第一章 一等不可思议 4.隐形传送
4.隐形传送
我们已经遇到了矛盾，这真是太好了。现在我们有希望取得进步了。
——尼尔斯·玻尔
我无法改变物理定律，船长！
——斯柯蒂（Scotty），《星舰迷航》中的总工程师
隐形传送，或者说把一个人或一个物体从一个地点瞬间运送到另一个地点的能力，是一种可以改变文明进程和改变国家命运的技术。它将不可逆转地改变战争规则：军方可以把部队隐形传送到敌军阵线后面，或者简单地将敌方领导人员隐形传送并俘获他们。今天的交通运输系统——从汽车和船只到飞机和铁路，以及所有为这些系统服务的大量行业——都不会再被使用。我们可以简单地将自己隐形传送去上班，并且将我们的货物隐形传送去市场上销售。度假将变得毫不费力，因为我们可以把自己隐形传送到目的地。隐形传送将会改变一切。
最早提及隐形传送的文字，可以在宗教文字比如《圣经》中找到，在那里，神灵匆匆将人带走。这段来自《新约》（New Testament）《使徒行传》（Acts）的文字似乎暗示着来自迦萨（Gaza）的腓利（Philip）到亚锁都（Azotus）的隐形传送：“当他们从水中现身，天主突然将腓力带走，阉人没有再见到他，而是继续欢乐地赶路。然而，腓力在亚锁都现身，四处游历，在所有的城镇布道福音，直到他到达撒利亚（Caesarea）”（《新约》 8∶36-40）。
隐形传送也是每个魔术师戏法和幻术的一部分：从一顶帽子里拉出一只兔子，扑克牌从他（她）的袖子里出现，从某个人的耳朵后面取出硬币。近代最为宏大的魔术之一是让大象从惊诧不已的观众面前消失。在这一表演中，一头好几吨重的巨象被关在一个笼子里。然后，随着一根魔术棒的轻击，大象消失了，使观众们大为吃惊。（当然，大象其实并未消失。魔术是使用镜子表演的。长条、细薄、直立的条状镜子被放在笼子的每一根铁条后。就像一扇门一样，这些条形镜子的每一根都可以旋转。在魔术开始的时候，当所有这些直立条形镜子被整齐放置在铁条后面，镜子是无法被看见的，大象则可见。但当这些镜子被旋转45度面向观众，大象就会消失，留下观众们对着从笼子一边反射出来的影像干瞪眼。）
隐形传送和科幻小说
科幻小说最早提及隐形传送是在爱德华·佩奇·米切尔（Edward Page Mitchell）于1977年出版的小说《没有身体的人》（A Man without a Body）中。在这部小说里，一位科学家能够将一只猫的原子拆开，并且通过一根电报线传送。不幸的是，在科学家试图传送自己的时候电池用尽了，只有他的头被成功地传送了。
亚瑟·柯南·道尔（Arthur Conan Doyle）爵士因为他的《夏洛克·福尔摩斯》（Sherlock Holmes）系列小说而知名，他对隐形传送的概念着迷得神魂颠倒。在年复一年地写作侦探小说和短篇小说后，他开始对《夏洛克·福尔摩斯》系列感到厌倦，并且最终杀死了他的侦探，让他与莫里亚蒂教授一起跌落瀑布赴死。可是公众的抗议是如此高涨，柯南·道尔被迫让神探复活了。由于不能杀死夏洛克·福尔摩斯，柯南·道尔转而决定创造一个全新的系列，主角是查林杰教授（Professor Challenger），福尔摩斯的同行。两者都具备解开谜团的敏捷智慧和锐利双眼。但福尔摩斯使用冷静、侦探式的逻辑破解复杂的案件；查林杰教授探索精神力量与超常现象的黑暗世界，包括隐形传送。在1927年的小说《分解机器》（The Disintegration Machine）中，教授遇到了一位绅士，他发明了一台可以把一个人分解后重新在其他地方装配起来的机器。但是当发明者自夸他的机器要是落入了坏人手中，可以仅按一下按钮就分解有着几百万人的城市时，查林杰教授感觉非常惊惧。后来查林杰教授使用机器分解了发明者，随后离开了试验室，没有再把他装配起来。
更近一些的时候，好莱坞发现了隐形传送。1958年的电影《苍蝇》（The Fly），生动地审视了当隐形传送发生可怕错误时会发生的事。当一位科学家成功地把自己从一个房间的一头传送到另一头，他的原子和一只偶然进入传送室的苍蝇的原子混到了一起，因此科学家变成了变异的可怖怪物，半人半蝇（一部由杰夫·戈德布拉姆［Jeff Goldblum］主演的重拍版本在1986年推出）。
隐形传送随着《星舰迷航》系列的播映首次在流行文化中为人瞩目。《星舰迷航》的缔造者吉恩·罗顿巴里（Gene Roddenberry）把隐形传送引入了这一系列，因为派拉蒙工作室（Paramount Studio）的预算负担不起模拟太空船在遥远星球上起飞和降落所需的昂贵特效。简单地把“企业号”的船员们传送到他们的目的地花费比较低廉。
许多年来，科学家们提出了不知多少对于隐形传送可能存在的反对意见。要隐形传送一个人必须知道一具活体中每一个原子的精确位置，这可能违反了海森堡测不准原理（这一原理陈述了我们无法得知一个电子的确切位置和动量）。《星舰迷航》的制作人顺从批评者们，在传送室里引进了“海森堡补偿器”，就像我们在传送器上加一个小器具就能补偿量子物理定律似的。但正如事实证明的那样，创造这些海森堡补偿器的必须性还远未成熟。早先的批评者和科学家们或许是错了。
隐形传送和量子理论
根据牛顿的理论，隐形传送无疑是不可能成立的。牛顿的定律建立在物质由微型、坚硬的弹球组成这一观点的基础上。物体不被施加外力就不会移动；物体不会突然消失和在他处重新出现。
但在量子理论中，那恰恰是微粒可以做到的事情。居于绝对统治地位250年的牛顿定律在1925年被推翻，韦纳·海森堡、埃尔文·薛定谔和他们的同事们发展出了量子理论。在分析原子的怪异属性时，物理学家们发现电子像波一样运动，而且它们可以在原子内看似无序的运动中作出量子跃迁（quantum leap）。
与这些量子波联系最密切的人是维也纳出生的物理学家埃尔文·薛定谔，他写下了以他名字命名的著名波动方程，物理学和化学领域中最重要的方程式之一。物理学研究生阶段的全部课程都致力于解答他著名的方程式，物理学图书馆的墙整面都摆满了检验其深远影响的著作。原则上，化学的全部内容可以归纳为对这一方程的解答。
在1905年，爱因斯坦证明光波具备粒子的性质，也就是说，它们可以被描述为名叫光子（photon）的能量包（packet of energy）。但是到20世纪20年代，薛定谔越来越觉得反过来也是正确的：像电子这样的粒子可以表现出波的行为。这一假想首先由法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出，他因这一推测赢得了诺贝尔奖（在大学，我们向本科生论证这一点。我们在一个阴极射线管——比如通常能在电视机里找到的那些——里面点燃电子。电子穿过一个微小的洞，所以通常你可以看到一个电子撞击电视机屏幕留下的小点，而不是如你以为的那样，当一股波——而非一个点状微粒，穿过一个洞会留下同心的波状环）。
