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郭光灿团队顶刊综述！量子隐形传态的进展、挑战和机遇

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发布时间：2023-05-26
 
长期以来，人类一直梦想着能够将自己或物体从一个地方传送到另一个地方，而不需要在中间实际旅行。实现这一梦想的技术在科幻小说中被想象出来，被称为“隐形传态”。三十年前，一个类似的想法出现在量子信息中，被称为量子隐形传态。量子隐形传态能够在不同的地点重建一个真实粒子的任意未知量子状态，而不需要实际传送该粒子。与科幻小说中描述的不同，真实的量子隐形传态存在物理限制：它需要两个地点之间的纠缠和经典信息的传输，而经典信息的传输受限于光速。
 
处理原子和亚原子粒子的物理学被称为量子物理学。物理学家研究这些粒子的基本行为，并且，这些粒子的行为通常与经典物理学的预测不同。在量子物理学中，量子力学描述了粒子在量子水平上的行为，还引入了叠加、纠缠和量子态等概念——这对理解隐形传态至关重要。
 
量子隐形传态在1993年首次被提出，在早期，它是用于发展量子信息正式理论的一种理论方案。但从那时起，它已经成为现在已经确立的量子信息科学领域（例如，在城市规模的量子通信网络或含噪声的中尺度量子计算）和量子技术中的一个重要概念。量子隐形传态的基本特征（即实现未知信息的非局域传送），可以用来克服量子通信中的距离限制和量子计算中实现长距离交互的困难。
 
1997年，量子隐形传态首次在实验中被证明。此后，科学家们在不同的量子系统中进行了量子隐形传态实验：包括光量子比特（偏振、时间箱time bin）、光学模式、核磁共振、原子集合体、捕获原子和固态系统......
 

不同类型的量子隐形传态和应用实例。a）量子态传送：之前的共享纠缠、贝尔态测量(BSM)、经典通信和单元操作被用来传送未知的量子态而不传送粒子本身。红色、黄色和蓝色的圆圈代表量子传送协议中的粒子。SA、SB、SC代表传输粒子A、B和C的量子信道。爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)对是一个最大纠缠的量子态。b）量子纠缠交换：两对独立纠缠的粒子中的个体通过中间BSM与两个非相邻粒子纠缠。c）量子门传送：通过纠缠和经典通道，粒子1和2（C1，2）和粒子3和4（C3，4）之间的量子控制操作被转移到非相邻粒子1和4的控制操作。M2和M3分别代表2和3粒子的投影测量。d）量子隐形传态在量子通信中的应用：通过连续的量子纠缠交换操作可以实现超长距离的量子态分布。e）量子门传送在量子计算中的应用：量子门传送对于分布式量子计算建立量子计算节点之间的连接非常重要。
 
在过去的8年中，由于对大规模量子系统的控制越来越多，量子隐形传态的发展出现了两个主要趋势：
 
- 首先，人们对传送复杂的量子态有极大的兴趣，如以高维度或多自由度(DoF)编码信息的光子，标志着向传送量子系统的所有信息的最终目标迈出了重要一步（图1a,d）。
 
- 第二，量子隐形传态已经从原则性的论证转向实际应用。利用基于近地卫星和城域光纤网络的远程量子传送构建长距离量子通信网络已经取得了巨大进展。研究人员还为分布式量子计算奠定了基础，证明了超导量子比特、捕获离子和单一中性原子量子电动力学(QED)腔中控制门的量子隐形传态。
 
随着我们进一步进入这个十年，发展量子技术将在很大程度上取决于量子隐形传态：在现实世界中，量子计算、安全通信和密码学都受益于此。
 
在5月24日由中国科学技术大学胡晓敏Xiao-Min Hu、郭钰Yu Guo、柳必恒Bi-Heng Liu、李传峰Chuan-Feng Li 、郭光灿Guang-Can Guo，在Nature Reviews Physics上发表的综述文章中，团队讨论了自2015年以来在量子隐形传态方面的进展、剩余的挑战和未来的机会。
 

 
目 / 录
 
一、理论进展
二、复杂量子态的量子隐形传态
三、量子通信的量子隐形传态
四、量子计算的量子隐形传态
五、从量子隐形传态，到量子互联网
 

 
在量子隐形传态中，一个未知的量子态会从一个地方（通常被称为发送者Alice）传送到另一个地方（接收者Bob）。现在，我们有必要在Alice和Bob之间建立两个通道：一个量子通道和一个经典通道。量子通道由Alice和Bob之间共享的纠缠对组成：
 

