量子隐形传态为什么更高效？从直觉到实验
想象一下，你要把一份绝密文件从北京送到上海。
方法一：就像我们平时发快递。虽然物流网络很发达，但在长途运输中，包裹总会面临各种丢失的风险：比如分拣时不小心掉在传送带缝隙里，或者在颠簸的货车上被挤压损坏。距离越远，经过的中转站越多，包裹半路“失踪”的概率就越高。
方法二：你在北京和上海各放一个有“心灵感应”的保险箱。你把文件放进北京的保险箱，它瞬间就“复印”到了上海的保险箱里。你只需要打个电话告诉上海的朋友开箱密码，他就能拿到文件。在这个过程中，文件本身并没有走过那条充满丢失风险的“高速公路”。
在量子世界里，科学家们也一直在这两种方法之间做选择。光子就是传递信息的“快递”，而光纤就是那条“高速公路”。如果采用方法一，光子在漫长的旅途中会不断遭遇吸收和散射等各种“意外”，距离越长，丢失的概率就越高。这就好比你在路上寄了100万个包裹，等到达终点时，可能只剩下寥寥无几。
为了解决这个难题，科学家们选择了方法二，也就是量子隐形传态。它不是像科幻电影里那样把人瞬间传送走，而是利用量子纠缠的特性，将一个粒子的量子状态“复制”到远处的另一个粒子上。
最近，中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳团队在《自然·物理学》上发表了一项突破性成果，他们不仅成功演示了第二种方法，还证明了它比第一种方法有“无条件优越性”——传输效率高出近3倍！
为什么“量子隐形传态”是更好的选择？
在量子通信中，光子是传递信息的“信使”。但问题是，光子在光纤或大气中传输时，会因为吸收和散射而不断丢失。距离越长，丢失得越厉害。这就像你往水里扔一块石头，涟漪传得越远就越微弱。对于需要绝对保真度的量子信息来说，这种损耗是致命的。
为了解决这个问题，科学家们提出了“量子隐形传态”的概念。正如前文所示，它利用量子纠缠的特性，将一个粒子的量子状态“复制”到远处的另一个粒子上。
你可以把量子纠缠想象成一对“心灵感应”的骰子。无论它们相隔多远，只要你掷出其中一个，另一个也会立刻显示出相同的结果。
量子隐形传态就是利用这种“心灵感应”来传递信息。假设Alice想把一个光子的状态传给远处的Bob：
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Alice和Bob事先共享一对纠缠光子。
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Alice把她要传送的光子和她手中的纠缠光子进行一种特殊的联合测量。
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这个测量的结果会通过经典信道（比如电话或网络）告诉Bob。
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Bob根据收到的信息，对他手中的纠缠光子进行操作，这个光子就会变成和Alice最初要传送的光子一模一样的状态。
量子隐形传态示意图
在这个过程中，信息并没有通过那个会丢失光子的信道传输，而是通过“心灵感应”瞬间完成的。
研究团队的突破在哪里？
理论上很完美，但实际操作起来困难重重。最大的挑战在于，如何高效地让Alice和Bob事先共享那对“心灵感应”的纠缠光子。以前的方法就像是在黑暗中随机撒网捕鱼，效率极低，大部分光子都在半路丢失了，导致“心灵感应”还没建立起来就失败了。
研究团队想出了一个聪明的办法，他们称之为“无条件的纠缠交换”。
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设置中转站：他们在Alice和Bob的中间设置了一个“中继站”。
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制造纠缠对：这个中继站会制造两对纠缠光子。
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分发光子：把每对纠缠光子中的一个分别发送给Alice和Bob。
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“握手”确认：中继站对剩下的两个光子进行一种特殊的测量。如果测量成功，就相当于给Alice和Bob发出了一个“握手”信号，告诉他们：“恭喜！你们手中的光子现在已经纠缠在一起了！”
实验方案
这个“握手”信号就是关键！它像一个“herald”（先驱者），提前告诉你纠缠已经成功建立，你不需要再盲目等待。
实验结果：效率提升近3倍
在实验中，研究团队模拟了100公里的光纤传输损耗。他们成功实现了高达82%的纠缠分发效率。这意味着，每100次尝试，就有82次能成功建立纠缠。
基于这个高效的纠缠分发，他们进行了量子隐形传态实验。结果显示，传输效率达到了6.2%，而传统的直接传输方法在同样损耗下，效率只有约2.1%。
这近3倍的效率提升，就是他们所说的“无条件优势”。它证明了量子隐形传态在实际应用中，确实比直接传输光子更优越。
这项技术有什么用？
这项突破是构建未来量子互联网的关键一步。
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量子中继器：它可以作为量子中继器的核心，帮助我们克服光子损耗，实现全球范围的量子通信。
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量子计算机互联：未来不同的量子计算机可以通过这种方式连接起来，形成一个更强大的量子计算网络。
未来量子网络示意图
总而言之，这项工作实现了单光子的无条件量子隐形传态，其存活率远高于直接传输。这标志着继量子计算优越性、量子精密测量优越性之后，我们在量子信息领域迎来的又一个优越性。
论文作者
这项工作的三位共同一作为彭礼超、吴典和李渊。
彭礼超
2023年博士毕业于中国科学技术大学，师从陆朝阳教授。现为北京理工大学前沿交叉科学院副研究员/助理教授。研究方向包括量子信息物理、量子探测及精密测量仪器，在量子信息领域发表国际学术论文10余篇，共被引用5900余次。
吴典
2018年博士毕业于中国科学技术大学，师从陆朝阳教授。现为华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室青年研究员，紫江青年学者，主要从事基于多光子纠缠的基础物理检验和光量子信息实验研究。在国际学术期刊发表论文20余篇，共被引用7000余次。相关研究工作在2015年被英国物理学会（IOP）Physics World评为年度突破，在2021年和2022年被美国物理学会（APS）评选为年度物理学十大进展。
李渊
2019年博士毕业于中国科学技术大学，师从陆朝阳教授。现为香港理工大学电机及电子工程学系助理教授。他在量子信息处理、集成光子学和量子光子学领域拥有十余年的经验，已在国际学术期刊发表了15篇以上的同行评审论文。
