揭秘量子隐形传态

重要和有用的定义

经典状态：当我们提到一个物理对象的经典状态时，通常是指它的位置，速度，加速度等。也就是说，为了知道其大小，我们需要知道什么作出预测。 知道了特定时间点这些量级的值，我们可以使用已知的运动方程式来猜测这些量级的值-系统的经典状态-在系统之前或之后的任何其他时间。 例如，如果我们知道一个球的速度和方向，就可以准确地预测它何时何地下落。

量子状态：量子状态是经典状态的对应物，但现在描述的是量子系统。 量子系统是一个物理系统，通常是微观的，需要对其进行描述，以考虑诸如叠加或纠缠之类的量子效应（我们将到达那里）。 这些系统的例子包括原子，电子，光子，任何粒子或少数粒子的系统等。为了使用量子力学方程式（与经典方程式不同），现在有非常重要的新数值，例如自旋或极化做出预测。

经典系统和量子系统之间最显着和最根本的区别之一是，在处理量子系统时，您随时都无法100％确保系统状态的安全。 大自然的方式是，如果您知道系统在特定时刻的状态（其大小的值），则只能知道系统在任何其他时刻处于一种或另一种状态的概率。时间。 这不是因为我们不能用更好的方程式来做得更好，而是因为自然不是确定性的。

当我们将量子隐形传态定义为您将一个量子系统隐形传态的过程时，意味着我们要从该系统中获取构成该THAT系统的所有东西，并将其设置在另一个系统上。 我们至少需要拥有这两个系统-初始系统和最终系统以及第三个系统，这使得实现隐形传送成为可能。 隐形传送后，初始系统将处于不同状态，因为这不是远程克隆。 实际上，用量子态不可能进行克隆（也许对于一篇新文章而言）。

光子：光子是点状的光粒子。 光子的量子态由其极化来描述。 除了偏振之外，所有光子都是相同的。 您已经知道了。 这是决定夏天每天是否光线通过偏光太阳镜的原因！ 我们可以将其想象为指向平面中任何方向的箭头方向。 从现在开始，我们将同时给出箭头的图像和代表其量子态的“ ket”。 这里有一些例子：

叠加：量子力学的原理之一是量子叠加。 宏观物体或系统始终处于良好定义的状态，而量子系统则并非如此。 它们可以处于不同状态的叠加，即光子可以处于由许多不同的偏振态形成的叠加状态，如上图中的左图。 在测量系统时，它会崩溃为叠加状态中的一种。 我们只能知道在测量时系统处于每种状态的概率。

纠缠：另一种量子原理是量子纠缠。 有时，当量子系统相互作用时，它们可能会陷入纠缠状态。 这意味着它们的状态不再被描述为独立的东西。 为了了解它们各自的状态，必须将它们整体视为两个状态。 然后，当测量其中一个时，不仅它崩溃了，而且另一个系统（即使距离很远）也崩溃了。 例如，如果两个光子碰巧处于纠缠状态，而您将一个带到月球上，而另一个则留在了地球上，那么当您测量其中一个时，您正在折叠两个光子并知道它们在那的状态时刻。 这正是我们用于量子隐形传态的东西。

如图所示，乘积状态和纠缠状态之间的区别在于，第二个状态不能分为两个因素-它不再是两个独立实体的乘积，而是一个整体。 就像我们可以用数字2描述一个状态，用数字4描述另一个状态。其乘积将是数字8。如果突然，整个描述变成了7-纠缠态-，因为7是质数，所以不能将其分解为两个数字，并且现在两个系统的描述都只有一个。

描述量子隐形传态过程

假设爱丽丝想将光子传送到鲍勃。 我们传送的信息是该光子的偏振方向。 有趣的是，爱丽丝不需要知道她想传送的光子的状态。 以下六个步骤描述了量子隐形传态过程。

步骤1.爱丽丝和鲍勃在他们之间处于纠缠状态。

这对于实现该过程至关重要。 在这种情况下，爱丽丝和鲍勃必须拥有两个光子-每个光子都拥有一个-处于纠缠状态。 这是我们一直在谈论的第三个光子发挥作用的时间。

因此，我们有了希望传播的爱丽丝光子-我们将其称为A1-，将爱丽丝的纠缠光子称为A2-，将鲍勃的光子称为B-。 这意味着它们中的每个都彼此远离，它们具有一个不能独立描述的光子，但与另一个光子一起作为一个整体描述。 与爱丽丝想传送的光子相反，这两个全局状态A2-B必须都为已知。