 
它是四个最大纠缠的贝尔态之一 。Alice和Bob共享这个纠缠状态，其中粒子2在Alice那里，粒子3在Bob那里。另一方是Charlie，提供输入粒子1，在一般量子状态下被传送给Bob。
 
其中，α和β是复数系数，满足|α|2 + |β|2 = 1，Alice和Bob都不知道。然后，Alice进行贝尔态测量(BSM)，并以相同的概率将粒子1和2分别随机投射到四个贝尔态中的一个。最后，Alice通过经典信道通知Bob BSM的结果，Bob根据结果对他的粒子执行相应的泡利或组合算子{I, X, Z, ZX}，以恢复Charlie粒子的未知量子态。
 
现在，作为量子信息领域的一个重要协议，量子隐形传态的基本框架已经建立起来。随后，又发展出了许多变种，如量子纠缠交换、门控隐形传态、基于端口的隐形传态和量子隐形传态网络。最近量子隐形传态的理论进展主要集中在对其非经典性质和潜在应用的理解上。
 
量子纠缠是实现量子隐形传态中未知量子态无损传输的关键。在理想的传送方案中，输入和输出状态之间的保真度是Ftel=1，但在实际实验中，人们总是得到一个较小的值：有可能只用经典的相关关系或经典的测量准备策略来模拟量子隐形传态。这种方法，被称为经典隐形传态，虽然不需要事先分配纠缠态，但它不能实现理论上保真度为1的量子隐形传态。最常用的验证非经典量子隐形传态的方法是构建基于保真度的量子见证(quantum witness)。如果传输的量子态的保真度可以超过经典遥传所能达到的最大保真度(Fcl)，那么这个过程就被称为非经典量子隐形传态。
 
对于单量子比特的情况，经典量子隐形传态的保真度界限是Fcl=2/3。这个保真度约束后来被扩展到d维单量子比特情况下的未知状态：
 

 
根据保真度标准，并不是所有的纠缠态都可以用于非经典的远距离量子隐形传态。然而，近年来有人提出了一个新的基准，它使用传送实验中的所有信息，证明所有纠缠态都可以实现非经典量子隐形传态。这种方法的基本思想是仔细考虑量子隐形传态中的所有信息（如输入和输出状态的密度矩阵），以显示量子隐形传态的更多非经典特性。
 
基于端口的隐形传态是量子隐形传态的一个重要变种，它不需要接收者(Bob)一方进行任何修正。然而，这种方案的缺点是，只有在共享无限多的贝尔对时，远距离隐形传态的保真度才会收敛到统一。事实上，在量子比特的情况下，已经证明当共享一个或两个贝尔对时，不可能实现非经典的量子隐形传态。只有当使用三个以上的贝尔对时，这种方案才能达到高于三分之二的平均保真度。近年来，基于端口的隐形传态被广泛扩展，例如，提高其效率、并提出高维和连续变量(CV)的端口隐形传态。随着多拷贝纠缠技术和联合测量技术的发展，可以实现基于端口的远距隐形传态的首次实验演示。
 
量子隐形传态不仅可以应用于量子通信或量子计算等实际任务，还可以作为量子信息理论的重要理论工具。
 
例如，量子信道模拟已经被用来设计一种通用的、与维度无关的技术，可以将自适应协议简化为一个块状形式。它简化了复杂的自适应协议的数学表达（局部操作、经典通信）。这种技术被称为“隐形传态拉伸(teleportation stretching)”，当某些协议通过远距协变信道实施时会特别强大；利用这一新工具，科学家们建立了点对点有损、多点、中继器辅助和网络量子通信中CV和离散变量(DV)量子密钥分发的最终容量极限。由于其简化适应性的能力，隐形传态拉伸被用来实现任何隐形传态协变信道的自适应噪声估计的最终精度，从而将隐形传态信道模拟技术扩展到量子计量学和量子信道辨别。
 
量子隐形传态在理解许多物理现象方面也有作用，如量子催化、量子退相干、直接测量量子波函数、宏观量子、光子的不可分性等等。
 

 
光子系统有各种DoF，例如偏振、轨道角动量(OAM)、时间箱、路径和频率，其中大部分可以进行高维编码。在现实世界中，一个粒子往往包含许多DoF，进而形成一个复杂的量子态。BSM是量子比特和复杂量子态远程传输的关键技术。对于量子比特来说，由于线性光学的限制，BSM的成功概率最多只有50%；这一限制可以通过使用多作用域的纠缠（超纠缠）或非线性过程来克服。
 
理论研究也证明，这也可以通过添加辅助光子对或纠错码来实现。在辅助光子的帮助下，已有实验中报告了BSM的成功概率为57.9%；在复杂量子态的情况下，BSM的实现更为困难。
 
