如何通采用量子計(jì)算機(jī)量子糾錯(cuò)和容錯(cuò)來(lái)克服消相干的影響？

經(jīng)常聽(tīng)到有人議論，“‘量子技術(shù)’太神奇，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越，將人‘瞬間’轉(zhuǎn)移到別的星球上！”果真如此嗎？這一問(wèn)我們就稍微仔細(xì)得討論這個(gè)問(wèn)題。這些說(shuō)法主要依據(jù)所謂“量子隱形傳態(tài)”這個(gè)經(jīng)典物理無(wú)法做到的神奇過(guò)程。

量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)的英文是“Quantum Teleportation”。先說(shuō)一下，“Teleportation”的含義是“遠(yuǎn)距傳物”，通常在科幻電影或神話(huà)小說(shuō)中出現(xiàn)，人或物在某地突然消失，瞬間在遠(yuǎn)處重現(xiàn)?，F(xiàn)實(shí)中當(dāng)然無(wú)法做到，但“量子糾纏”出現(xiàn)后，科學(xué)家提出“量子隱形傳態(tài)”的方案，可以使量子信息或者稱(chēng)量子態(tài)在某處消失，隨后在遠(yuǎn)處重現(xiàn)，有點(diǎn)像上述神話(huà)中的“遠(yuǎn)距傳物”。具體過(guò)程如下：

Alice有個(gè)粒子C，處于量子態(tài)|ψ?c她希望將此量子信息|ψ?c傳送給遠(yuǎn)處的Bob，但信息載體C本身仍保留在Alice處。設(shè)A、B是來(lái)自于糾纏源的兩個(gè)例子，分別傳送給Alice和Bob，由于A和B處于糾纏態(tài)，因此Alice和Bob就有了一個(gè)量子關(guān)聯(lián)的通道，只要一方被測(cè)量，另一方的量子態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)，Alice處擁有兩個(gè)彼此獨(dú)立的粒子A和C，她對(duì)A、C進(jìn)行一種所謂的Bell態(tài)測(cè)量，這種測(cè)量可能有四種結(jié)果（即四個(gè)不同的Bell態(tài)），各自概率為1/4。Alice做一次測(cè)量，獲得其中一個(gè)結(jié)果（即某個(gè)Bell態(tài)），隨后，它將測(cè)量結(jié)果經(jīng)由一個(gè)經(jīng)典通道傳送給Bob，Bob獲取此經(jīng)典信息后，對(duì)粒子B實(shí)施相應(yīng)的操作，結(jié)果粒子B便處于量子態(tài)|ψ?c上，亦即量子態(tài)從C傳給了B，這就是所謂的“量子隱形傳態(tài)”。這個(gè)過(guò)程中，Alice和Bob可以完全不知|ψ?c是什么態(tài)，C和B也可以不是同一類(lèi)的量子客體。

Alice對(duì)A、C實(shí)施Bell態(tài)測(cè)量后，ABC整個(gè)量子系統(tǒng)究竟發(fā)生了什么改變？

1. C的量子態(tài)改變了，亦即原來(lái)量子態(tài)|ψ?c消失了，C處于別的量子態(tài)；

2. A、B不再處于糾纏態(tài)，AB之間量子關(guān)聯(lián)中斷了；

3. B處于四種可能的量子態(tài)之一，究竟是哪個(gè)量子態(tài)取決于A、C的Bell態(tài)測(cè)量的具體結(jié)果；

4. A與C處于四種可能的糾纏態(tài)，各自概率為1/4。

在“量子隱形傳態(tài)”過(guò)程中，量子態(tài)|ψ?c究竟是怎么被傳送到B上呢？我們無(wú)法按通常的傳送信息方式來(lái)想象這個(gè)過(guò)程，正因?yàn)槿绱?，故采用“隱形”來(lái)描述這種狀況。一般理解說(shuō)，|ψ?c的信息被分成兩部分，一部分經(jīng)由AB的糾纏量子通道傳到B，另一部分是測(cè)量所得的經(jīng)典信息經(jīng)由經(jīng)典通道傳送給B。Bob實(shí)質(zhì)上是將兩部分糾結(jié)起來(lái)，使量子態(tài)|ψ?c|ψ?c精確地賦予B粒子。單獨(dú)從量子通道或經(jīng)典通道獲得信息都無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，因此在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)通道是必不可少的。既然必須采用經(jīng)典通道傳輸信息，這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)決不可能超光速。所以，量子隱形傳態(tài)決不可能是“瞬時(shí)”的，不會(huì)發(fā)生超光速現(xiàn)象。

另一點(diǎn)特別要強(qiáng)調(diào)的是，A、B、C都應(yīng)當(dāng)是量子客體，它們可以不屬同一類(lèi)，可以分別是光子、原子、電子等，但都遵從量子力學(xué)規(guī)律。 結(jié)論是，量子隱形傳態(tài)是量子客體之間的一種“非瞬時(shí)的”量子信息傳送的過(guò)程。

這個(gè)結(jié)論否定了經(jīng)典客體之間實(shí)現(xiàn)這種隱形傳送信息的可能性。經(jīng)典信息的傳送必須有物理載體的攜帶才能實(shí)現(xiàn)，這種物理載體可以是聲波、電磁波（包括光波）、引力波等。

