作者：@中科大胡不歸
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　　最近有一條消息“中科大潘建偉項目組實現(xiàn)量子瞬間傳輸技術(shù)重大突破”（http://m.guancha.cn/Science/2015_03_06_311259http://m.guancha.cn/Science/2015_03_06_311259），令許多人激動不已，觀者如堵。怎么個激動法？最常見的反應(yīng)有兩種。一種是：“你們說的每一個字我都認(rèn)識，但是你們說的東西我特么一點都聽不懂！贊??！”可以簡稱“不明覺厲”。另一種是：“以后到了公交站，刷卡，選地點，biu的一聲就出現(xiàn)在目的地公交站啦！爽！”可以簡稱“瞬間移動”。其實兩種反應(yīng)都是被小編誤導(dǎo)的，因為小編的配圖是《星際迷航》中的瞬間傳輸裝置（每次與量子傳態(tài)有關(guān)的報道他們總要配這個），前者可能認(rèn)真地讀了報道，發(fā)現(xiàn)根本沒法連成一個完整的故事。沒辦法，懂得科學(xué)原理的小編不多，小編能想到的“日常生活”對應(yīng)物只有這個“beam me up”。是不是很希望專業(yè)人士來做個準(zhǔn)確的科普？
　　我的專業(yè)是理論物理化學(xué)，按說沒資格科普量子信息。不過我好歹懂得比公眾多一些，并且請教了一位潘建偉院士組里的同事陳博士。雖然陳博士不是這篇文章的作者，而且一再聲稱他做的不是這一塊，對整個量子信息也了解有限（這是科研工作者的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)度，有一分證據(jù)說一分話），但還是提供了很多深入淺出的解讀，特此鳴謝。于是乎，我覺得我對這項工作有一定的宏觀了解，可以向公眾解釋解釋了。雖然在內(nèi)行看來很粗淺，但至少可以澄清一些誤解，讓你明白這項成果實際上是什么，不是什么，在科學(xué)史上處于什么位置，重要性有多高。我的敘述會力求簡明，讓高中以上文化水平的人都能看明白，同時力求準(zhǔn)確，給出正確的科學(xué)圖像。其實準(zhǔn)確的表述往往比似是而非的表述更容易理解，這是看了很多半通不通的報道和教材之后的感受?？傊?，包你懂！如果還是不懂……再看一遍?。?）
　　這項工作是2月26日以封面標(biāo)題的形式發(fā)表在國際頂級科學(xué)期刊《自然》（Nature）上的，文章標(biāo)題是《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態(tài)》（“Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon”）。這里新的成果是“多個自由度”，因為1997年就實現(xiàn)了單個光子的單個自由度的量子隱形傳態(tài)。那么，什么是光子？（這個問題大家應(yīng)該都知道，光子是光的最小單元，日常見到的一束光中包含非常多個光子。）什么是自由度？什么是量子？什么是態(tài)？什么是量子傳態(tài)？
　　一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說這個物理量是量子化的，把這個最小單位稱為量子。光子就是光量子，一束光至少包含一個光子，再少就不存在了。實驗發(fā)現(xiàn)，原子中電子的能量不是連續(xù)變化的，而是只能取一些分立的值，也就是說，原子中的電子能量是量子化的。量子化是微觀世界的普遍現(xiàn)象。20世紀(jì)上半葉（主要是從1900年到1930年），普朗克、愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克、玻恩、泡利等偉大的物理學(xué)家們創(chuàng)立了量子力學(xué)，這是我們目前對微觀世界最準(zhǔn)確的描述。相對論幾乎是愛因斯坦獨力創(chuàng)造出來的，量子力學(xué)卻是群星璀璨的產(chǎn)物。愛因斯坦在其中也發(fā)揮了非常重要的作用（提出光量子，這是他得諾貝爾物理學(xué)獎的原因，居然不是相對論?。?，但并不是最重要的，最重要的兩個貢獻(xiàn)者是普朗克和海森堡。不過上面無論哪一位，都比在世的物理學(xué)家偉大多了（楊振寧可能跟泡利相差不是很遠(yuǎn)？），這是時代的垂青，個人無法改變的。