1）多自由度的量子态
 
一个单一的量子粒子自然可以有不同的内部和外部自由度，它们之间存在相干的耦合。多个自由度代表了更多的操作可能性，可以用来实现更多的传输协议（如超密量子隐形传态、从偏振到OAM自由度的量子隐形传态）。一个基本的挑战是同时传送多个DoF，而这正是完整描述量子粒子的必要条件。
 
实现多DoF的量子隐形传态需要提前分享超纠缠，并在多个DoF上实现BSM。在光子系统中，最困难的任务是实现超BSM，因为它需要不同DoF的独立量子比特之间的相干控制门，并在不干扰其他DoF的情况下测量其中一个DoF。
 
2007年，已有理论证明，只使用线性光学而不使用辅助粒子，是不可能确定地区分超纠缠贝尔状态的：因为不同DoF的BSM会相互干扰，导致无法同时识别所有超纠缠贝尔状态。然而，另一些协议也已被提出：用于多DoF的量子隐形传态。在2015年，科学家们成功地克服了这一挑战，首次同时传送光子偏振和OAM DoF。有趣的是，由纠缠辅助的量子隐形传态可以实现概率性的量子无损测量(QND)——在不破坏单个光子并完整地保留其量子信息的情况下观察它，这一协议也可以扩展到同时对更多的DoF进行量子隐形传态。
 

光子复杂量子态的隐形传态。a）多自由度(DoF)的量子隐形传态的概念。光子的偏振和轨道角动量(OAM)自由度同时被传送，为了避免偏振DoF（在PBS中）的贝尔态测量(BSM)对OAM DoF（在BS中）的影响，实验者使用了量子无损测量(QND)。最终多DoF BSM的成功概率为1/32。UO和US分别代表OAM和自旋DoF上的幺正算符(Unitary Operator)。b）三维路径状态的量子隐形传态的概念。为了实现三维BSM的路径DoF，一对纠缠的光子被用来协助实验。在这两个实验中，三维BSM的成功概率分别为1/162和1/81。c）高维OAM和Hermit-Gaussian-mode量子隐形传态。实验者通过SPDC准备空间模式的纠缠态。HDBSM可以利用非线性晶体（NLC）的上转换中的模式守恒来实现。APD，雪崩光电二极管探测器；BS，分束器；h-BSM，混合贝尔态测量；HDBSM，高维贝尔态测量；PBS，偏振分束器；SLM，空间光调制器；SPDC，自发参数下转换；U3，三维幺正算符(Unitary Operator)。
 
现在，研究人员已经传送了五个超量子态，其保真度大于一个光子同时传送两个DoF状态的经典上限0.437。最后一个传送的量子态是一个超纠缠态，它是由同一光子上的偏振和OAM DoF形成的纠缠态，其保真度超过了纠缠态的界限（0.5）。由于辅助粒子的存在，整个量子隐形传态是一个六光子的实验，光子计数率约为每小时15次。
 
如今，光子超纠缠(hyper-entanglement)已经实现了两个或更多的DoF，并且可以分布在11公里的光纤通道和1.2公里的自由空间通道。当这与QND测量相结合时，可以预期未来将实现更多DoF的长距离量子传感。
 
2）高维度的量子态
 
与两级系统（量子比特）相比，高维系统（编码量子比特的多级系统）在自然界更为普遍。相干地控制高维量子态的能力对于发展先进的量子技术非常重要。与传统的量子比特系统相比，量子比特系统可以提供更多的可能性，如在量子通信中既有更高的容量、又有更强的抗噪声能力、更有效的量子模拟和计算，以及对贝尔不等式的更大违反。
 
高维量子传输的挑战是：准备高质量的高维纠缠源和实现高维BSM。迄今为止，在开发高维纠缠制备技术方面已经取得了诸多进展，这些技术使用了OAM、时间箱(time bin)、路径和频率。实现高维的BSM已经成为实现高维量子隐形传态的当务之急。
 
在2002年，有人指出，部分高维BSM需要额外的辅助粒子。关键的见解是，只用线性光学不可能将单一的贝尔态与其他态明确区分开来，所有的贝尔态只能分为几类；与真正的多方纠缠的概念类似，真正的高维隐形传态不能用低维量子隐形传态来模拟。2017年，实验者成功展示了多个OAM状态的隐形传态，这使得高维量子态的二维子空间的同时传输成为可能。
 
