纠缠特性让一对量子“心灵相通”

深蓝色的畅想

一对纠缠量子即使相距遥远距离，其中一个粒子的行为也会瞬间影响另一个的状态，这种空间影响速度可超越光速，打破了爱因斯坦提出的定域性原理。

量子通信利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输，基于量子力学原理保证传输安全性，主要分量子隐形传态和量子密钥分发两类。这个过程中，量子的叠加态特性发挥了重要作用，甚至量子纠缠也是多粒子的一种叠加态。

量子纠缠指的是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，即使相距遥远，一个粒子的行为也会影响另一个的状态。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

这种跨越空间的、瞬间影响双方的量子纠缠，曾经被称为“鬼魅似的超距作用”，爱因斯坦曾据此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的定域性原理，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。

物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性基础上，提出了隐变量理论来解释这种超距相互作用，他认为微观粒子没有客观实在性，只有当人们测量时它们才具有确定的性质。物理学家贝尔通过实验论证了量子非定域性的存在，向世人证明了量子纠缠是非定域的，而隐变量理论是错的。

1984年，IBM的贝内特和蒙特利尔大学的布拉萨德提出了第一个实用型量子密钥分配系统，被称BB84方案，正式标志量子保密通信的诞生。

BB84方案的基本原理是，收发双方的信息可以用光子偏振态表示，假如张三利用随机偏振发送信息，李四发现并记录下信息。然后，张三在公频告知李四偏振频率，双方按照正确的偏振比对选择的信息部分。

事实上，BB84方案虽然应用了量子通道，传输的却仍是经典信息，而真正的量子通信是将信息编码在量子比特上，在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方，直接实现信息的传递。

比如在经典通信中，张三将需要传输的文件经过扫描后得到的信息，通过经典通道传送给李四，后者可将文件打印出来。然而，张三不可能用这种方式将一个量子态传输给李四。因为要传输就必须要测量，但量子态一经测量便发生坍缩，不再是原来的量子态了。

那么，如何在不引起坍缩的情况下，将一个量子态传输出去呢？

1993年贝内特等人提出了基于EPR对（总动量总自旋为零的粒子对）的隐形传态协议，利用两个经典比特信道和一个缠绕比特实现了一个量子比特的传输。这个传输过程先是制备两个有纠缠的量子（粒子）A和B，假如张三和李四各持一个。然后，张三对需要传送的量子态X和手中的A做“贝尔测量”，确认两个粒子陷入纠缠。测量后，X的量子态坍缩了，但它的状态信息隐藏在A中，使A也发生变化，但并非坍缩。

因为A和B互相纠缠，A的变化立即影响B，让B也发生变化。不过这个时候李四还不能观察B，直到从经典通道得到张三传来的信息。

张三将测量结果（即A发生的变化）告诉李四，然后，李四对B进行相应的变换处理，就能使B成为和原来的X一模一样的量子态。这个传输过程完成之后，虽然X坍缩了，但X所有的信息都传输到了B上，这个过程就被称为隐形传态。

量子隐形传态中传递的量子信息是一种量子态，B粒子获得A粒子最初的状态时，A粒子的状态必然改变。在任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以只是状态的“移动”，而不是“复制”。