　　量子力學(xué)描述世界的語言跟經(jīng)典力學(xué)有根本區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)描述一個粒子的狀態(tài)，說的是它在什么位置，具有什么動量。不言而喻的是，在任何一個時刻這個粒子總是位于某個位置，具有某個動量，即使你不知道是多少。量子力學(xué)描述一個粒子的狀態(tài)，卻是給出一個態(tài)函數(shù)或者稱為態(tài)矢量，這個態(tài)矢量不是位于日常所見的三維空間，而是位于一個數(shù)學(xué)抽象的線性空間。在這里我們不需要深究這是個什么空間，關(guān)鍵在于兩個態(tài)矢量之間可以進(jìn)行“內(nèi)積”的運算。內(nèi)積是什么？在三維空間中，兩個長度為1的單位矢量a和b做內(nèi)積(a, b)，得到的是它們夾角的余弦，即兩個矢量方向相同時得到1，方向相反時得到-1，互相垂直時得到0，所以內(nèi)積也可以理解為一個矢量在另一個矢量上的投影。對兩個態(tài)矢量也可以求這樣的內(nèi)積，結(jié)果是個復(fù)數(shù)（即有實部虛部，不一定是實數(shù)），而這個復(fù)數(shù)的絕對值小于等于1。
　　好，現(xiàn)在不可思議的新概念來了：對于任何一個物理量P（例如位置、動量），態(tài)矢量都可以分為兩類，一類具有確定的P，稱為P的本征態(tài)，P的取值稱為這個本征態(tài)的本征值；另一類不具有確定的P，稱為P的非本征態(tài)。非本征態(tài)比本征態(tài)多得多，如同無理數(shù)比有理數(shù)多得多。也就是說，絕大多數(shù)情況下，一個粒子是沒有確定的位置的！等等，什么叫做“沒有確定的位置”？是因為粒子跑得太快了，我們看不清嗎？量子力學(xué)說的不是這種常規(guī)（而錯誤）的理解，而是說：非本征態(tài)是一個客觀真實的狀態(tài)，跟本征態(tài)同樣客觀真實，它沒有確定的位置是因為它本質(zhì)上就是如此，而不是因為我們的信息不全。來打個比方，有些狀態(tài)可以用指向上下左右的箭頭來表示，于是你定義“方向”為一個物理量，但是還有些狀態(tài)是一個圓！圓狀態(tài)跟箭頭狀態(tài)同樣真實，只是沒有確定的方向而已。
　　但是讀者還會困惑，因為我們總是可以用儀器去測量粒子的位置，測量的結(jié)果總是粒子出現(xiàn)在某個地方，而不是同時出現(xiàn)在兩個地方，或者哪里都測量不到。好，下面就是量子力學(xué)的關(guān)鍵思想：對P的本征態(tài)測量P，粒子的狀態(tài)不變，測得的是這個本征態(tài)的本征值。而對P的非本征態(tài)s測量P，會使粒子的狀態(tài)從s變成某個P的本征態(tài)f，概率是s與f的內(nèi)積的絕對值的平方|(s, f)|^2，發(fā)生這個變化后測得的就是f的本征值。用上面的例子來說，對箭頭狀態(tài)測方向，狀態(tài)不變，得到的就是箭頭的方向；對圓狀態(tài)測方向，圓狀態(tài)會以相同的幾率變成任何一個箭頭狀態(tài)，得到的是這個新的箭頭狀態(tài)的方向。對位置的非本征態(tài)測量位置，就會測得粒子出現(xiàn)在某個隨機(jī)的位置，而出現(xiàn)在空間所有位置的幾率之和等于1。怎么知道測量結(jié)果是隨機(jī)的呢？制備多個具有相同狀態(tài)的粒子，把實驗重復(fù)多次，就會發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果每次都不一樣。沒錯，量子力學(xué)具有本質(zhì)的隨機(jī)性，同樣的原因可以導(dǎo)致不同的結(jié)果，這是跟經(jīng)典力學(xué)的又一大區(qū)別。