2019年，在两个实验中利用光子的路径DoF实现了真正的三维量子隐形传态。这两个实验的区别在于，两个研究小组使用了不同的高维BSM方案。
 
线性光学在BSM中的局限性主要是由于光子之间没有相互作用，但这可以通过使用非线性光子过程来克服。2000年，非线性过程被成功地用于四个偏振贝尔状态的同时确定性测量。2022年，两个实验使用非线性过程来传送高维光子量子态，其中一个实验用OAM编码、另一个用Hermit-Gaussian（HG）模式编码。利用非线性进行高维BSM的核心原理是，不同高维贝尔状态的两个光子在上转换过程中获得可区分的单光子状态。
 
在一个使用三维OAM BSM的实验中，12个互不相干的基础量子态的平均量子隐形传态保真度为F=0.879，这证明了它是非经典的、是真正的高维过程。另一个实验在OAM之外，用9D HG模式实现了高维量子隐形传态：4D OAM状态的保真度为99±3%，9D HG模式状态的保真度为81±2%。虽然这两个实验使用了相干源，但随着未来非线性光学的发展，它们也可以在单光子水平上进行，而不需要改变单纠缠对配置。
 
本节讨论的实验的概念和技术也可以转移到其他高维DoF。将它们与高维纠缠分布技术相结合，可以实现长距离的高维量子隐形传态。随着高维量子存储技术的发展，高维量子隐形传态将有望用于高维量子网络以提高性能。
 
3）连续变量中的量子态和混合方法
 
无限维希尔伯特空间（也就是CV系统），对光量子隐形传态很重要。早年，CV量子隐形传态在光学模式和原子团的集体自旋中得到了证明。
 
CV量子隐形传态不仅是高斯通道模拟的重要工具，也是其他理论研究的重要工具。例如，已经构建了一个资源理论框架来计算CV量子传送所需的最小纠缠消耗。此外，基于CV量子隐形传态的串联纠错方法已被用于建立一个容损的量子中继器架构。一个由重复的CV隐形传态实现的顺序相位估计协议已经显示了超分辨率和超灵敏度。
 
从实验的角度来看，人们一直致力于提高CV系统中量子隐形传态通道的容量。一个小组创新地使用了一个基于85Rb蒸气池中四波混合的高增益参数放大器来实现无检测的BSM，这避免了CV系统中传统BSM所需的光-电和电-光转换。利用这种全光前馈技术，科学家们在实验中实现了无测量的全光量子隐形传态和量子纠缠交换协议，这将有望在构建宽带量子网络中释放CV量子信息协议的带宽限制。
 
CV量子信息处理得益于完整的BSM、高检测效率和毫不含糊的状态识别。然而，它对损失的敏感性限制了其保真度。DV系统可以有效地抵御损失，但它们受到概率操作和BSM的限制。将两者结合在一个混合结构中可能会有很大的优势。
 
迄今为止，许多人已经尝试过远程混合量子系统，但最大的挑战是准备混合纠缠和特殊BSM。福克挤压态、猫-福克态和偏振-猫态的混合纠缠可用于建立混合量子网络。当与其他DV量子态或纠缠类型（如偏振纠缠和福克态纠缠）相结合时，可以实现混合量子态的隐形传态或混合量子纠缠交换。
 
BSM也是此类实验的一个关键因素。例如，使用猫态BSM，实验者可以将一个CV猫量子比特传送到DV福克量子比特状态。虽然在这个实验中只识别了一个贝尔态，但原则上，通过包括一个可以区分光子数量的探测器，可以同时确定地识别四个贝尔态。一个DV偏振量子比特和CV相反振幅相干态之间的纠缠已经通过使用偏振DoF的BSM进行量子纠缠交换而实现。这预示着使用带有单次计数器的福克状态BSM和用于混合纠缠交换的同调探测器，混合入口的产生已经在47ns的延迟距离上实现了。这些实验为连接网络中的异质节点开辟了前景，增加了集成度和新功能。
 

 
量子隐形传态可以用来传送一个未知的量子状态，而不需要它实际沿途旅行，这在量子通信中很重要。量子不可克隆原理（即未知的量子态不能被复制）限制了量子通信的传输距离：对于从发射器到接收器的直接光纤链路，密钥率随着传输距离的增加而呈指数级下降。
 
作为量子隐形传态的一个变种，量子纠缠交换可以用来克服这个限制。量子纠缠交换的基本原理是，通过分段通信，可以将密钥速率衰减从指数级降低到多项式。量子存储器可以有效地提高多节点间量子纠缠交换的效率。基于存储器的量子纠缠交换可用于量子中继器，现在，它已经在原子团、单原子、离子阱、稀土固态存储器和氮空位（NV）中心中得到了证实。
 