有一天，薛定谔就这一奇特现象作了一个讲座。他受到了一位物理学家同行彼得·德拜（Peter Debye）的挑战，他问薛定谔：如果电子是用波来描述的，那么它们的波动方程是什么？
自从牛顿创造了微积分，物理学家们得以用微分方程描述波，因此薛定谔将德拜的问题——写出微分方程当成一项挑战。那个月薛定谔外出度假，当回来的时候他已经写出了方程。正如在他之前的麦克斯韦采用法拉第的力场，提炼出了光的麦克斯韦方程；薛定谔采用德布罗意的物质波，提炼出了光子的薛定谔方程。
（科学史家们作了些努力，试图搜索出薛定谔发现永久改变现代物理学和化学面貌的方程时究竟做了什么。显然，薛定谔是自由之爱的信奉者，并且一直由情人们或者他的妻子陪伴着度假。他甚至保留有一份关于他所有为数众多的情人们的详细日记存档，对每一次相会都精心作了编码。历史学家现在认为，在他发现方程的那个星期，他与他的一位女友住在阿尔卑斯山的赫维格别墅。）
当薛定谔开始解决氢原子的方程时，他相当吃惊地发现氢的确切能级已经被前辈物理学家仔细地编写了下来。他随即意识到，尼尔斯·玻尔显示电子绕着原子核高速运动的旧原子结构图（甚至今天在需要标示现代科学的时候它仍被使用在书本和广告中）其实是错误的。轨道应该用包围原子核的波来代替。
薛定谔的工作成果还给物理学界带来了冲击波。突然间物理学家得以仔细观看原子自身内部，细致观察组成其电子壳的波，并且为这些能级选出完美符合其数据的精确预测。
但仍有一个甚至今天还时常困扰物理学家的烦人问题。如果电子可以用一种波来描述，那波动是什么样的？这已经被物理学家麦克斯·玻恩（Max Born）解答了，他说这些波其实是几率波（wave of probability）。这些波只是告诉你在任意地点和任意时刻找到某个特定电子的可能性。换言之，电子是一种粒子，但找到那个粒子的概率由薛定谔的波提供。波越大，在那一点找到特定粒子的可能性越大。
有了这些进展，突然间偶然性和概率被直接引入了物理学的核心，它们先前已经给我们带来粒子的精确预测和详细轨迹，从行星到彗星到炮弹。
这一不确定性最终在海森堡提出测不准原理的时候被他制定为规则，也就是你不可能同时既知道一个电子准确的速度又知道它的位置，你同样不可能知道特定时间中测量出的它的确切能量。在量子水平，一切的基本定律常识都遭到了违反：电子会消失，并在他处重新出现，而且电子可以在同一时刻存在于许多位置上。
（具有讽刺意味的是，量子理论的教父、在1905年协助促成革命开始的爱因斯坦，还有薛定谔——给予了我们波动方程的人，对于将偶然性引入基础物理学感到惊恐万分。爱因斯坦写道：“量子力学急需获得高度尊重。但一些来自内部的声音告诉我们这不是真正的雅各布。这一理论贡献良多，但它几乎一点也没有让我们更加靠近上帝的秘密。就我来说，至少，我确信他不玩骰子。”）
海森堡的理论是革命性的，也是广受争议的——但它起了作用。物理学家们得以一下子解释大量令人不解的现象，包括化学的定律。为了让我的博士生们深刻了解量子理论是多么古怪，我有时让他们计算他们的原子会突然消散并且在砖墙另一边突然出现的概率。这样的隐形传送事件在牛顿物理学中是不可能的，但在量子力学范畴中确实被允许。答案是，我们必须等待比宇宙的寿命更长的光阴好让它发生（如果你用一台电脑绘出你自己身体的薛定谔波，你会发现它与你的身体特征非常相像，只是绘出的曲线会有点模糊，你的一些波向四面八方流出，你的一些波甚至会延伸到遥远的星体上。因此有那么个很小的概率，有一天你会发现自己在一颗遥远的星球上醒来）。
电子看来可以在同一时刻处于许多位置，这一事实构成了化学的根基。我们知道电子围绕一个原子的原子核运转，就像一个微型太阳系。但是原子和太阳系不尽相同。如果两个太阳系在太空中相互冲突，那么太阳系会支离破碎，星体们会被抛掷到太空深处。然而，当原子发生冲突，它们通常会组成极为稳定的分子，分享它们之间的电子。在高中化学课堂上，老师通常会用一个与足球非常相似、把两个原子联系在一起的“弥散电子”来代表它。
但化学老师很少告诉他们学生的是，电子根本就不在两个原子之间“弥散”。这个“足球”实际上演示了在足球内部电子在同一时刻位于许多方位上。换句话说，所有解释我们体内分子的化学，是建立在电子可以在同一时刻位于许多位置上，并且正是两个原子间的电子共享把我们身体的分子结合在一起这个概念上。没有量子理论，我们体内的分子和原子会立刻解体。
量子理论这一独特但深远的性质（在有限的概率内，甚至连最最怪异的事件也有可能发生）被道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他引人入胜的小说《银河系漫游指南》（The Hichhiker’s Guide to the Galaxy）中采用。他需要一种便利的方式高速穿过银河系，所以他发明了“无限不可能发动机”（Infinite Improbability Drive），“一种在几乎零秒内穿过遥远星际距离的全新绝妙方法，免于在超空间内令人厌烦地虚掷时光”。他的机器使你得以任意改变任何量子事件的概率，因而哪怕是极不可能的事件也成了老生常谈。所以，如果你想要火速前往最近的星系，仅仅需要改变你在那个星系上重新实体化的概率即可。然后，瞧，你会被即刻传送到那里！
在现实中，在原子中如此普遍的量子“跃迁”无法被简单地普及到大型物体上，比如说含有上万亿个原子的人。尽管我们体内的电子在它们环游原子核的美妙旅程中舞动着、跳跃着，但它们的数量如此之多，以至于它们的运动相互抵消了。粗略而言，那就是为什么在我们的水平上物质看起来是固体的和稳定的。
所以，虽然隐形传送在原子水平上是可以发生的，但我们必须等待比宇宙的寿命更长的光阴才能真的见证宏观水平上发生的这些奇特效应。一个人是否可以使用量子理论定律来制造出一台机器以根据需要来传送东西，就像在科幻小说中那样？令人吃惊的是，答案是一个有所保留的“是”。
EPR实验
量子隐形传送的关键在于一份1935年由阿尔伯特·爱因斯坦和他的同事波尔斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）及奈森·罗森（Nathan Rosen）完成的论文。他们具有讽刺意味地提出了EPR实验（以三位作者的名字命名）来最后一次阻止将偶然性引入物理学。（爱因斯坦对量子理论在实验上不可否认的成功感到悲伤，他写道：“量子理论越是成功，看起来就越愚蠢。”）
如果两个电子最初是一致地振动的（一种称为“相干”的状态），它们可以保持波状一致，哪怕它们被分隔开了很远的距离。尽管两个电子之间的距离可能要以光年计，仍然有一个看不见的薛定谔波联系着它们两者，就像是一根脐带。如果一个电子发生了什么，那这一信息中有一部分会立刻传送到另一个电子。这被称为“量子纠缠”（quantum entanglement），即相干地振动的粒子之间有某种深层次联系将它们连接在一起。