　　你也許會覺得上面這些說法簡直莫名其妙，但是現(xiàn)在絕大多數(shù)科學(xué)家都對它們奉若圭臬。為什么呢？因為這套奇怪的理論跟實驗符合得很好，而經(jīng)典力學(xué)卻不能。當(dāng)然，這是哲學(xué)性的原因，而操作性的原因很簡單：現(xiàn)在的科學(xué)家受的都是量子力學(xué)的教育。普朗克有一句非常有趣的話：“新的科學(xué)真理并不是由于說服它的對手取得勝利的，而是由于它的對手死光了，新的一代熟悉它的人成長起來了?！闭\哉斯言！
　　事實上，現(xiàn)在仍然有不少人對量子力學(xué)提出各種各樣的挑戰(zhàn)，包括不少專業(yè)科學(xué)家，民科就更多了（當(dāng)然挑戰(zhàn)相對論的民科更多）。歷史上，挑戰(zhàn)量子力學(xué)的勢力更加強(qiáng)大，其中的帶頭大哥就是--愛因斯坦！老愛堅信粒子應(yīng)該具有確定的位置和動量，世界的演化應(yīng)該是決定性的，對前面說的量子力學(xué)的不確定性和隨機(jī)性十分不滿。用他自己的話來說，他相信“沒有人看月亮的時候，月亮仍然存在”，以及“上帝不擲骰子”。
　　如果是一般人，表達(dá)完信念也就沒事了。但愛因斯坦是超級偉大的科學(xué)家，神一樣的人物，他不會滿足于只做口舌之爭，而是要設(shè)計一個判決性的實驗，以可驗證的方式證明量子力學(xué)的錯誤。于是乎，1935年，愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）提出了一個思想實驗，后人用他們的首字母稱為EPR實驗。你可以制備兩個粒子A和B的“圓”態(tài)，使得在這個狀態(tài)中兩個粒子的某個性質(zhì)（如電子的自旋角動量、光子的偏振）相加等于零，而單個粒子的這個性質(zhì)不確定。這樣一對粒子稱為EPR對。然后你把這兩個粒子在空間上分開很遠(yuǎn)，任意的遠(yuǎn)，然后測量粒子A的這個性質(zhì)。好比你測得A是“上”，那么你就立刻知道了B現(xiàn)在是“下”。問題是，既然A和B已經(jīng)離得非常遠(yuǎn)了，B是怎么知道A發(fā)生了變化，然后發(fā)生相應(yīng)的變化的？EPR認(rèn)為A和B之間出現(xiàn)了“鬼魅般的超距作用”，信息傳遞的速度超過光速，違反相對論。所以，量子力學(xué)肯定有錯誤。
　　這個問題非常深邃，直到現(xiàn)在都不斷給人以啟發(fā)。不過量子力學(xué)的正統(tǒng)衛(wèi)道士有一個標(biāo)準(zhǔn)回答：處于“圓”態(tài)的A和B是一個整體，當(dāng)你對A進(jìn)行測量的時候，A和B是同時發(fā)生變化的，并不是A變了之后傳一個信息給B，B再變化，所以這里沒有信息的傳遞，不違反相對論。這個回答怎么樣？無論你信不信，反正我信了。不過愛因斯坦一直都不信，以這個他參與創(chuàng)建的理論的反對者的身份走完了一生。
　　在愛因斯坦的時代，EPR實驗只能在頭腦中進(jìn)行。隨著科技的進(jìn)步，這個實驗可以實現(xiàn)了。1980年代，阿斯佩克特等人做了EPR實驗，結(jié)果你猜怎么著？完全跟量子力學(xué)的預(yù)言符合！真的是你測得一個EPR對中的A是“上”的時候，B就變成了“下”。本來是設(shè)計出來否定量子力學(xué)的，反而驗證了量子力學(xué)的正確性。這種事在科學(xué)史上屢見不鮮。17世紀(jì)的時候，牛頓主張光是粒子，惠更斯主張光是波動。牛頓按照惠更斯的理論計算出一個現(xiàn)象：把一束光射向一個不透明的小圓片，在圓片的背后中心位置會出現(xiàn)一個亮點，而不是暗點。牛頓認(rèn)為這是不可能的，宣布駁倒了惠更斯?？墒莿e人一做這個實驗，發(fā)現(xiàn)真的就是如此，結(jié)果成了牛頓親手證明惠更斯的正確。這正應(yīng)了尼采的話：“殺不死我的，使我更強(qiáng)大！”