然而，这些实验主要集中在平台上或短距离上。近年来，在量子通信中也出现了有趣的隐形传态的变化，如可控量子隐形传态和共享量子秘密的隐形传态。
 
1）光纤网络
 
在未来的量子网络中，多个节点将通过量子中继器共享纠缠，形成量子纠缠连接。具有远程节点的量子网络要求每个节点有独立的量子纠缠源，不同来源的光子在长距离分布后发生量子干扰时是无法区分的。
 
在长距离光纤网络中实现光子之间的高可见度和高稳定性干扰，需要一个高精度的同步系统和量子信道稳定系统。然而，在现实世界中，量子通道的有效长度和偏振会发生波动，使得两个光子可以区分开来：这降低了干扰的可见性。这种情况在之前稳定的实验室环境下的概念验证局部实验中并不存在。
 
2016年，两个小组在合肥和卡尔加里市(Calgary)的城域光网络中独立实现了长距离的量子隐形传态。
 

量子隐形传态用于量子通信。a）在卡尔加里和合肥两个城市的城域光网络中实现了量子隐形传态。地图显示了在卡尔加里的实验。实验者成功地使两个独立的光子源（在节点A和C）同步，间隔为8.2公里。在一个长度为6.2公里和11.1公里的三节点光纤网络中演示了量子隐形传态。A、B和C代表Alice、Bob和Charlie的节点。b）在自由空间实现了量子隐形传态，从阿里地区(Ngari)的一个观测站地面站到“墨子号”卫星，距离为1400公里。在实验中，780纳米的光子被用作量子通信的载体。在右图中，阿里地区观测站在地面上，而“墨子号”卫星在空中，地面站和卫星之间的物理距离从最大1400公里到最小500公里不等。因此，上行链路的信道损耗从52dB到41dB不等。四光子源的准备和贝尔测量是在阿里观测站完成的。纠缠光子源的一个光子被发送到“墨子号”卫星上，以建立地面到卫星的纠缠分布。c）集成芯片中的量子隐形传态。在硅上制备了四个微镜谐振器，通过消除光谱过滤的要求，产生具有高光谱纯度和高预示效率的单光子。使用10米长的单模光纤建立了一个连接，实现了从一个芯片到另一个芯片的量子隐形传态。
 
在合肥的实验中，传输的状态是用电信波长的真正的单光子编码的，并且使用了主动前馈方案，将BSM的成功概率提高到50%。这是第一次在长距离光纤网络中同时用独立的量子源、先前的纠缠分布和主动前馈操作实现量子隐形传态。在这个实验中，从反馈环路中的光子到达时间得出的误差信号被用来将来自远程节点的光子的总到达时间抖动降低到6ps——与110ps的光子相干时间相比，这可以忽略不计。
 
在阿里实验中，传输的状态不是用单光子编码的，而是用一束衰减的激光，这种方法可以应用于通过量子密码学开发的诱骗态协议(decoy state protocol)。这与合肥的实验不同，它使用的是波长为1550纳米和795纳米的非共生纠缠光子源。状态从1550纳米的光子被传送到795纳米的光子，这允许在Bob周围使用更有效、更强大的光子探测器。这些不同的设置使这个实验达到了每分钟12次点击(click)的较高传输率。
 
上述两个实验表明，一个跨越城市的量子网络是可以实现的。这些实验中的纠缠光子源是通过自发参量下转换(SPDC)产生的，这个过程的随机性限制了多光子状态的生成率，但最近在开发按需使用的固态量子发射器方面取得了很大进展。
 
使用固态发射机的量子隐形传态已被成功证明，这为SPDC提供了另一种高速解决方案。超导探测器的发展极大地提高了通信波段的光子探测效率，从而将传送距离提高到100公里以上。在实验室里也实现了通过6公里长的光纤的CV量子隐形传态；已有的一些实验也验证了量子隐形传态中的退相干可以通过调节信道噪声来有效减少。
 
2）自由空间
 
由于分配信道不可避免的光子损耗，在以前的研究中，使用光纤和无地面空间(ground-free space)信道的量子隐形传态距离被限制在100公里左右。不过，要想在全球范围内实现“量子互联网”，仍然需要大大扩展量子隐形传态的范围。
 
一种方法是使用量子中继器连续完成量子纠缠交换，将光子纠缠的距离延长到很远。然而，量子中继器需要有性能优良的量子存储器和量子接口技术，这些技术仍处于实验室验证阶段。
 