让我们从两个一致摆动的相干电子开始。随后，让它们以相反的方向飞出去。每个电子就像一个陀螺。每个电子的自旋都可以加强或减弱。让我们假设整个系统的自旋为零，因此如果一个电子的自旋增强，你就自然知道另一个电子的自旋减弱了。根据量子原理，在你作出一个测量之前，电子的自旋既不增强也不减弱，而是以一种同步增强或减弱自转的状态存在（一旦你做了观测，波动功能就“崩溃”，使一个粒子停留在有限状态里）。
其次，测量一个电子的自旋。假设它在加快自旋，则你立刻就知晓另一个电子的自旋在减慢。就算两个电子被分隔开许多光年，只要通过测量第一个电子就会立即得知第二个电子的自旋。事实上，你以比光速更快的速度得知了这一信息！因为这两个电子是“纠缠的”，就是说，它们的波函数一致地搏动，它们的波函数被一股看不见的“细线”或“脐带”连接在一起。在其中一个电子上发生的任何情况都会自动在另一个电子上产生影响（这意味着，在某些意义上，在我们身上发生的任何情况都会自动即时影响在遥远的宇宙角落里的事物。因为我们的波函数可能在时间的初始就纠缠在了一起。在某些意义上，有一张纠缠的网络将宇宙的各个遥远角落联系在一起，包括我们自己）。爱因斯坦嘲讽地把这叫做“鬼魅般的超距作用”，这一现象使他得以“证明”量子理论是错误的，因为在他看来，没有事物可以移动得比光速更快。
起初，爱因斯坦设计了EPR实验作为量子理论的丧钟。在20世纪80年代，法国的艾伦·阿斯佩克特（Alan Aspect）和他的同事使用两个分开13米的探测器进行了这个实验，测量从钙原子中放出的光子的自旋，实验结果与量子理论精确吻合。显然，上帝的确会在宇宙里投骰子。
信息真的比光传送得更快吗？在光速是宇宙的速度极限这一点上，爱因斯坦错了吗？不完全是。信息的确比光速传送得更快，但信息是随机的，因此是无用的。你不能通过EPR实验传送一条真正的消息或者莫尔斯密码，哪怕信息传送得比光速更快。
知道在宇宙另一端的一个电子正在减缓自旋是一条无用的信息。你不能通过这一方法传送今天的股票行情。举例来说，让我们假设一位朋友总是穿一只红袜子和一只绿袜子，次序随机。假设你查看他的一只脚，那只脚上穿着一只红袜子，那么你就知道——比光速更快地知道，另一只袜子是绿色的。信息的确比光传送得更快，但这一信息是无用的。不包含非随机信息的讯号可以用这种方式送出。
多年来，EPR实验被作为量子理论战胜它的批评者们大获全胜的例子，但那是一个没有真正价值的胜利，直到现在也不具备实际影响。
量子隐形传送
一切都在1993年改变了。由查尔斯·班奈特（Charles Bennett）领导的IBM的科学家们用EPR实验证实在物理学上隐形传送物体是可能的，至少在原子水平上如此（更确切地说，他们证明你可以隐形传送一个粒子内含有的所有信息）。从此，物理学家们已经可以传送光子，甚至整个铯原子。在几十年内，科学家们或许能传送第一个DNA分子和病毒。
量子隐形传送开发了某些EPR实验更为奇特的性质。在这些传送实验中，物理学家从两个原子A和C开始。假设我们希望把信息从原子A传送到原子C。我们从引入第三个原子——B，开始入手，它开始时与C纠缠，所以B和C是相干的。现在原子A开始与原子B建立联系。A扫描B，这样一来原子A的信息内容就转移到了原子B。A和B在联系过程中变得纠缠。但由于B和C是最初纠缠的，A之中的信息现在已经被转移到了原子C。最后，原子A现在已经被传送成了原子C，就是说，A的信息内容现在与C的完全相同。
注意，原子A内的信息已经被销毁（这样在传送后不会有两份副本）。这意味着任何假设被传送的人都会在这个过程中死亡。但他身体的信息内容会出现在别处。同样注意，原子A没有移动到原子C的位置。相反，是A中的信息（比如，它的自旋和极化）被转移到了C（这不表示原子A解体，随后迅速移动到另一个位置，而表示原子A的信息内容已经转移到了另一个原子——C上）。
从这一突破最早宣布开始，取得进步的竞争就变得激烈了。因为不同的小组都试图胜过彼此。在第一次量子隐形传送的历史性演示中，紫外线光的光子被传送，它于1997年在茵斯布鲁克大学（University of Innsbruck）进行。紧接着进行这一实验的是次年加州理工学院的实验，他们进行了一个涉及传送光子的更为精确的实验。
在2004年，维也纳大学（University of Vienna）的物理学家成功使用一根光纤电缆在多瑙河底将光的粒子传送了600米，创下了一个新纪录（电缆本身长800米，被悬在多瑙河下的公共下水道系统下方。发送者站在河的一边，接收者在另一边）。
这些实验受到了一种非难：它们是使用光的光子进行的，这几乎就不是科幻小说里的题材了。因此，2004年的量子隐形传送使用真正的原子而非光的光子来进行证明就显得非常重要，使我们又向更为实际的隐形传送装置靠近了一步。华盛顿国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and Technology）的物理学家们成功地将三个铍原子纠缠在一起，并且将其中一个原子的性质转移到了另一个里。这项成就非常重要，以至于它上了《自然》（Nature）杂志的封面。另一个小组还成功传送了钙原子。
2006年，另一项更为出色的进展达成了，第一次涉及了一个宏观物体。哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）和德国马克斯·普朗克研究所（Max Plank Institute）的物理学家成功将一道光线与一股铯原子气体纠缠，这是一项涉及上万亿上万亿原子的成就。随后，他们将激光脉冲内包含的信息进行编码，并成功地把这一信息传送过大约半码距离，传到了铯原子上。“有史以来第一次，”尤金·波尔齐克（Eugene Polzik）——研究者之一说，“量子隐形传送在光——信息的载体和原子之间实现。”
不涉及纠缠态的隐形传送
隐形传送的进展在飞快地加速。2007年实现了另一个突破。物理学家们提出了一种不要求纠缠的隐形传送。纠缠态是量子隐形传送唯一最为困难的特点，解决这一问题能为隐形传送开启新的前景。
“我们是在谈论一束约5 000个粒子从一处消失，然后在其他一个地方出现。”澳大利亚布里斯班的澳大利亚研究理事会量子光学卓越研究中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Quantum Atom Optics）的物理学家阿斯顿·布拉德利（Aston Bradley）说，他着力开辟了一种新的隐形传送方式。