　　EPR現(xiàn)象既然是一個真實的效應(yīng)，而不是愛因斯坦等人以為的悖論，人們就想到利用它。量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）就是一個重要的應(yīng)用。英文單詞teleportation就是科幻藝術(shù)中biu的一聲把人傳過去的瞬間傳輸，tele是遠(yuǎn)，port是傳，所以小編們報道這種新聞總是配傳人的圖片，《星際迷航》中的Spock發(fā)來賀電！可是，在量子信息研究中實際做的是把一個粒子A的量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個粒子B，讓B復(fù)制A的狀態(tài)，注意傳的是狀態(tài)而不是粒子。當(dāng)然你可以說傳人也是把人的所有原子的狀態(tài)傳到遠(yuǎn)處的另外一堆原子上，組合成一個同樣的人。OK我沒意見，只不過為了避免混淆，中國的科學(xué)家們還是小心謹(jǐn)慎地把teleportation翻譯成了隱形傳態(tài)。
　　量子隱形傳態(tài)是怎么操作的呢？基本思路是這樣：讓第三個粒子C跟B組成EPR對，而C跟A離得很近，跟B離得很遠(yuǎn)。讓A按照某個密碼跟C發(fā)生相互作用，改變C的狀態(tài)，于是B的狀態(tài)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。再通過經(jīng)典的通訊手段（比如電話、光纜）把密碼告訴B那邊的人，對B按照密碼進(jìn)行反向操作，就得到了A的狀態(tài)。這里的基本元素包括作為中介的C、密碼和傳輸密碼的經(jīng)典信道。
　　量子隱形傳態(tài)是在什么時候?qū)崿F(xiàn)的？答案是1997年，當(dāng)時潘建偉在奧地利維也納大學(xué)的塞林格（Zeilinger）教授組里讀博士，他們在《自然》上發(fā)表了一篇題為《實驗量子隱形傳態(tài)》（“Experimental quantum teleportation”）的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等等，這個陣容強(qiáng)大得嚇?biāo)廊恕．?dāng)然，量子隱形傳態(tài)的重要性不能和那些神級成果相提并論，不過也已經(jīng)相當(dāng)了不起了，尤其是在基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)很久沒有革命的當(dāng)代。
　　現(xiàn)在終于可以說到潘建偉研究組最新的這個工作了。1997年實現(xiàn)的是單個光子的單個自由度的量子隱形傳態(tài)，現(xiàn)在實現(xiàn)的是單個光子的多個自由度的量子隱形傳態(tài)。自由度是什么？自由度就是描述一個體系所需的變量的數(shù)目。例如一個靜止在一條線上的粒子，描述它只需要一個數(shù)，自由度就是1。靜止在一個面上的粒子，自由度就是2。三維空間中的靜止粒子，自由度就是3。描述三維空間中一個運動的粒子，需要知道位置的3個分量和動量的3個分離，自由度是6。光子具有自旋角動量和軌道角動量，如果你看不懂這兩個詞，沒關(guān)系，只要明白它們是兩個自由度就夠了。在以前的實驗中，傳的只是軌道角動量的狀態(tài)。但是如果你想真正傳輸一個光子的完整狀態(tài)，應(yīng)該把這兩個自由度的狀態(tài)都傳過去。潘建偉研究組實現(xiàn)的就是這件事。所以完整意義的量子隱形傳態(tài)，應(yīng)該說是2015年才實現(xiàn)的。
