事实上，量子隐形传态作为一种绝对安全的信息传输方案，已经成为长距离量子信息传输的核心功能单元。那么，既然该方案有着如此广阔的应用前景，目前科学家们都取得了哪些研究突破和具体应用呢？
量子隐形传态的早期发展
其实，早在1993年，物理学家查尔斯·贝内特（ ，H.）等人就提出希望利用一对处于量子纠缠态的微观粒子来实现单个微观粒子量子态的长距离传输，从而掀起了量子隐形传态的研究热潮。
1993年， 等人首次提出量子隐形传态（图片来源：）
虽然当时的科学家已经致力于量子隐形传态方案的研究，但受限于当时实验技术条件，前期难以成功验证方案的可行性。
直到1997年，奥地利的安东·蔡林格研究小组才在实验上取得突破，利用一对处于量子纠缠态的光子来分发单个光子的二维量子态（即单个光子的不同偏振态）的信息，首次从实验上验证了量子隐形传态方案的可行性。
1997年，安东·塞林格的研究团队实现了量子隐形传态（图片来源：）
然而量子隐形传态方案只能传输单个微观粒子的少量量子态信息，无法有效传输微观粒子的全部量子态信息。例如，对于具有二维量子态信息的微观粒子，它只能处于状态0或状态1。因此，科学家希望突破量子隐形传态方案中单次信息传输的规模限制，构建更高维度的量子信息通道。
此外，在量子隐形传态方案中，信息的发送方和接收方需要预先分发纠缠粒子对，才能实现量子态信息的长距离传输，因此只有增加量子纠缠分发过程中的有效距离，才能真正实现长距离量子隐形传态。
所幸，在科学家和工程师们的不懈努力下，量子隐形传态方案正朝着更宽信道、更长传输距离的方向快速发展，并已走出实验室，取得重要的实际应用。
量子隐形传态的目标之一：更长的距离
虽然从理论上讲，量子隐形传态可以将微观粒子的量子态信息在任意无限距离上传输，但在实际应用中，科学家仍需要在量子纠缠分发过程中逐步增加有效距离，才能实现长距离量子隐形传态。
直到2004年，奥地利的安东·泽林格研究小组才利用铺设在多瑙河底部的800米长的光纤来分配纠缠光子对，实现了光子量子态的长距离传输。
2004年，塞林格研究小组实现了800米距离的量子隐形传态（图片来源：）
2009年，中国科学技术大学潘建伟研究团队与清华大学物理系合作，成功实现了北京八达岭与河北怀来之间16公里距离的量子隐形传态，打破了当时最长距离的世界纪录。这次长距离量子态传输实验的成功，也验证了通过地面大气进行量子隐形传态的可行性，为后续基于卫星中继的全球量子信息网络建设提供了强有力的技术支持。
2009年，潘建伟研究团队实现了16公里距离的量子隐形传态（图片来源：）
随后，2012年，中国科学技术大学潘建伟研究团队与奥地利安东·塞林格研究团队在实验中独立实现了数百公里的量子隐形传态，进一步打破了当时世界上最长的量子隐形传态纪录。
2012年，潘建伟研究团队实现数百公里距离的量子隐形传态（图片来源：）
由于光纤传输存在损耗，科学家必须将纠缠光子对的分发过程从地面的光纤转移到天空的卫星上，才能实现数千公里超长距离的量子态隐形传态。
于是2017年，潘建伟研究团队联合国内多家科研院所和高校，利用“墨子号”量子科学实验卫星，成功将量子隐形传态距离提升到1400公里左右，首次实现了地空之间的超远距离量子隐形传态。
2017年，潘建伟研究团队实现了天地间1400公里距离的量子隐形传态（图片来源：）
2021年，潘建伟研究团队再次取得科研突破，在国际顶级学术期刊《自然》上发表题为《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》的论文。这标志着中国研究团队在量子通信领域已达到国际领先水平，我国也初步建成了天地一体化量子信息传输网络雏形。
2021年，中国研究团队建成天地一体化量子信息传输网络原型（图片来源：）
量子隐形传态的第二个目标是更高维度
事实上，现实微观粒子的量子态信息是非常丰富和复杂的，这是因为微观粒子往往包含多个自由度，而每个自由度又包含多个维度的量子态信息。
因此，要真正实现微观粒子所有量子态的完整传输，还必须将量子隐形传态方案进一步拓展到更高维度，从而突破单一传输过程的信息尺度限制。
在早期研究阶段，科学家通常以光子的偏振态作为量子隐形传态所要传输的量子态信息。事实上，光子还具有其他量子态信息（如轨道角动量、空间模式等）。因此，如果科学家想要实现光子所有量子态的传输，需要采用更高维度的量子隐形传态解决方案。
2015年，潘建伟研究组首次实现了单光子的多自由度量子隐形传态，该研究成果表明，单个微观粒子的全部量子态信息均可利用量子隐形传态方案进行有效传输。
2015年，潘建伟研究组首次实现单光子的多自由度量子隐形传态（图片来源：）
随后，2019年，潘建伟研究团队与奥地利塞林格课题组合作，在国际上首次成功实现了高达12维的量子体系的隐形传态。这标志着科学家首次从理论和实验上将量子隐形传态方案拓展到任意高维度，从而为更复杂的量子态传输、更高效的量子传输网络提供了坚实的技术基础。
2019年，潘建伟及其研究团队成功实现高维量子隐形传态（图片来源：）
此外，中国其他研究团队随后也取得突破性进展。
2020年，中国科学技术大学郭光灿研究团队进一步提高量子隐形传态的传输维度，实现了当时世界上32维量子系统最高保真度的隐形传态。
2020年，郭光灿研究团队成功实现32维量子隐形传态（图片来源：）
结论
不难发现，经过30年的发展，量子隐形传态不仅具备了超长距离传输量子态的能力，而且可以实现任意高维度量子态的传输，成为建立长距离量子传输网络的关键核心技术。
通向未来量子世界的概念图（图片来源：veer ）
随着科学家对量子隐形传态解决方案的研究不断深入，我们正在不知不觉中走向未来量子世界的奇妙之旅。相信在不久的将来，我们一定能把最初的科幻梦想逐步变成现实，从而共同迎接无限精彩的未来世界。
参考
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出品：科普中国