“我们觉得自己的方案与最初的小说般概念的精神更为贴近。”他宣布。在他们的方法中，他和他的同事使用了一束铷原子，将它的全部信息传到一束光线中，再将这束光传送过一根光纤电缆，随后在远处一个地点重建最初的原子束。如果他的陈述能成立，这一方法将清除隐形传送的头号绊脚石，并且为传送越来越大的物件开辟全新的道路。
为了将这种新方法与量子隐形传送区别开来，布拉德利博士已经把他的方法命名为“古典隐形传送”（这有一点歧义，因为他的方法也非常倚重量子理论，但不依靠纠缠态）。
这一小说式的隐形传送的关键是一种新的物质形态，称作玻色—爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate），或BEC，是整个宇宙中最冷的物质之一。自然界中，最低的温度是在外太空中被发现的，绝对零度以上3k（这是由大爆炸留下的残热引起的，它仍旧充满了宇宙）。但一块BEC是绝对零度以上百万分之一度到十亿分之一度，这是只有在试验室里才能找到的温度。
当某些形式的物质被冷却到绝对零度附近的温度，它们的原子会全部急剧下降到最低能态，这样一来它们的全部原子都在一致中振动，变得相干。所有原子的波函数重叠，以至于从某些意义上来说，一块BEC就像一个其所有原子一致地振动的巨大“超级原子”。这一物质的奇特状态被爱因斯坦和萨地扬德拉·玻色（Satyendranath Bose）在1925年预测到了，但是到1995年才最终在麻省理工学院（MIT）和科罗拉多大学（University of Colorado）被制造出来，整整过去了70个年头。
以下讲述布拉德利和他的同伴的隐形传送装置如何作用。首先，他们从一组BEC状态的超低温铷原子开始，随后使一束物质接触BEC（同样由铷原子组成）。这些物质束中的原子同样希望骤降到最低能态，所以它们把过剩的能量以脉冲光的形式泄出。这一光束随即被送入一根光纤电缆。值得注意的是，这一光束包含全部描述初始物质束所必需的量子信息（比如，其全部原子的位置和运动速度）。然后，光束撞击另一个BEC，它随即将光束转变为初始的物质束。
这一新的隐形传送方式具备广阔的前景，因为它不涉及原子的纠缠。但是这一方法同样有它的问题。它极度依赖BEC的性质，而BEC难以在试验室中制造。此外，BEC的性质非常独特，因为它们表现得好像是一颗巨大的原子。原则上，我们只能在原子水平见到的奇异量子效应可以使用肉眼在一个BEC中见到。这曾被认为是不可能的。
BEC的直接实际应用是制造“原子激光”。理所当然，激光存在于共振的光子组成的相干光束基础上。但一个BEC是共振的原子的集合，因此可能制造出完全相干的BEC原子束。换言之，一个BEC可以制造出激光的类似物——原子激光或物质激光，由BEC原子组成。激光的商业应用是巨大的，原子激光的商业应用同样具有深远意义。但由于BEC只存在于绝对零度上浮动的温度下，这一领域的进展尽管稳定但会缓慢。
有了这一迅速的进展，我们何时有可能传送我们自己呢？物理学家们希望在明年能够传送复杂的分子。在那之后，DNA分子甚至一个病毒或许可以在几十年之内被传送。理论上没有任何事物禁止传送一个真正的人——就像在科幻电影中那样。但是这一伟大成就所面临的技术问题确实非常棘手。必须有一些世界上最好的物理试验室被用于仅仅在微小的光的光子和单个原子之间创造相干性。制造涉及真正宏观物体——比如人的量子相干性，无疑需要很长时间才能实现。实际上，要让每个物体都可以传送，还需要花上许多个世纪，或者更长时间——如果这真的可能实现的话。
量子计算机
最后，量子隐形传送的命运与量子计算机发展的命运紧紧地联系在了一起。两者使用同样的量子物理学和技术，因此这两个领域之间有高度的相互获益关系。量子计算机有一天或许会替代我们书桌上的熟悉的数字计算机。事实上，世界经济的未来有一天或许会仰仗这样的计算机，因此这些技术有巨大的商业利益。有一天硅谷可能会变成“锈带”，被来自量子计算机学的新技术所取代。
普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子位（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉，我们原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述（如果是大型物体，例如猫，用这种量子的方式进行描述，那意味着你不得不将一只活猫的波函数与一只死猫的波函数相加，这样猫就既不死去也不活着——正如我在第13章中将更为详细地探讨的那样）。
现在，想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。
量子计算机还处于襁褓之中。量子计算机的世界纪录是3×5＝15，算不上拥有一种能取代今天的超级计算机的计算能力。量子隐形传送和量子计算机两者都存在同样的缺陷：需要维持大量原子的相干性。如果这一问题可以解决，那么对两个领域都是一项重大突破。
CIA和其他秘密组织对量子计算机极为感兴趣。世界上的许多密码都依靠一个“密钥”，那是一个非常大的整数，而需要做的是将它分解因数为质数。如果密钥是两个各有100位的数的产物，那么一台数字计算机或许要花上100多年来从零开始找出这两个因数。这样一个密码目前基本上是无法破译的。
但是，在1994年，贝尔实验室（Bell Labs）的彼得·秀尔（Peter Shor）证明，将这样的数字分解因数对量子计算机来说可谓小菜一碟。这一发现立刻伤害了智能团体的利益。原则上一台量子计算机可以破译世界上所有的编码，将当今计算机系统的安全性推入彻底的无序中。首个成功建立这样一个系统的国家将得以破解其他国家和组织最深层的秘密。
某些科学家已经推测，未来世界经济将依靠量子计算机。以硅为构架的数字计算机被认为将在2020年后的某个时候达到它们计算能力升级上的物理极限。一种新的、更强大的计算机家族或许会成为必须——如果科技将继续前进的话。另一些科学家正在探索通过量子计算机复制人脑智能的可能性。
然而，这样做需要押非常高的赌注。如果我们能解决相干性的问题，我们不仅能够解决隐形传送的挑战，或许还能用过量子计算机以未知的方式拥有各种各样推动科技发展的能力。这一突破非常重要，我将在后面的章节中回过头来进行这一讨论。
就如我早年指出的，相干性在实验室中极难维持。最微小的振动也会扰乱两个原子的相干，并且毁坏计算过程。目前我们很难维持仅仅是少量原子的相干性。最初同步的原子会在1毫微秒、最多1秒之内开始消相干。传送必须非常迅速地完成，赶在原子开始消相干之前，这样便为量子计算机和隐形传送造成了其他的限制。
尽管有这些挑战，牛津大学的大卫·多伊奇（David Deutsch）还是相信这些问题可以克服：“凭着运气，凭着近期理论进步的协助，一台量子计算机或许能在远远少于50年的时间内制造成功……那将是一种全新的利用自然的方法。”