通常，与贝尔州一起使用是很常见的。 根据协议，它们通过组合两个光子的水平​​和垂直极化而对应于我们拥有的四个选项。 例如，上图中的左上状态描述了两个光子的总和为水平或垂直。 进行测量时，结果将以相同的概率同时处于水平或垂直状态。

因此，想法是爱丽丝和鲍勃同意准备由这四个贝尔状态之一描述的纠缠状态。 以所需的方式准备纠缠的状态并不容易，但是它们可以通过不同的方式进行处理。 很好的实验物理学家一直在这样做。

步骤2.爱丽丝想将她的光子A1发送给鲍勃。

就像我们说的那样，爱丽丝想在任何极化状态下将光子A1传递给鲍勃。 为了清楚起见，让我们选择一个特定的状态。 例如75.5°。

步骤3. Alice对全局状态进行度量。

爱丽丝同时测量A1和A2光子-一个要转移到Bob的状态，另一个要和Bob的光子纠缠在一起的状态。 这种测量将她的两个光子折叠到我们前面提到的四个贝尔状态之一-准确地说，为此，根据我们对这些状态的定义，她需要使用垂直或水平偏振器测量它们。 不仅如此，她的测量还通过以下四种方式之一使鲍勃的光子崩溃。 他们不知道下面四种可能性会发生什么，但是他们将知道当爱丽丝测量她时鲍勃的状态是什么。

Bob的光子状态现在被Alice知道，并且可以是以下选项之一：Alice的初始状态（结果1），Alice的初始状态翻转（结果2），Alice的初始状态（结果3）的互补，Alice的初始状态的互补。状态翻转（结果4）。 因此，如果当爱丽丝测量她的两个光子时，她得到了她和鲍勃对它们不再纠缠的光子所处的贝尔状态，那么鲍勃将恰好具有爱丽丝所处的状态！ 否则，爱丽丝针对两个光子相对于原始贝尔状态观察到的相同旋转就是鲍勃现在相对于爱丽丝的初始状态进行旋转！ 该系统显示出奇妙的对称性，使量子隐形传态成为可能。

步骤4.爱丽丝告诉鲍勃她的测量结果。

现在，鲍勃的光子崩溃到特定的极化状态，但他甚至不知道状态已经崩溃。 她需要爱丽丝告诉他，她测量了东西，得到了什么。

通过了解Alice的测量结果，Bob知道了他需要对折叠状态应用哪个逻辑门以检索Alice想要传送的状态。 就我们的示例而言，在与爱丽丝交谈之后，他将知道他必须扭转其光子极化的角度才能恢复爱丽丝的初始状态。

步骤5. Bob施加逻辑门。

鲍勃将适当的逻辑门应用于他的光子，以检索爱丽丝想转移给他的状态。

步骤6. Bob对他的光子进行测量。

最后，鲍勃（Bob）衡量结果的100％安全-忽略实验错误。 这将是爱丽丝起初在其独立光子中所拥有的。

注意。

值得注意的一点是，鲍勃无法知道爱丽丝是否测量过，因此必须等她告诉他。 这是一种机制，自然界可以通过这种机制进行传送，但仍然禁止即时传输信息。 实际上，瞬时发生的是，一个状态崩溃到了您想要的最远，这仅仅是因为您正在测量与其纠缠的状态。 但是，如果不涉及经典信道，则无法完成传送过程。 它仍然受到光速的限制，因为在此过程中，他们必须使用经典通道（例如电话）。 不违反爱因斯坦的狭义相对论！

正式方法

历史与实验方法

现在我们已经了解了量子隐形传态，让我们回顾一下历史并给出一些有趣的参考。

CH Bennet，G。Brassard，C。Crépeau，R。Jozsa，A。Peres和W. Wootters撰写的第一篇解释这一想法的论文是通过双重古典和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森通道传送未知量子态 。

从那时起，已经有许多使用不同量子系统的实验实现。 它们或多或少会很复杂，但基本思想始终是此处描述的过程。

量子隐形传态属于量子信息领域，即量子加密。 如今，对两者的研究都很多，主要是使用光子。 为了避免光子实验中的大气衰减，将卫星用作中继器是很有趣的。 今年，它是为此目的而首次发射的，他们报告说，量子远距传输的记录距离为1400公里（870英里）。

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