另一个有希望的方法是使用卫星平台和天基链接来连接地球上的远程模式。在这种情况下，大部分的光子传播路径是在空旷的空间，这大大减少了信道损失和退相干。许多卫星项目已被提议用于量子通信，如“墨子号”卫星、加拿大的量子加密和科学卫星(QEYSSat)项目，以及由一个联合研究小组承担的CubeSat卫星量子通信任务(CQuCoM)。
 
2017年，实现了从阿里的地面观测站到“墨子号”卫星的量子隐形传态。超亮的四光子源的波长为780纳米，远距传输的光子的计数率为5.7×105s-1，频率不相关的纠缠光子对的计数率为1×106s-1，保真度为0.933。该实验通过使用窄光束发散、高带宽、高精度的采集、指向和跟踪技术，优化了纠缠分布的效率并克服了上行链路中的大气湍流。
 
至于CV系统，这个方案也可以通过卫星连接进行远程量子隐形传态。未来，更复杂的空间到地面的量子隐形传态预计很快就会实现，并在空间-地面量子互联网中发挥关键作用。
 
3）集成芯片
 
集成量子信息处理器由于其高稳定性和可扩展性，为开发性能优越的量子通信提供了极好的机会。近年来，集成量子光子学取得了快速进展，实现了高质量的多光子状态的产生、处理和检测。
 
2014年，在一个紫外线写入的硅光子芯片中展示了量子隐形传态。然而，这种设置面临的一个主要挑战是在一个单一的集成系统中实现足够高质量的多光子源和多量子比特运算器。
 
在2020年，另一个小组实现了完全集成的芯片间量子隐形传态。片上微镜谐振器的设计实现了92%的光谱纯度和90.99±3.91%的双光子干扰。经测量，谐振器后的预示效率为50%，这意味着光子对中的信号光子可以以50%的概率离开谐振器。发射器和接收器通过一根10米长的单模光纤相干连接，实现了芯片之间的量子隐形传态；被传送的状态在接收芯片上被恢复，平均保真度为F=88.5±3.7%。该芯片还被用来制备三光子和四光子的GHZ态，保真度为F3 = 73.5 ± 1.7%和F4 = 68.3 ± 1.4%。
 
可扩展的集成光量子芯片允许实施高维量子信息处理任务。2022年，实验者应用无监督机器学习训练一个片上自动编码器，将三维量子态编码到二维量子隐形传态上，观察到三维隐形传态的保真度为0.894。随着集成量子芯片的发展，片上高维量子隐形传态有望实现，它包含高维量子态传输和高维BSM。
 
带有集成量子存储器的量子隐形传态也已被研究。例如，高频纳米光学系统可用于光通信中的量子存储器，因此有望成为未来量子网络的节点。2021年，一个偏振编码的光学输入状态被传送到一对集成纳米机械谐振器的联合状态中。两个集成纳米机械谐振器的机械相干寿命为：T1(A)=1.3μs和T1(B)=1.9μs，这应该足够长，以存储隐形传态的状态，直到它被读取。2022年，一项实验证明了从光量子比特到17.5μs的稀土晶体量子存储器的长距离量子隐形传态通过了1公里的光纤通道。
 
未来，集成的量子隐形传态，将通过结合集成的固态量子存储器和同时集成的纠缠光子源和接口来实现。
 

 
量子门隐形传态(Quantum gate teleportation)是量子隐形传态的一个重要变体，它在空间分离的粒子之间分配局部门控操作。
 

用于量子计算的量子门隐形传态。a）分布式量子计算的概念和超导量子比特的门控传送。左边说明了量子网络中的分布式量子计算。将量子计算的每个节点中的粒子分为数据量子比特（红色）和通信量子比特（蓝色）。每个节点通过纠缠（紫色）连接，不同的节点通过量子门隐形传态进行同步量子计算。中间是门控量子隐形传态的电路图；它包括四个步骤：1、两个通信量子比特（蓝线）的纠缠；2、数据量子比特（红线）到通信量子比特的受控门控操作；3、分别对两个通信量子比特进行X和Z泡利测量；4、根据测量结果对数据量子比特进行X和Z操作。右边是用超导量子比特进行的量子门隐形传态。门控隐形传态包括一个定义为同轴四分之一波长（λ/4）三维空腔的逻辑量子比特（数据量子比特（红色））和一个定义为Y形transmon量子比特的纠缠量子比特（通信量子比特（蓝色））。b）用捕获离子进行量子门控传送的设置。蓝点代表9Be+，红点代表25Mg+离子。A-F显示了捕获在分段式线性Pauli陷阱中的离子，这些离子可以在陷阱的不同区域之间移动。因此，实验者可以通过只使用一个激光交互区（LIZ）来简化C-NOT门，并将分离的量子比特传送到这个位置。实验证明了两个9Be+离子之间的确定性远程传输的C-NOT，使用的是一对共享的25Mg+离子。c）腔量子电动力学（QED）中的量子态隐形传态。两个空腔QED装置用一根60米长的光纤连接。这与以前的量子隐形传态协议不同，因为使用一个光子作为媒介，两边的QED空腔依次用一个光子完成C-NOT门操作。然后，实验者对单光子和Alice的QED空腔进行投影测量，测量结果通过经典通道报告给Bob，完成量子隐形传态。这个协议只需稍作改变，就可以实现两个遥远的QED空腔节点的C-NOT门操作。
 