　　這兩個實驗之間為什么隔了18年之久呢？因為前面說的全都是理論，而在實驗操作中有非常多的技術(shù)困難。為了解決這些困難，他們“巧妙地設(shè)計了利用單光子非破壞測量技術(shù)實現(xiàn)自旋和軌道角動量多自由度貝爾態(tài)測量的新方案，制備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺”。不要問我這些是什么意思，對量子信息的業(yè)外人士來說這些是技術(shù)細(xì)節(jié)了。重要的是，這些技術(shù)進(jìn)步都非常新穎，非常困難，通過這些實驗手段的創(chuàng)新，他們終于達(dá)到了多自由度隱形傳態(tài)的目的。其實這個目的實現(xiàn)得還不是非常完美。文章摘要里有一句“傳輸?shù)谋Ｕ娑龋╢idelity）位于0.57至0.68之間”，也就是說，有40%左右的可能性傳輸失敗！這是實驗中的種種噪聲、損耗造成的，不是理論的限制，以后可以繼續(xù)提高。在單自由度的傳態(tài)中，保真度已經(jīng)能達(dá)到99%以上了。這是現(xiàn)代科研的常態(tài)，在一個看似簡單的故事下面隱含著無數(shù)的技術(shù)細(xì)節(jié)。這是隔行如隔山的來源，也是民科在當(dāng)代的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)比歷史上小的原因。
　　知道了這項成果是什么，我們可以來回答它不是什么了。很遺憾，它不是biu的一聲把人傳走。當(dāng)然，可以說是朝這個方向前進(jìn)了一步，而且是一大步。多大的一步？如果用《老子》的話：“道生一，一生二，二生三，三生萬物?！?997年是實現(xiàn)了道生一，這次是實現(xiàn)了一生二。不過，離傳人有多遠(yuǎn)的距離呢？可以這樣估算。12克碳原子是1摩爾，即6*10^23個。人的體重如果是60公斤，就大約有5000摩爾的原子，即3*10^27個。描述一個原子的狀態(tài)，我不知道要多少個自由度，姑且算作10個吧。那么要描述一個人，就需要10^28量級的自由度。我們現(xiàn)在剛剛從1進(jìn)步到了2……就連這個2也不是非常穩(wěn)定的，還有40%的幾率傳錯，想想如果你身上1%的細(xì)胞出了錯會怎么樣？所以，嗯，我們的征途是星辰大海！騷年，向著夕陽奔跑吧！
　　由于這項工作的重要性，《自然》在同一期上評論道：“該實驗為理解和展示量子物理的一個最深遠(yuǎn)和最令人費解的預(yù)言邁出了重要的一步，并可以作為未來量子網(wǎng)絡(luò)的一個強(qiáng)大的基本單元?！边@是一個恰如其分的評價。如果你要問，能不能得諾貝爾獎？我不好說，不過如果真有一天得獎，塞林格應(yīng)該在前面，因為道生一肯定比一生二重要。當(dāng)然，潘建偉和他的團(tuán)隊都還很年輕，他們有無限的可能性，將來因為其它的成就得諾貝爾獎也未可知?？茖W(xué)最大的魅力之一，就是一切皆有可能。（來，干了這碗雞湯！）
　　潘建偉研究組是量子信息的世界領(lǐng)導(dǎo)者之一，當(dāng)然不好說是最先進(jìn)的，因為在歐洲、美國也有跟他們差不多水平、各有千秋的研究組。在量子保密通信這個領(lǐng)域他們做得尤其突出，創(chuàng)造了多項傳輸距離的世界紀(jì)錄，已經(jīng)有多個政務(wù)網(wǎng)投入實用，并將在2016年發(fā)射量子衛(wèi)星。目前中國很少有領(lǐng)域具有這樣領(lǐng)先的世界地位，彌足珍貴。