要制造一台有用的量子计算机，我们需要使数百到数百万原子一致地振动，这是一项远远超出我们目前能力的挑战。传送柯克船长会是极度艰巨的，我们不得在一对柯克船长之间制造一个量子纠缠。即便有了纳米科技和先进的计算机，也很难想象这将如何实现。
因此，隐形传送还只存在于原子水平，我们或许终将在几十年内传送复杂的分子、甚至是有机分子。但是要实现一件大型物体的传送，将必须等上几十年到几百年，或者更久——如果它的确可能的话。因此，传送复杂分子，也许甚至是一个病毒或一个活细胞，符合“一等不可思议”的要求，应该会在本世纪之内成为可能。但是传送人类，虽然被物理定律所允许，或许也要在那之后花上好几百年——假设它真的可能。因此，我将那种类型的隐形传送定义为“二等不可思议”。
我们已经遇到了矛盾，这真是太好了。现在我们有希望取得进步了。
——尼尔斯·玻尔
我无法改变物理定律，船长！
——斯柯蒂（Scotty），《星舰迷航》中的总工程师
隐形传送，或者说把一个人或一个物体从一个地点瞬间运送到另一个地点的能力，是一种可以改变文明进程和改变国家命运的技术。它将不可逆转地改变战争规则：军方可以把部队隐形传送到敌军阵线后面，或者简单地将敌方领导人员隐形传送并俘获他们。今天的交通运输系统——从汽车和船只到飞机和铁路，以及所有为这些系统服务的大量行业——都不会再被使用。我们可以简单地将自己隐形传送去上班，并且将我们的货物隐形传送去市场上销售。度假将变得毫不费力，因为我们可以把自己隐形传送到目的地。隐形传送将会改变一切。
最早提及隐形传送的文字，可以在宗教文字比如《圣经》中找到，在那里，神灵匆匆将人带走。这段来自《新约》（New Testament）《使徒行传》（Acts）的文字似乎暗示着来自迦萨（Gaza）的腓利（Philip）到亚锁都（Azotus）的隐形传送：“当他们从水中现身，天主突然将腓力带走，阉人没有再见到他，而是继续欢乐地赶路。然而，腓力在亚锁都现身，四处游历，在所有的城镇布道福音，直到他到达撒利亚（Caesarea）”（《新约》 8∶36-40）。
隐形传送也是每个魔术师戏法和幻术的一部分：从一顶帽子里拉出一只兔子，扑克牌从他（她）的袖子里出现，从某个人的耳朵后面取出硬币。近代最为宏大的魔术之一是让大象从惊诧不已的观众面前消失。在这一表演中，一头好几吨重的巨象被关在一个笼子里。然后，随着一根魔术棒的轻击，大象消失了，使观众们大为吃惊。（当然，大象其实并未消失。魔术是使用镜子表演的。长条、细薄、直立的条状镜子被放在笼子的每一根铁条后。就像一扇门一样，这些条形镜子的每一根都可以旋转。在魔术开始的时候，当所有这些直立条形镜子被整齐放置在铁条后面，镜子是无法被看见的，大象则可见。但当这些镜子被旋转45度面向观众，大象就会消失，留下观众们对着从笼子一边反射出来的影像干瞪眼。）
隐形传送和科幻小说
科幻小说最早提及隐形传送是在爱德华·佩奇·米切尔（Edward Page Mitchell）于1977年出版的小说《没有身体的人》（A Man without a Body）中。在这部小说里，一位科学家能够将一只猫的原子拆开，并且通过一根电报线传送。不幸的是，在科学家试图传送自己的时候电池用尽了，只有他的头被成功地传送了。
亚瑟·柯南·道尔（Arthur Conan Doyle）爵士因为他的《夏洛克·福尔摩斯》（Sherlock Holmes）系列小说而知名，他对隐形传送的概念着迷得神魂颠倒。在年复一年地写作侦探小说和短篇小说后，他开始对《夏洛克·福尔摩斯》系列感到厌倦，并且最终杀死了他的侦探，让他与莫里亚蒂教授一起跌落瀑布赴死。可是公众的抗议是如此高涨，柯南·道尔被迫让神探复活了。由于不能杀死夏洛克·福尔摩斯，柯南·道尔转而决定创造一个全新的系列，主角是查林杰教授（Professor Challenger），福尔摩斯的同行。两者都具备解开谜团的敏捷智慧和锐利双眼。但福尔摩斯使用冷静、侦探式的逻辑破解复杂的案件；查林杰教授探索精神力量与超常现象的黑暗世界，包括隐形传送。在1927年的小说《分解机器》（The Disintegration Machine）中，教授遇到了一位绅士，他发明了一台可以把一个人分解后重新在其他地方装配起来的机器。但是当发明者自夸他的机器要是落入了坏人手中，可以仅按一下按钮就分解有着几百万人的城市时，查林杰教授感觉非常惊惧。后来查林杰教授使用机器分解了发明者，随后离开了试验室，没有再把他装配起来。
更近一些的时候，好莱坞发现了隐形传送。1958年的电影《苍蝇》（The Fly），生动地审视了当隐形传送发生可怕错误时会发生的事。当一位科学家成功地把自己从一个房间的一头传送到另一头，他的原子和一只偶然进入传送室的苍蝇的原子混到了一起，因此科学家变成了变异的可怖怪物，半人半蝇（一部由杰夫·戈德布拉姆［Jeff Goldblum］主演的重拍版本在1986年推出）。
隐形传送随着《星舰迷航》系列的播映首次在流行文化中为人瞩目。《星舰迷航》的缔造者吉恩·罗顿巴里（Gene Roddenberry）把隐形传送引入了这一系列，因为派拉蒙工作室（Paramount Studio）的预算负担不起模拟太空船在遥远星球上起飞和降落所需的昂贵特效。简单地把“企业号”的船员们传送到他们的目的地花费比较低廉。
许多年来，科学家们提出了不知多少对于隐形传送可能存在的反对意见。要隐形传送一个人必须知道一具活体中每一个原子的精确位置，这可能违反了海森堡测不准原理（这一原理陈述了我们无法得知一个电子的确切位置和动量）。《星舰迷航》的制作人顺从批评者们，在传送室里引进了“海森堡补偿器”，就像我们在传送器上加一个小器具就能补偿量子物理定律似的。但正如事实证明的那样，创造这些海森堡补偿器的必须性还远未成熟。早先的批评者和科学家们或许是错了。
隐形传送和量子理论
根据牛顿的理论，隐形传送无疑是不可能成立的。牛顿的定律建立在物质由微型、坚硬的弹球组成这一观点的基础上。物体不被施加外力就不会移动；物体不会突然消失和在他处重新出现。
但在量子理论中，那恰恰是微粒可以做到的事情。居于绝对统治地位250年的牛顿定律在1925年被推翻，韦纳·海森堡、埃尔文·薛定谔和他们的同事们发展出了量子理论。在分析原子的怪异属性时，物理学家们发现电子像波一样运动，而且它们可以在原子内看似无序的运动中作出量子跃迁（quantum leap）。
与这些量子波联系最密切的人是维也纳出生的物理学家埃尔文·薛定谔，他写下了以他名字命名的著名波动方程，物理学和化学领域中最重要的方程式之一。物理学研究生阶段的全部课程都致力于解答他著名的方程式，物理学图书馆的墙整面都摆满了检验其深远影响的著作。原则上，化学的全部内容可以归纳为对这一方程的解答。
