

德国科学家首次测量到电子通过量子信道“逃离”原子。德国科学家在最新一期英国《自然》杂志上发表论文称，他们首次测量到通过量子信道“逃离”原子的电子，而且发现每个电子“逃离”的速度极为惊人。

量子信道在微观世界普遍存在，“量子信道指的就是量子在里面传输不受影响的通道。”中国科学技术大学，中科院量子信息重点实验室副主任韩正甫教授说：“量子信道在量子物理学中相称于光学里，光纤这样的光学信道和通信中一般的电线。”但电线是有形的，量子信道迄今为止却从未被观测到。 

由于电子带负电荷，在带正电荷的原子核的吸引下电子被束缚在原子内部。假如电子没有在一段时间内获得足够的能量，它就无法“逃离”原子核的束缚。但量子力学可以提供另一种方法，电子可以直接通过量子信道逃脱出来，这在物理学中叫遂穿效应。打个比喻，这就像在大碗中放一个小石子，石子不会出来。除非石子的能量很大，大过碗壁的能量时，它就会从碗的上面跳出来。 

但是量子物理学上有一个非常希奇的效应，当碗壁足够矮，非常薄，即便碗壁的能量依然大于石子的能量，石子也会莫名其妙地跑出来，毕竟它是怎样出来的谁也不知道，就像变魔术一样。而这个跑出来的“石子”实际上是通过一个隧道跑出来的，这个通道就是量子信道。

德国科学家最新的实验成果就是利用百亿分之一秒的阿秒激光级脉冲攻击氖原子从而观察到了隧穿效应的全过程，而且证明了量子信道的存在。韩正甫教授解释说，这就像我们看运动员跳高或者跳远的时候，眼睛并不能看清晰他们的身体在腾空过程中的每个粗大变化，而通过慢动作我们却可以把每一瞬间看清楚。

如此同时，美国国家标准与技术研究所的科学家是利用激光技术，对三个带有正电荷的铍原子的量子态进行操作。首先，他们利用量子纠缠技术使其中两个原子的量子态完全一致。接着，他们准确地测量了这两个原子的量子态，然后通过激光将它们的量子态复制到8微米外的另一个原子上。

整个过程由计算机控制，仅耗时4毫秒，传输成功率达到78%。而另一个研究小组的奥地利因斯布鲁克大学的科学家则采用钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为75%。其基本原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个原子。但两项实验在具体方法上有所不同，奥地利小组使两个原子距离相对较远，以便用激光单独地改变一个原子的状态；美国小组则将原子冷却以保持操作的可靠性。

紧接着，奥地利因斯布鲁克大学的科学家领导的另一个研究小组则采用钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为75%。试验原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个(chuan2di4gei3ling4yi1ge4)原子。

2004年起，中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始试验探索在自由空间实现更远距离的量子通信，先后取得多项成果。2007年开始，中国科大与清华大学联合研究小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，最终在2009年成功实现16公里的世界上最远距离的量子态隐形传输，证实量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定可靠基础，使得全球化量子通信网络的最终实现迈出重要一步。

想象

“瞬间转移”和“穿墙术”是否能实现？通过量子信道，电子能瞬间逃离原子，小石子莫名其妙就穿过了碗壁，难道所谓的“瞬间转移”和“穿墙术”这些曾经只出现在神话和科幻小说中的场景果真是可以实现的？

《封神演义》中的土行孙，他会突然消失，一转眼又从别的地方冒出来。在科幻系列电影《星际旅行》中，发送人体是一件最寻常不过的事情。在一台魔术装置中，宇航员的身体忽然一闪，便消失得无影无踪，之后他会出现在任何一处希望抵达的地点，甚至是外星球。只要那个地方有一台类似的接收器，除了平淡地说一句“发射我吧，苏格兰人！”之外，没有人会把它当做话题来谈论。