當(dāng)然，如果C不是單個(gè)粒子，而是由許多粒子構(gòu)成的復(fù)雜量子客體，而量子態(tài)可以表達(dá)為|ψ?c，我們同樣可以經(jīng)由量子隱形傳態(tài)將|ψ?c傳送給B。

如果C不是量子客體而是無(wú)法用量子態(tài)描述的經(jīng)典客體，而A、B是量子客體，那么C所攜帶的經(jīng)典里的經(jīng)典信息仍然無(wú)法用此方式傳送到Bob處而保持C仍留在原處。 此外，量子隱形傳態(tài)僅僅傳送量子客體C所攜帶的量子信息（即量子態(tài)），量子客體C并未消失，因此不能說(shuō)，如果B與C是同類(lèi)物質(zhì)就可實(shí)現(xiàn)量子客體從某處傳送到另處。自然客體具有“物質(zhì)、能量、信息”三要素，只有這三個(gè)要素都消失才可以說(shuō)該客體被消失了。

至此，我們就可很容易地回答本文的命題了，答案是量子技術(shù)不可能將人“瞬間”地轉(zhuǎn)移到別的星球！即使是非瞬時(shí)地采用此過(guò)程也不能將僵尸、棉衣之類(lèi)的傳送到別的星球！

“量子隱形傳態(tài)”是量子糾纏的一種奇妙應(yīng)用，并被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。這個(gè)過(guò)程已成為量子通信等的重要物理基礎(chǔ)，已開(kāi)辟出具有潛在應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)。

量子糾纏是量子技術(shù)的重要資源，是量子計(jì)算機(jī)、量子模擬等重大應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。那么，如何產(chǎn)生量子糾纏呢？現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)掌握許多制備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是將一束激光照射到非線性晶體上便能產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。當(dāng)然，這種糾纏光子源屬概率性的。這種參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的許許多多光子對(duì)中才會(huì)有一對(duì)光子是糾纏的，人們甚至無(wú)法預(yù)先知道哪一對(duì)是糾纏光子，只能采用能確定糾纏的探測(cè)裝置來(lái)加以識(shí)別，但一旦確認(rèn)該光子對(duì)是糾纏的，糾纏也會(huì)因此測(cè)量而消失。這種后測(cè)量制備的糾纏應(yīng)用是有限的。理想的應(yīng)當(dāng)是確定性糾纏源，即每次僅產(chǎn)生一對(duì)光子，而且他們必定處于糾纏態(tài)。例如，具有合適能級(jí)結(jié)構(gòu)的單個(gè)量子點(diǎn)，將其激發(fā)到某個(gè)特定上等級(jí)，它會(huì)躍遷到某個(gè)中間能級(jí)，伴隨著發(fā)射出一個(gè)光子，隨后又從中間能級(jí)躍遷到下能級(jí)，發(fā)射出另一個(gè)光子，而且兩個(gè)光子處于糾纏態(tài)。

兩個(gè)獨(dú)立的粒子不糾纏，通過(guò)某種非線性相互作用，兩個(gè)粒子可以處在糾纏態(tài)上，這種非線性作用的途徑有許多：

兩個(gè)糾纏光子分別入射到兩個(gè)獨(dú)立量子客體（例如，冷原子系綜、固態(tài)量子存儲(chǔ)器等），可以使這兩個(gè)量子客體變成量子糾纏；

在上述量子隱形傳態(tài)中，Alice對(duì)相互獨(dú)立的粒子A和C實(shí)施Bell態(tài)測(cè)量，便使A和C成為糾纏態(tài)；量子處理器中的量子受控非門(mén)可以使輸入的兩個(gè)量子比特在輸出端成為糾纏態(tài)，等等。

量子糾纏盡管奇妙無(wú)比，用途廣泛，但它卻有天然的致命傷——量子糾纏十分脆弱，環(huán)境會(huì)不可避免地破壞其量子特性而使“糾纏”消失掉，即兩個(gè)糾纏的量子客體最終會(huì)演化為不糾纏的狀態(tài)，非局域關(guān)聯(lián)完全斷開(kāi)。所謂環(huán)境不僅包括經(jīng)典噪聲，諸如熱運(yùn)動(dòng)、吸收、散射等，還包括量子噪聲，即真空起伏，即使我們有辦法將經(jīng)典噪聲完全隔絕，量子噪聲仍無(wú)法消除，而且無(wú)處不在。這種環(huán)境引起的量子性消失，被稱(chēng)為“消相干”（或“退相干”）?！跋喔伞笔恰傲孔酉喔尚浴钡奶鞌?！

量子器件是一種人造的量子系統(tǒng)，“消相干”是實(shí)際量子器件應(yīng)用的主要障礙，必須采取措施加以克服。例如通用量子計(jì)算機(jī)必須采用量子糾錯(cuò)和容錯(cuò)來(lái)克服消相干的影響，遠(yuǎn)程量子通信必須采用量子中繼來(lái)建立遠(yuǎn)距離的糾纏通道等等。
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