在1905年，爱因斯坦证明光波具备粒子的性质，也就是说，它们可以被描述为名叫光子（photon）的能量包（packet of energy）。但是到20世纪20年代，薛定谔越来越觉得反过来也是正确的：像电子这样的粒子可以表现出波的行为。这一假想首先由法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出，他因这一推测赢得了诺贝尔奖（在大学，我们向本科生论证这一点。我们在一个阴极射线管——比如通常能在电视机里找到的那些——里面点燃电子。电子穿过一个微小的洞，所以通常你可以看到一个电子撞击电视机屏幕留下的小点，而不是如你以为的那样，当一股波——而非一个点状微粒，穿过一个洞会留下同心的波状环）。
有一天，薛定谔就这一奇特现象作了一个讲座。他受到了一位物理学家同行彼得·德拜（Peter Debye）的挑战，他问薛定谔：如果电子是用波来描述的，那么它们的波动方程是什么？
自从牛顿创造了微积分，物理学家们得以用微分方程描述波，因此薛定谔将德拜的问题——写出微分方程当成一项挑战。那个月薛定谔外出度假，当回来的时候他已经写出了方程。正如在他之前的麦克斯韦采用法拉第的力场，提炼出了光的麦克斯韦方程；薛定谔采用德布罗意的物质波，提炼出了光子的薛定谔方程。
（科学史家们作了些努力，试图搜索出薛定谔发现永久改变现代物理学和化学面貌的方程时究竟做了什么。显然，薛定谔是自由之爱的信奉者，并且一直由情人们或者他的妻子陪伴着度假。他甚至保留有一份关于他所有为数众多的情人们的详细日记存档，对每一次相会都精心作了编码。历史学家现在认为，在他发现方程的那个星期，他与他的一位女友住在阿尔卑斯山的赫维格别墅。）
当薛定谔开始解决氢原子的方程时，他相当吃惊地发现氢的确切能级已经被前辈物理学家仔细地编写了下来。他随即意识到，尼尔斯·玻尔显示电子绕着原子核高速运动的旧原子结构图（甚至今天在需要标示现代科学的时候它仍被使用在书本和广告中）其实是错误的。轨道应该用包围原子核的波来代替。
薛定谔的工作成果还给物理学界带来了冲击波。突然间物理学家得以仔细观看原子自身内部，细致观察组成其电子壳的波，并且为这些能级选出完美符合其数据的精确预测。
但仍有一个甚至今天还时常困扰物理学家的烦人问题。如果电子可以用一种波来描述，那波动是什么样的？这已经被物理学家麦克斯·玻恩（Max Born）解答了，他说这些波其实是几率波（wave of probability）。这些波只是告诉你在任意地点和任意时刻找到某个特定电子的可能性。换言之，电子是一种粒子，但找到那个粒子的概率由薛定谔的波提供。波越大，在那一点找到特定粒子的可能性越大。
有了这些进展，突然间偶然性和概率被直接引入了物理学的核心，它们先前已经给我们带来粒子的精确预测和详细轨迹，从行星到彗星到炮弹。
这一不确定性最终在海森堡提出测不准原理的时候被他制定为规则，也就是你不可能同时既知道一个电子准确的速度又知道它的位置，你同样不可能知道特定时间中测量出的它的确切能量。在量子水平，一切的基本定律常识都遭到了违反：电子会消失，并在他处重新出现，而且电子可以在同一时刻存在于许多位置上。
（具有讽刺意味的是，量子理论的教父、在1905年协助促成革命开始的爱因斯坦，还有薛定谔——给予了我们波动方程的人，对于将偶然性引入基础物理学感到惊恐万分。爱因斯坦写道：“量子力学急需获得高度尊重。但一些来自内部的声音告诉我们这不是真正的雅各布。这一理论贡献良多，但它几乎一点也没有让我们更加靠近上帝的秘密。就我来说，至少，我确信他不玩骰子。”）
海森堡的理论是革命性的，也是广受争议的——但它起了作用。物理学家们得以一下子解释大量令人不解的现象，包括化学的定律。为了让我的博士生们深刻了解量子理论是多么古怪，我有时让他们计算他们的原子会突然消散并且在砖墙另一边突然出现的概率。这样的隐形传送事件在牛顿物理学中是不可能的，但在量子力学范畴中确实被允许。答案是，我们必须等待比宇宙的寿命更长的光阴好让它发生（如果你用一台电脑绘出你自己身体的薛定谔波，你会发现它与你的身体特征非常相像，只是绘出的曲线会有点模糊，你的一些波向四面八方流出，你的一些波甚至会延伸到遥远的星体上。因此有那么个很小的概率，有一天你会发现自己在一颗遥远的星球上醒来）。
电子看来可以在同一时刻处于许多位置，这一事实构成了化学的根基。我们知道电子围绕一个原子的原子核运转，就像一个微型太阳系。但是原子和太阳系不尽相同。如果两个太阳系在太空中相互冲突，那么太阳系会支离破碎，星体们会被抛掷到太空深处。然而，当原子发生冲突，它们通常会组成极为稳定的分子，分享它们之间的电子。在高中化学课堂上，老师通常会用一个与足球非常相似、把两个原子联系在一起的“弥散电子”来代表它。
但化学老师很少告诉他们学生的是，电子根本就不在两个原子之间“弥散”。这个“足球”实际上演示了在足球内部电子在同一时刻位于许多方位上。换句话说，所有解释我们体内分子的化学，是建立在电子可以在同一时刻位于许多位置上，并且正是两个原子间的电子共享把我们身体的分子结合在一起这个概念上。没有量子理论，我们体内的分子和原子会立刻解体。
量子理论这一独特但深远的性质（在有限的概率内，甚至连最最怪异的事件也有可能发生）被道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他引人入胜的小说《银河系漫游指南》（The Hichhiker’s Guide to the Galaxy）中采用。他需要一种便利的方式高速穿过银河系，所以他发明了“无限不可能发动机”（Infinite Improbability Drive），“一种在几乎零秒内穿过遥远星际距离的全新绝妙方法，免于在超空间内令人厌烦地虚掷时光”。他的机器使你得以任意改变任何量子事件的概率，因而哪怕是极不可能的事件也成了老生常谈。所以，如果你想要火速前往最近的星系，仅仅需要改变你在那个星系上重新实体化的概率即可。然后，瞧，你会被即刻传送到那里！
在现实中，在原子中如此普遍的量子“跃迁”无法被简单地普及到大型物体上，比如说含有上万亿个原子的人。尽管我们体内的电子在它们环游原子核的美妙旅程中舞动着、跳跃着，但它们的数量如此之多，以至于它们的运动相互抵消了。粗略而言，那就是为什么在我们的水平上物质看起来是固体的和稳定的。
所以，虽然隐形传送在原子水平上是可以发生的，但我们必须等待比宇宙的寿命更长的光阴才能真的见证宏观水平上发生的这些奇特效应。一个人是否可以使用量子理论定律来制造出一台机器以根据需要来传送东西，就像在科幻小说中那样？令人吃惊的是，答案是一个有所保留的“是”。
EPR实验
