无论是量子信息、量子密码、量子计算等等，所有想要在计算或通讯中应用量子力学规律的领域，都离不开一个基本的位元：量子比特。从前面的章节我们已经了解到，量子比特是一个量子态，由于量子态的叠加性质，n个量子比特能够表示的状态数比n个经典比特能表示的状态数多得多，因此，量子比特比经典比特听起来更强大、更有用多了。不过，我们也知道，量子态是不确定的、难以对付的。除此之外，它还有个经典比特完全没有的性质：不可克隆定理。

量子态不可克隆定理说: 一个未知的量子态是不可克隆的。有学者在1982年（见参考资料）从量子态叠加原理的推论，而证明了这个定理。在此，我们只是从测不准原理来粗浅地理解这个定理：从经典‘克隆’的意义上说，要想精确地复制一个物品，首先就要得到（测量）这个物品的所有的信息。然而，对一个遵循量子规律的系统（比如量子比特），我们不可能同时精确测量它的所有物理量，因为根据“海森堡测不准原理”，在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，我们只能精确测定两者之一。

从量子论的观点而言，测不准原理应该被称为“不确定性原理”更恰当一些。但如果使用经典的图像来想象微观世界的话，叫做“测不准”可能还更容易理解。比如，以测量电子为例，所谓测量，一定要使用测量方法和工具，要对电子进行测量，最好的方法就是使用激光去与电子相互作用。原子中的一个电子，从经典角度看，它的运动轨道是如此之小（10^-10米），它的运动速度又是如此之快（10⁶米/秒），在这种快速运动情形下的电子，被测量它的光子顶头一撞，速度和位置都全变了，又怎么可能测得准呢？

比如说，利用光被电子散射，可以测量电子的位置，但不可能将粒子的位置确定到比光的波长更小。所以，要想将位置测量准确，必须用更短的波长的光，而波长更短的光子具有更大的能量，就对电子的速度产生更大的扰动，使得速度更不能测准，反过来说也是一样。

“量子不可克隆定理”，是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。我们在介绍量子比特时提到过，一个qubit有两个自由度，由于测不准原理的限制，我们无法准确地测量这两个自由度，因此也就无法精确地克隆出这个量子比特的状态。

量子态不可克隆，这是在通讯中使用量子比特的极大优越性。这个优点保证了量子密码、量子通讯的安全性。但是，也由此而为它在通讯上的真正应用设置了难以逾越的障碍。在我们现代社会中铺天盖地的通讯网中，每秒钟都在复制、传输着天文数字个比特的信息。仅拿一台ADSL上网的计算机来说吧，如果网速是512Kbps，那就是每秒钟传输51.2万个比特。可是，量子比特怎么办呢？连复制都不行，如何传输呢？

科学家总能想出一些窍门，不能克隆没关系，我们照样传输它们！这就是近年来在这个行业内热门的话题，叫做“量子隐形传输”。

美国的国际商业机器公司（IBM）不愧是计算机行业的龙头老大，它不仅引领着传统的经典计算机的研发和制造，在量子计算机的研究方面，几十年来也独树一帜，不论在理论方面，还是实验方面，都进行了大量的研究工作。比如上一节中提到过的“可逆计算” 的IBM科学家R. Landauer，他在1961年对“可逆计算”的研究就与量子计算机研究有关。

“量子隐形传输”的理论设想，是由另一位IBM研究中心的研究员，查尔斯·亨利·贝内特最先提出来的。贝内特1943年生于美国纽约市，既是一位物理学家，又是信息理论学家，是现代量子信息理论的开山鼻祖之一。

贝内特等提出“量子隐形传输”的六人团队

照片来自网络：http://researcher.ibm.com/view_project.php?id=2862

贝内特1970年从哈佛大学得到博士学位后，于1972年加入IBM的研究队伍。在IBM，他做了大量有关量子信息学方面的工作。他曾经提出对麦克斯韦妖的重新解释，他与同行们合作开发了BB84量子密码协议，并建立了世界上第一个量子密码的工作演示。

1993年，Bennett等六人团队，在“物理评论快讯”上发表文章，提出“量子态隐形传输”的设想。设想将一个未知量子态的完整信息，合作通过两个独立的通道（经典和量子）发送出去，在新的远离的位置重新组合后，产生一个在发送过程中被破坏了的原始量子态的精确副本。

贝内特等人的想法可由下图说明：

图中左边的Alice，想要把量子态X传给Bob。她利用纠缠光子对A和B，Alice拥有纠缠光子中的A，而Bob拥有B。纠缠光子A、B构成量子通道，电话或是互联网可作为经典通道。首先，Alice对需要传送的X和她手中的A作“贝尔测量”。测量后，X的量子态塌缩了，A也发生变化。因为A和B互相纠缠，A的变化立即影响B也发生变化。然而，Bob无法察觉B的变化，直到从经典通道得到Alice传来的信息。比如说，Alice在电话中将测量结果告诉Bob。然后，Bob对B进行相应的变换处理。最后，B成为和原来的X一模一样。这个传输过程完成之后，X塌缩隐形了，X所有的信息都传输到了B上，因而称之为“隐形传输”。

读者从上面的说法中，可能会提出以下几个问题：

1。既然是仍然要使用经典的通道，那为何还要量子通道呢？用经典通道把全部信息都传过去好了。

2。在Alice这边的方框中，“贝尔测量”是什么意思？

3。在Bob那边的方框中，“变换处理”是什么意思？

提出第一个问题的人，一定是因为不记得“量子不可克隆定理”了！根据这个原理，我们是不可能得到量子态X的全部信息的，所以，从经典通道就不可能传递所有信息。实际上，我们可以用经典电传（FAX）的例子作比喻，就知道，要想得到经典物体的“所有信息”，是很困难的。

用电传机发送电传的过程，可以用上面量子隐形传输示意图简化，而得到如下图所示的“电传示意图”：

从上图看到，比之“量子隐形传输”，电传过程少了一个纠缠对构成的量子通道。在电传过程中，首先，Alice将上面印有图像信息的蓝色纸X进行扫描，得到需要传输的图像信息。然后，将此信息从经典通道（互联网）传给Bob。Bob收到图像后，用另外一张纸B（绿色）将图像打印出来。在这种传递过程中，“图像”只是X的一部分信息，X的其他信息，诸如纸张材料、颜色、大小、厚度等等，并不能从扫描过程得到，也没有被传递过去。况且，即使是Bob知道了这些性质，造出一张表面看起来完全一样的纸来打印图像，后来的B也不能说是和原来的X一模一样的。因为肯定不可能保证每个分子都一样吧。

而在量子隐形传输中，最后的B是和原来的X完全一样的。换言之，电传时传输后所复制出来的，只是纸上图像的信息，没有复制出任何‘实体’本身。量子隐形传输却有点像是：从得到实体的完整信息，而复制出了‘实体’本身，尽管只是一个小小的量子态！这样说，人们可能要心情激动、欢呼雀跃：“啊！科幻电影中远距离传物的时代就要来临了！” 其实远远不是这样，那种想法是一个误解。我们这儿谈论的“复制”不过只是一个量子现象，完全不知道如何才能复制一个较大的、真正的物体。即使是海边一颗小小的沙粒的传输复制，也还相距十万八千里。

上面提到的与量子通道有关的“贝尔测量”以及“变换处理”，留到下节讲解。

参考资料：

量子不可克隆定理：Wotte rs W . K . and Zurek W . H ., Nature . 299 (1982 ) , 802

量子隐形传输：C.H. Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. Wootters, "Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and EPR Channels", Phys. Rev. Lett. vol. 70, pp 1895-1899 (1993)

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