1999年，一项理论建议提出，只需使用量子隐形传态、本地操作和经典通信，就可以建立一个通用的量子计算机。更重要的是，基于隐形传态的量子计算可以有效地阻止传播的错误，从而使容错的量子计算可以大规模地扩展。
 
门控隐形传态也是基于集群状态的量子计算和其他种类的基于测量的量子计算的核心。在这个模型中，门操作可以通过量子门隐形传态，在来自多部分纠缠态的不同粒子之间分布。
 
在量子网络中，纠缠分布和通过隐形传态的状态转移都是必要的。在量子网络中，量子隐形传态是量子计算机远程连接的核心技术，以实现不同节点的同步分布式计算。
 
1）量子门
 
量子门隐形传态首次在光子系统中被证明，并可应用于线性光量子计算理论。量子门隐形传态也已经在超导量子比特、捕获离子、QED空腔和量子点自旋量子比特中实现。这些系统都具有很好的可扩展性，是未来大规模容错量子计算机的候选方案。
 
2018年，使用超导腔与超导电路量子比特耦合的门控传送得到了证明。这个装置具有创纪录的量子寿命（约1毫秒）和亚微秒级的前馈控制。此外，该实验还使用了一个纠错代码，这比标准的量子比特更加强大。通过错误校正，门控隐形传态的过程保真度从68±2%提高到79±2%；传播的微波是超导电路接口的一个重要载体。在另一个实验中，一个传播的相干微波状态在实验室中被传送了d=0.42米的距离；超导量子比特纠缠已经实现了10米的分布。这些进展为远程分离的超导量子比特的量子门隐形传态奠定了基础。
 
2019年，一对25Mg+离子的纠缠被用来验证两个9Be+离子之间的确定性门控传送。根据测量结果，实验人员通过最大似然估计确定了量子过程，并推断出相对于理想的C-NOT门而言，纠缠保真度的95%置信区间为（0.845, 0.872）。光子和捕获离子之间的界面也已经被用来纠缠两个相距230米的离子阱。在未来，类似的技术可以用来实现量子网络中基于离子的远程分布式量子计算。
 
2021年，在两个通过60米长的光纤连接的QED腔之间实现了量子隐形传态。这种方法展示了一种新的隐形传态协议，原则上可以实现无条件的隐形传态、而不需要常用的预共享纠缠资源。这个方案需要在QED腔体节点和辅助光子之间进行两次C-NOT操作。使用这种新的量子隐形传态方案，实验者在间距为60米的QED腔节点之间实现了远程C-NOT操作。实验在理想的贝尔状态下实现了76.6±1.0%的平均重叠保真度。在这个方案中，只有一个单光子的传输和测量用于隐形传态，有效地减少了纠缠光子对的消耗，为大规模和长距离的量子网络提供了一个新的解决方案。
 
半导体量子点中的单个电子自旋由于其较长的相干时间和可扩展性，是量子计算的一个候选平台。两个实验利用量子点自旋量子比特实现了量子态隐形传态、纠缠交换和门控隐形传态，可用于创建和操纵长距离状态并纠正量子点自旋量子比特的错误。
 
2）多节点(Multiple nodes)
 
在未来的量子网络中，在原子、捕获离子和其他各种系统中实现的量子比特将形成网络节点，用于量子计算、量子传感和其他应用。通过飞行的量子比特，如微波光子，量子隐形传态将被用来在这些量子节点之间发送量子信息。随着节点数量的增加，连接多个节点或不相邻的节点成为了一个重大挑战。近年来，通过光干涉后选或局部自旋纠缠实现了三个冷原子团或三个独立的NV色心自旋之间的纠缠。在这些研究中，三个节点是相邻的，而非相邻的节点是通过量子隐形传态连接的。
 