量子隐形传送的关键在于一份1935年由阿尔伯特·爱因斯坦和他的同事波尔斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）及奈森·罗森（Nathan Rosen）完成的论文。他们具有讽刺意味地提出了EPR实验（以三位作者的名字命名）来最后一次阻止将偶然性引入物理学。（爱因斯坦对量子理论在实验上不可否认的成功感到悲伤，他写道：“量子理论越是成功，看起来就越愚蠢。”）
如果两个电子最初是一致地振动的（一种称为“相干”的状态），它们可以保持波状一致，哪怕它们被分隔开了很远的距离。尽管两个电子之间的距离可能要以光年计，仍然有一个看不见的薛定谔波联系着它们两者，就像是一根脐带。如果一个电子发生了什么，那这一信息中有一部分会立刻传送到另一个电子。这被称为“量子纠缠”（quantum entanglement），即相干地振动的粒子之间有某种深层次联系将它们连接在一起。
让我们从两个一致摆动的相干电子开始。随后，让它们以相反的方向飞出去。每个电子就像一个陀螺。每个电子的自旋都可以加强或减弱。让我们假设整个系统的自旋为零，因此如果一个电子的自旋增强，你就自然知道另一个电子的自旋减弱了。根据量子原理，在你作出一个测量之前，电子的自旋既不增强也不减弱，而是以一种同步增强或减弱自转的状态存在（一旦你做了观测，波动功能就“崩溃”，使一个粒子停留在有限状态里）。
其次，测量一个电子的自旋。假设它在加快自旋，则你立刻就知晓另一个电子的自旋在减慢。就算两个电子被分隔开许多光年，只要通过测量第一个电子就会立即得知第二个电子的自旋。事实上，你以比光速更快的速度得知了这一信息！因为这两个电子是“纠缠的”，就是说，它们的波函数一致地搏动，它们的波函数被一股看不见的“细线”或“脐带”连接在一起。在其中一个电子上发生的任何情况都会自动在另一个电子上产生影响（这意味着，在某些意义上，在我们身上发生的任何情况都会自动即时影响在遥远的宇宙角落里的事物。因为我们的波函数可能在时间的初始就纠缠在了一起。在某些意义上，有一张纠缠的网络将宇宙的各个遥远角落联系在一起，包括我们自己）。爱因斯坦嘲讽地把这叫做“鬼魅般的超距作用”，这一现象使他得以“证明”量子理论是错误的，因为在他看来，没有事物可以移动得比光速更快。
起初，爱因斯坦设计了EPR实验作为量子理论的丧钟。在20世纪80年代，法国的艾伦·阿斯佩克特（Alan Aspect）和他的同事使用两个分开13米的探测器进行了这个实验，测量从钙原子中放出的光子的自旋，实验结果与量子理论精确吻合。显然，上帝的确会在宇宙里投骰子。
信息真的比光传送得更快吗？在光速是宇宙的速度极限这一点上，爱因斯坦错了吗？不完全是。信息的确比光速传送得更快，但信息是随机的，因此是无用的。你不能通过EPR实验传送一条真正的消息或者莫尔斯密码，哪怕信息传送得比光速更快。
知道在宇宙另一端的一个电子正在减缓自旋是一条无用的信息。你不能通过这一方法传送今天的股票行情。举例来说，让我们假设一位朋友总是穿一只红袜子和一只绿袜子，次序随机。假设你查看他的一只脚，那只脚上穿着一只红袜子，那么你就知道——比光速更快地知道，另一只袜子是绿色的。信息的确比光传送得更快，但这一信息是无用的。不包含非随机信息的讯号可以用这种方式送出。
多年来，EPR实验被作为量子理论战胜它的批评者们大获全胜的例子，但那是一个没有真正价值的胜利，直到现在也不具备实际影响。
量子隐形传送
一切都在1993年改变了。由查尔斯·班奈特（Charles Bennett）领导的IBM的科学家们用EPR实验证实在物理学上隐形传送物体是可能的，至少在原子水平上如此（更确切地说，他们证明你可以隐形传送一个粒子内含有的所有信息）。从此，物理学家们已经可以传送光子，甚至整个铯原子。在几十年内，科学家们或许能传送第一个DNA分子和病毒。
量子隐形传送开发了某些EPR实验更为奇特的性质。在这些传送实验中，物理学家从两个原子A和C开始。假设我们希望把信息从原子A传送到原子C。我们从引入第三个原子——B，开始入手，它开始时与C纠缠，所以B和C是相干的。现在原子A开始与原子B建立联系。A扫描B，这样一来原子A的信息内容就转移到了原子B。A和B在联系过程中变得纠缠。但由于B和C是最初纠缠的，A之中的信息现在已经被转移到了原子C。最后，原子A现在已经被传送成了原子C，就是说，A的信息内容现在与C的完全相同。
注意，原子A内的信息已经被销毁（这样在传送后不会有两份副本）。这意味着任何假设被传送的人都会在这个过程中死亡。但他身体的信息内容会出现在别处。同样注意，原子A没有移动到原子C的位置。相反，是A中的信息（比如，它的自旋和极化）被转移到了C（这不表示原子A解体，随后迅速移动到另一个位置，而表示原子A的信息内容已经转移到了另一个原子——C上）。
从这一突破最早宣布开始，取得进步的竞争就变得激烈了。因为不同的小组都试图胜过彼此。在第一次量子隐形传送的历史性演示中，紫外线光的光子被传送，它于1997年在茵斯布鲁克大学（University of Innsbruck）进行。紧接着进行这一实验的是次年加州理工学院的实验，他们进行了一个涉及传送光子的更为精确的实验。
在2004年，维也纳大学（University of Vienna）的物理学家成功使用一根光纤电缆在多瑙河底将光的粒子传送了600米，创下了一个新纪录（电缆本身长800米，被悬在多瑙河下的公共下水道系统下方。发送者站在河的一边，接收者在另一边）。
这些实验受到了一种非难：它们是使用光的光子进行的，这几乎就不是科幻小说里的题材了。因此，2004年的量子隐形传送使用真正的原子而非光的光子来进行证明就显得非常重要，使我们又向更为实际的隐形传送装置靠近了一步。华盛顿国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and Technology）的物理学家们成功地将三个铍原子纠缠在一起，并且将其中一个原子的性质转移到了另一个里。这项成就非常重要，以至于它上了《自然》（Nature）杂志的封面。另一个小组还成功传送了钙原子。
2006年，另一项更为出色的进展达成了，第一次涉及了一个宏观物体。哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）和德国马克斯·普朗克研究所（Max Plank Institute）的物理学家成功将一道光线与一股铯原子气体纠缠，这是一项涉及上万亿上万亿原子的成就。随后，他们将激光脉冲内包含的信息进行编码，并成功地把这一信息传送过大约半码距离，传到了铯原子上。“有史以来第一次，”尤金·波尔齐克（Eugene Polzik）——研究者之一说，“量子隐形传送在光——信息的载体和原子之间实现。”
不涉及纠缠态的隐形传送
