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导读
今天，我们来介绍量子隐形传态。这大概是整个量子信息中最具有科幻色彩的技术，因为它就是科幻作品中的——传送术。是的，传送术是有科学原理的！这是一个真正惊人的消息。
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本视频发布于2020年12月25日，播放量已近四百万
我们在这个系列的最初说过，中央集体学习的量子科技叫做量子信息，它包括量子通信和量子计算（让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（一）量子是什么 | 袁岚峰）。前面两期，我们介绍了量子计算。下面，我们来介绍量子通信。
说到量子通信，首先需要明白，这是一个广泛的研究领域，包含若干种不同的技术，量子隐形传态（quantum teleportation）、量子密码（quantum cryptography）、超密编码（dense coding）等等。媒体经常把这些技术搅和在一起，让读者稀里糊涂。实际上，媒体最常提到的量子通信技术是量子密码，这个我们会在后面介绍。
量子信息学科内容
今天，我们来介绍量子隐形传态。这大概是整个量子信息中最具有科幻色彩的技术，因为它就是科幻作品中的——传送术。是的，传送术是有科学原理的！这是一个真正惊人的消息。
《星际迷航》中的传送术
我们来讲一个相关的故事。有一位伟大的科学家叫做理查德·汉明（Richard Wesley Hamming，1915 - 1998），他是信息论的创始人之一。
理查德·汉明
1986年，他做了一个著名的演讲《你和你的研究》（You and your research）（http://www.cs.virginia.edu/~robins/YouAndYourResearch.html），讲了许多做人和做研究的大道理，我从中受益匪浅。
《你和你的研究》中的一句格言
有趣的是，演讲中有这样一段：
“我们没有研究过（1）时间旅行，（2）传送术，（3）反重力。这些不是重要的问题，因为我们没办法处理它们。使一个问题重要的，不是解决它带来的后果，而是你有合理的办法来对付它。”
【We didn't work on (1) time travel, (2) teleportation, and (3) antigravity. They are not important problems because we do not have an attack. It's not the consequence that makes a problem important, it is that you have a reasonable attack.】
你看，传送术当时被他跟时间旅行和反重力并列。但1993年，六位理论物理学家提出了一个方案，通过经典信道和量子纠缠信道传输未知量子态，这就是量子隐形传态。1997年，实验实现了这个方案。
所以在汉明做演讲的1986年，传送术还是一个纯粹的科幻。但在1993年尤其是1997年之后，传送术已经有科学原理了！
以后你就可以出一道题：下面哪一个跟其他性质不同？（1）时间旅行，（2）传送术，（3）反重力。答案是：传送术！
只要你记住这一点，你的知识水平已经超过了90%的人。不过我们立刻要加上一个提醒：量子隐形传态现在还不能传送一个人，我们可以做到的是传送一个粒子。
关于这项技术，有大量的误解。下面，我们就来解释若干个它“不是”什么，然后你就知道它“是”什么了。
首先，它传的不是粒子，而是状态。
也就是说，我们并不是让一个物体在这里消失，在那里出现，而是让一个物体的状态出现在远处的材料上。首先要有材料。打个比方，这里有一辆车，那里有一堆汽车零件，传送的结果是远处的汽车零件组装成了一辆车。
量子隐形传态
然后，它不是复制，而是传送。经常有人以为，这样会得到两个相同的人，于是立刻就产生一大堆伦理问题：哪个是真正的自己？！
实际上，在把状态传到远处的同时，本地粒子的状态必然会改变。好比远处的汽车零件组装成了一辆车，同时本地的汽车变成了一堆零件。所以永远都不会出现相同的两个状态，不会出现相同的两个人。
《天龙八部》中无崖子把功力传给虚竹
然后，它不是瞬间传输，而是需要时间的。经常有人以为量子隐形传态是超光速传输，很遗憾，这又是错的。
量子隐形传态有若干个步骤，其中有一步是传输一个经典的信息。这一步要用经典的通信方法实现，最高速度就是光速。所以量子隐形传态整个过程的最高速度也是光速，而不是无穷大。好比你开着一辆跑车狂奔，然后遇到一段堵车，那么你在其他路段跑得再快也没用，整个行程的速度都被这段堵车拖下来了。
跑车被堵在路上
最后，它不是扫描出状态再传输，而是传输未知状态。科幻作品中经常把传送术表现为先扫描一遍，读出一个物体的状态，然后传过去。
但我们在前面讲过，量子力学中的测量就会改变体系的状态（让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（二）量子力学三大奥义 | 袁岚峰），所以这条路是行不通的。量子隐形传态实际的做法非常巧妙，是通过量子纠缠来传输一个未知的状态。好比一个忠实的快递员，从头至尾不知道包裹里放的是什么，但原原本本地传到了目的地。东风快递，使命必达！
东风快递，坚持用真理说服人
总结一下，量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个体系的未知状态传输给另一个体系。打个比方，用颜色表示状态。A粒子最初是红色的，通过量子隐形传态，我们让远处的B粒子变成红色，同时A粒子变成了绿色。但我们完全不需要知道A最初是什么颜色，无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色。
如果你记住了量子隐形传态是什么和不是什么，还记住了它是通过量子纠缠实现的，那么你的知识水平就超过了99%的人。
如果你想知道它的具体步骤，那么我在这里只能大致告诉你：它需要用到三个粒子。
待传输状态的粒子是A，另外两个粒子B和C处于纠缠态。然后我们让A和C纠缠起来，对AC的整体做一个测量，测量结果是00、01、10、11这四个字符串之一。把这个测量结果发给远处的人，他根据这个信息对B做一个操作，就能让B变成A最初的状态。
量子隐形传态原理（https://www.nature.com/articles/37539/figures/1）
量子隐形传态基本步骤1（来自作者讲解量子信息的讲义）