想象一下，如果这样的技术有一天能够普及，那么我们出门旅行再也不用费力的转乘各种交通工具，而只要运用这种传送工具，瞬间就能把我们“转移”就任何我们想去的地方。

韩正甫教授说(hanzhengfujiaoshoushuo)，理论上这样的场景是可以实现的，物理学上叫做量子态隐形传物。从物理学角度，可以这样来想象隐形传物(chuan2wu4)的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。

技术难题

难题一

人的身体是由物质组成的，如果用光速把人的身体移动到另一个地点，那么，就必须将它“唯物质化”。经物理学家计算，单单突破原子核内部的限定力，就必须把身体加热到1万亿摄氏度———这比太阳内部的热度还要高几百倍。只有在这一温度下，物质才能变为光，并通过光速输送就任何一个地点。而对每一个被输送的人来说，所使用的能量要超过迄今为止人类全部能量消耗的大概1000倍。 

难题二

发射仪器必须在目的地将人重新组合起来。为了知道如何组合，它就需要获得人体所有原子结构的精确信息。如果每一个原子约为1000字节，描述人体的所有原子总共需要10的31次方的字节，而目前世界上全部图书所含有的信息约为10的15次方字节，仅是完整描述一个人所需要的信息的1亿分之一。仅传输这些数据对于今天速度最快的计算机来说，也会花去比宇宙年龄还要长2000倍的时间。 

难题三

精确描述人的原子结构是最棘手的问题，从根本上来说是不可能的。因为根据海森伯测不准原理，我们不可能获得一个粒子的全部信息。例如，如果我们想知道一个粒子的位置，那么我们就会失去所有关于它的速度的信息，反之亦然。

实验突破

由中科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破，可能使这种以往只能出现在科幻电影中的“超时空穿越”、“瞬间转移”等神奇场景变为现实。 

拆分光子实现隐形传输 

据该项目联合小组研究成员彭承志教授介绍，在一般状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。“量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。”彭承志表示。 

中科大专家5年努力今成正果 

早在2004年，中科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。据了解，该小组2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。

2007年开始，中科大—清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。 

国产技术打破世界纪录 

量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。

然而，中国的量子态隐形传输技术则取得了突破性进展。2010年6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》以封面论文形式发表中国科学家量子态隐形传输的最新研究成果：中科大和清华大学组成的联合小组成功实现16公里的世界上最远距离的量子态隐形传输。

技术应用

潘建伟教授及其同事在研究中发现，适当降低被传输量子态的亮度可在不破坏被传输态的条件下成功传输量子态。这一研究成果，与高精度的纠缠态纯化一起，可从根本上解决目前在远距离量子通讯中由“退相干效应”带来的困难，并将极大地推动可容错量子计算的实验研究。

潘建伟开展的一项实验表明，不管两个粒子之间的距离有多远，哪怕其间全是“自由空间”，二者也有根本的互相联系，其中一个粒子状态的变化都会影响到第二个粒子的状态。而且，两个相距遥远的光子即使在没有光纤联结和存在噪声干扰的情况下，也可以纠缠在一起。而在他们开展以上实验之前，两个粒子间的量子纠缠要么发生在相对很短的距离，要么将两个粒子通过光纤联结起来。然而，也许今后能解开爱因斯坦之谜密钥的三旋理论，更会形成超级量子计算机和“万无一失”的密码系统的基础而做出贡献。

但过去的量子态隐形传输实验，在确定传输量子态成功的同时，必须以破坏被传输的量子态为代价，这就使其不可能在量子通讯和量子计算中有进一步的应用。

量子纠缠做为量子信息科学的核心资源，是目前国际上的研究热点，基于量子纠缠的量子态隐形传输是量子计算和量子中继中的基本过程，而16公里这个距离能够等效大气的有效厚度，对于未来实用化全球量子通信网络的建立具有十分重要的意义。这样的自由空间量子通信的前景就是，未来发射卫星上天，利用卫星平台中转实现全球化量子通信。