2022年，一项实验显示，NV量子比特节点之间的量子隐形传态没有通过量子通道直接连接。实验者用NV量子比特作为构建量子网络的三个节点，用NV电子自旋作为通信量子比特，用附近的13C核自旋作为记忆量子比特。首先，通过量子纠缠交换建立非相邻节点的纠缠，然后在两个节点之间进行量子隐形传态。在每分钟0.5次的速率下，平均传送的状态保真度为70.2±1.1%。与以前纠缠三个节点的努力相比，这个实验清楚地展示了多节点量子中继器——这是量子网络中的一个重要功能工具。记忆量子比特的优势在于，在产生纠缠的同时，可以用来读出和保护量子比特信息，同时，实现对虚假剩余信号的实时拒绝。
 
在不久的将来，多节点之间的量子隐形传态也应该在其他固态或原子系统中实现。
 
3）量子纠错
 
量子纠错对于大规模的、可靠的量子信息处理至关重要：量子隐形传态是将物理量子比特编码为逻辑量子比特的重要手段。
 
2021年，两个实验证明了物理量子比特向容错逻辑量子比特的隐形传态。在一个实验中，一个光子偏振量子比特被传送到九量子肖尔代码的一个逻辑量子比特，九个量子比特被编码在三个光子的三个DoF（偏振、路径和OAM）中。编码逻辑量子比特的九个物理量子比特中的一个比特翻转会导致错误综合征测量的改变，因此可以排除。经过校正，三个隐形传态状态的平均保真度为F = 78.6 ± 1.7%，远远超过了三分之二的经典约束。
 
另一个实验模拟了一个物理超导量子比特向逻辑代码量子比特（马约拉纳零能模量子比特）的隐形传态。马约拉纳码是一种针对相位翻转错误的量子错误检测码，用来提高六个状态的平均隐形传态保真度：从70.76±0.35%提高到84.60±0.11%，远远超过了两种情况下的经典约束。
 

 
尽管我们对物理学有所了解，但目前我们并不了解如何实现《星际迷航》等电视节目中所描述的瞬时传送功能。瞬移将需要在一个地方解构身体或物体，将其精确的信息或 “模式”传送到目的地，然后用这些信息进行重建。一个人/物体将被扫描和编码，从这些大量的信息中传输，然后在目的地重新创建。可悲的是，这样的过程存在着巨大的挑战，所使用的技术远远超出了我们现在的能力范围。
 
鼓舞人心的是，量子物理学领域近年来出现了一些迷人的发展，表明未来可能会出现不同类型的“传送”。
 

自2015年以来，量子隐形传态技术的发展主要集中在从简单的量子态过渡到复杂的量子态，以及从原则性证明到实际应用。上表总结了量子隐形传态中各种系统的性能。
 
复杂量子态隐形传态的发展主要集中在光子系统，其挑战是纠缠的制备和复杂量子态的BSM。上述进展也表明，在不久的将来，复杂状态的量子隐形传态将在这些系统中实现。
 
量子隐形传态还可用于量子通信，以克服量子态直接传输的距离限制。现在，量子隐形传态的一个变种是量子纠缠交换——这是量子中继器的核心技术。量子存储器对于同步所有节点的纠缠交换以最大化量子信息传输率至关重要。通过增加辅助光子或使用纠错码来增加BSM的成功概率的方法有望在不久的将来应用于量子隐形传态，以提高每个节点的量子通信速率。文章中还表示，“我们也可以期待量子中继器在不久的将来实现超越直接光纤通信速率的量子通信。”
 
量子隐形传态在分布式量子计算中的应用发展主要集中在固态系统（超导量子比特和NV色心）和原子系统（QED腔和离子阱）。尽管在量子计算中已经证明了“量子优势”，但许多量子算法（包括Shor和Grover算法）需要大量的量子比特和长距离的相互作用。量子隐形传态有望解决不同粒子之间的长程相互作用问题。中性原子阵列、集成磁光阱和离子阱芯片具有有效的扩展潜力，这也是基于量子隐形传态的大规模分布式量子计算的曙光。
 
总的来说，量子隐形传态对于以光子与固态/原子系统对接作为计算节点的量子网络将是必要的。两个节点的门控隐形传态已经实现了60米的距离，但是在实现数公里或更远的距离之前，仍有重大挑战。其中一个挑战是由于原子或固态系统发射或吸收的光子往往与现有光纤网络不兼容。诸如片上频率转换技术、非退行性纠缠源、混合量子隐形传态和空芯光纤等领域的进展应有助于克服这一问题。
 
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s42254-023-00588-x
[2]https://thequantuminsider.com/2023/05/24/unraveling-the-mysteries-of-quantum-teleportation/
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/ZgR33vJsdZ5lDDu1nn_--g
 
 

 

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