量子隐形传态基本步骤2
如果你听不懂，这是正常的。不过如果你能记住用到了三个粒子、对两个粒子做测量，那么你的知识水平就超过了99.9%的人。如果你真的想透彻了解，那么你需要去看量子信息的专业教材，这知识水平就超过99.99%的人了。
量子隐形传态是量子通信中的一个技术，而它最大的用处，却是在量子计算当中。这是因为量子力学有一条定理，叫做量子态不可克隆，意思就是：一个未知的量子态是无法复制的。如果是已知的量子态，那当然可以复制，但未知的就不行。由此导致的一个后果是，量子计算机是没有复制这个操作的。
请仔细想想，这是多么惊人的一件事！在经典计算机中，我们整天用复制，例如windows中的ctrl + c然后ctrl + v，谁也不会觉得这有什么奇怪。但在量子计算机中，这个基本操作却是无法实现的。
对于一个未知的量子比特，你不能复制，只能移动。移动的办法，就是量子隐形传态。这就是量子隐形传态在量子计算中的作用，好比windows中的剪切，ctrl + x然后ctrl + v。
量子隐形传态现在哪个国家最先进？回答是中国。这里有个有趣的故事。
1997年，潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格（Anton Zeilinger）教授组里读博士。
塞林格
他们在《Nature》上发了一篇文章，标题是《实验量子隐形传态》（Experimental quantum teleportation）。这就是前面说的，量子隐形传态的第一次实现。潘建伟是这篇论文的第二作者。
1997年实现量子隐形传态的论文
（https://www.nature.com/articles/37539）
这篇文章引起了巨大的轰动，入选了《Nature》的“百年物理学21篇经典论文”。跟它并列的论文，包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。
塞林格问过潘建伟一个CCTV风格的问题：你的梦想是什么？潘建伟的回答是：在中国建设一个世界一流的量子物理实验室。
然后怎么样？他做到了！
回到科大工作以后，潘建伟真的建立了一个世界一流的量子物理实验室，做出了许多世界领先的成果，培养了许多杰出人才。
潘建伟在调试设备（资料图片）新华社记者 张端/摄
2015年，潘建伟和陆朝阳等人在《Nature》上发表了一篇文章，标题是《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》（Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon）。
2015年实现多自由度量子隐形传态的论文（https://www.nature.com/articles/nature14246）
你看明白他们的新成果是什么了吗？新成果是“多个自由度”。自由度就是描述一个体系所需的变量数目。简而言之，就是以前只能传一个性质，现在能传多个性质。多个是多少呢？其实就是两个。
打个比方，前面我们用颜色来表示状态，现在用颜色和形状来表示状态。A粒子最初是红色的球，通过量子隐形传态，我们让B粒子变成红色的球，同时A变成了绿色的方块。
媒体报道我国首次实现多自由度量子隐形传态
《道德经》说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”1997年，量子隐形传态实现了道生一。2015年，实现了一生二。从一到二，走了18年之久。
这项成果引起了巨大的轰动，被英国物理学会评为2015年十大物理学突破之首。这项成果还有一个奇妙的效果，就是开启了我的科普生涯。
2015年3月，我在微博上发了第一篇科普文章，标题是《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》（https://weibo.com/p/1001603817899448994963），引起了广泛的关注。现在大家在这里见到我，就要追溯到多个自由度的量子隐形传态。
作者的第一篇科普文章《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》
量子隐形传态的另一个研究方向，是扩展传输距离。2010年和2012年，潘建伟团队分别在长城和青海湖上空实现了16公里和97公里的量子隐形传态。2017年，他们又实现了“墨子号”量子科学实验卫星与地面站之间的量子隐形传态，距离长达1400公里。所以在这个研究方向上，中国也走在世界最前列。
星地量子隐形传态实验示意图
最后，你可能想问一个问题：我们什么时候能传一个人？
对此可以做一个大致的估计。12克碳原子是1摩尔，即阿伏伽德罗常数个原子，大约是6.023 × 1023。人的体重如果是60公斤，就大约有5000摩尔即3 × 1027个原子。描述一个原子的状态，姑且算作10个自由度，那么要描述一个人，就需要1028量级的自由度。
我们现在是什么水平呢？我们刚刚从1进步到了2……所以，嗯，我们的征途是星辰大海！向着夕阳奔跑吧，少年！
向着夕阳奔跑吧，少年！
扩展阅读：
《让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（一）量子是什么 | 袁岚峰》
《让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（二）量子力学三大奥义 | 袁岚峰》
《让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（三）量子纠缠 | 袁岚峰》
《让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（四）量子因数分解与破解密码 | 袁岚峰》
《让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（五）在九章中介绍九章 | 袁岚峰》
《你完全可以理解量子信息（11-12）| 袁岚峰》
《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》（https://weibo.com/p/1001603817899448994963）
背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
责任编辑：孙远
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