　　值得特別強(qiáng)調(diào)的是，中國的量子信息絕不是一花獨放，而是百花爭春。僅僅在科大，比較大的研究組就有潘建偉院士、郭光燦院士、杜江峰教授三家，比較小的我就數(shù)不過來了。順便說一下，最近杜江峰研究組在3月6日的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了題為《日常環(huán)境下單蛋白質(zhì)的自旋共振譜》（“Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions”）的文章，周榮斌研究組在1月15日的《細(xì)胞》（Cell）雜志上發(fā)表了題為“Dopamine controls systemic inflammation through inhibition of NLRP3 inflammasome”的文章。在2015年的前3個月，科大在《自然》、《科學(xué)》和《細(xì)胞》這三大國際頂級期刊（合稱CNS）上各發(fā)了一篇，堪稱開門紅。當(dāng)然，對CNS大驚小怪仍然是中國的大學(xué)科研水平有限的證據(jù)，因為還是少嘛。什么時候CNS多得大家都不當(dāng)回事了，不再關(guān)心文章發(fā)在什么地方，只專注成果的科學(xué)重要性，那就真的是世界一流大學(xué)了。
　　據(jù)我了解，中國的量子信息研究是從1990年代開始的。那時郭光燦從量子光學(xué)轉(zhuǎn)向量子信息，迎來了事業(yè)的高峰。潘建偉那時只是研究生，現(xiàn)在已經(jīng)是國際領(lǐng)軍人物了。從這些軌跡可以看出，一個國家的科學(xué)可以進(jìn)步得有多快。1999年左右，楊振寧到科大演講《近代科學(xué)進(jìn)入中國的回顧與前瞻》，結(jié)論是：“以下的幾個長遠(yuǎn)的因素是使得一個社會、一個國家能夠有輝煌的科技發(fā)展的必要條件。第一個是需要有聰明的年輕人，有頭腦做科學(xué)研究；第二是需要有重視紀(jì)律、重視忍耐心、重視勤奮的社會傳統(tǒng)；第三要有決心；第四要有經(jīng)濟(jì)條件?！袊?0世紀(jì)里有前三者，到了21世紀(jì)我認(rèn)為將四者具備，所以我對21世紀(jì)中國科技的發(fā)展是絕對樂觀的?！碑?dāng)時我十分不以為然，因為中國有太多的問題，腐敗，專制，貧富差距，世風(fēng)日下……所以，楊先生，您是不是老糊涂了？不錯，當(dāng)時我傾向于崩潰論，對中國的前途十分悲觀。后來隨著眼界的擴(kuò)大，越來越發(fā)現(xiàn)楊振寧講的是完全正確的。雖然他這些道理看起來無比的質(zhì)樸，簡直是土得掉渣，但實際上是“重劍無鋒，大巧不工”?？茖W(xué)大師關(guān)于科學(xué)發(fā)展的眼光確實比我們高得多，不服不行。你說中國沒人才，耐心培養(yǎng)不就是了？以中國人的天分，說不定一搞就搞出個國際領(lǐng)導(dǎo)者來?？茖W(xué)最大的魅力之一，就是一切皆有可能。（來，再干了這碗雞湯?。?br>　　在這里我要講一個故事。美國物理學(xué)家拉比（1898-1988）年輕的時候去歐洲留學(xué)，發(fā)現(xiàn)美國的物理雜志《物理評論》是被一年一次用船運過去的，說明在歐洲科學(xué)界看來美國的物理學(xué)根本不值得重視。拉比暗下決心振興美國物理學(xué)，回國后擔(dān)任了《物理評論》的主編，如今這本雜志是世界物理學(xué)界最著名的期刊之一，美國的物理學(xué)是世界上最先進(jìn)的。美國化學(xué)家鮑林（1901-1994）也是在去歐洲留學(xué)之后，把美國的化學(xué)提升到了世界最先進(jìn)水平。
　　如果當(dāng)時有“冷靜黨”跳出來說美國人不行，永遠(yuǎn)趕不上歐洲，也能找到無數(shù)的證據(jù)。而這樣的“冷靜黨”在中國一抓一大把，正如@吏部尚書吉哈克 所說：“中國人的意識已經(jīng)跟不上中國的發(fā)展了。國家頂尖的科研人員已經(jīng)搞的是人類科學(xué)中頂尖的那些東西了，而民眾甚至人大委員卻還在迷戀日本的馬桶圈和電飯煲……腳用30年走了人家300年的路，腦子卻留在了30年前……”
　　你愿意向頂尖的科研人員看齊嗎？中國最大的魅力之一，就是一切皆有可能。