隐形传送的进展在飞快地加速。2007年实现了另一个突破。物理学家们提出了一种不要求纠缠的隐形传送。纠缠态是量子隐形传送唯一最为困难的特点，解决这一问题能为隐形传送开启新的前景。
“我们是在谈论一束约5 000个粒子从一处消失，然后在其他一个地方出现。”澳大利亚布里斯班的澳大利亚研究理事会量子光学卓越研究中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Quantum Atom Optics）的物理学家阿斯顿·布拉德利（Aston Bradley）说，他着力开辟了一种新的隐形传送方式。
“我们觉得自己的方案与最初的小说般概念的精神更为贴近。”他宣布。在他们的方法中，他和他的同事使用了一束铷原子，将它的全部信息传到一束光线中，再将这束光传送过一根光纤电缆，随后在远处一个地点重建最初的原子束。如果他的陈述能成立，这一方法将清除隐形传送的头号绊脚石，并且为传送越来越大的物件开辟全新的道路。
为了将这种新方法与量子隐形传送区别开来，布拉德利博士已经把他的方法命名为“古典隐形传送”（这有一点歧义，因为他的方法也非常倚重量子理论，但不依靠纠缠态）。
这一小说式的隐形传送的关键是一种新的物质形态，称作玻色—爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate），或BEC，是整个宇宙中最冷的物质之一。自然界中，最低的温度是在外太空中被发现的，绝对零度以上3k（这是由大爆炸留下的残热引起的，它仍旧充满了宇宙）。但一块BEC是绝对零度以上百万分之一度到十亿分之一度，这是只有在试验室里才能找到的温度。
当某些形式的物质被冷却到绝对零度附近的温度，它们的原子会全部急剧下降到最低能态，这样一来它们的全部原子都在一致中振动，变得相干。所有原子的波函数重叠，以至于从某些意义上来说，一块BEC就像一个其所有原子一致地振动的巨大“超级原子”。这一物质的奇特状态被爱因斯坦和萨地扬德拉·玻色（Satyendranath Bose）在1925年预测到了，但是到1995年才最终在麻省理工学院（MIT）和科罗拉多大学（University of Colorado）被制造出来，整整过去了70个年头。
以下讲述布拉德利和他的同伴的隐形传送装置如何作用。首先，他们从一组BEC状态的超低温铷原子开始，随后使一束物质接触BEC（同样由铷原子组成）。这些物质束中的原子同样希望骤降到最低能态，所以它们把过剩的能量以脉冲光的形式泄出。这一光束随即被送入一根光纤电缆。值得注意的是，这一光束包含全部描述初始物质束所必需的量子信息（比如，其全部原子的位置和运动速度）。然后，光束撞击另一个BEC，它随即将光束转变为初始的物质束。
这一新的隐形传送方式具备广阔的前景，因为它不涉及原子的纠缠。但是这一方法同样有它的问题。它极度依赖BEC的性质，而BEC难以在试验室中制造。此外，BEC的性质非常独特，因为它们表现得好像是一颗巨大的原子。原则上，我们只能在原子水平见到的奇异量子效应可以使用肉眼在一个BEC中见到。这曾被认为是不可能的。
BEC的直接实际应用是制造“原子激光”。理所当然，激光存在于共振的光子组成的相干光束基础上。但一个BEC是共振的原子的集合，因此可能制造出完全相干的BEC原子束。换言之，一个BEC可以制造出激光的类似物——原子激光或物质激光，由BEC原子组成。激光的商业应用是巨大的，原子激光的商业应用同样具有深远意义。但由于BEC只存在于绝对零度上浮动的温度下，这一领域的进展尽管稳定但会缓慢。
有了这一迅速的进展，我们何时有可能传送我们自己呢？物理学家们希望在明年能够传送复杂的分子。在那之后，DNA分子甚至一个病毒或许可以在几十年之内被传送。理论上没有任何事物禁止传送一个真正的人——就像在科幻电影中那样。但是这一伟大成就所面临的技术问题确实非常棘手。必须有一些世界上最好的物理试验室被用于仅仅在微小的光的光子和单个原子之间创造相干性。制造涉及真正宏观物体——比如人的量子相干性，无疑需要很长时间才能实现。实际上，要让每个物体都可以传送，还需要花上许多个世纪，或者更长时间——如果这真的可能实现的话。
量子计算机
最后，量子隐形传送的命运与量子计算机发展的命运紧紧地联系在了一起。两者使用同样的量子物理学和技术，因此这两个领域之间有高度的相互获益关系。量子计算机有一天或许会替代我们书桌上的熟悉的数字计算机。事实上，世界经济的未来有一天或许会仰仗这样的计算机，因此这些技术有巨大的商业利益。有一天硅谷可能会变成“锈带”，被来自量子计算机学的新技术所取代。
普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子位（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉，我们原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述（如果是大型物体，例如猫，用这种量子的方式进行描述，那意味着你不得不将一只活猫的波函数与一只死猫的波函数相加，这样猫就既不死去也不活着——正如我在第13章中将更为详细地探讨的那样）。
现在，想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。
量子计算机还处于襁褓之中。量子计算机的世界纪录是3×5＝15，算不上拥有一种能取代今天的超级计算机的计算能力。量子隐形传送和量子计算机两者都存在同样的缺陷：需要维持大量原子的相干性。如果这一问题可以解决，那么对两个领域都是一项重大突破。
CIA和其他秘密组织对量子计算机极为感兴趣。世界上的许多密码都依靠一个“密钥”，那是一个非常大的整数，而需要做的是将它分解因数为质数。如果密钥是两个各有100位的数的产物，那么一台数字计算机或许要花上100多年来从零开始找出这两个因数。这样一个密码目前基本上是无法破译的。
但是，在1994年，贝尔实验室（Bell Labs）的彼得·秀尔（Peter Shor）证明，将这样的数字分解因数对量子计算机来说可谓小菜一碟。这一发现立刻伤害了智能团体的利益。原则上一台量子计算机可以破译世界上所有的编码，将当今计算机系统的安全性推入彻底的无序中。首个成功建立这样一个系统的国家将得以破解其他国家和组织最深层的秘密。
某些科学家已经推测，未来世界经济将依靠量子计算机。以硅为构架的数字计算机被认为将在2020年后的某个时候达到它们计算能力升级上的物理极限。一种新的、更强大的计算机家族或许会成为必须——如果科技将继续前进的话。另一些科学家正在探索通过量子计算机复制人脑智能的可能性。
然而，这样做需要押非常高的赌注。如果我们能解决相干性的问题，我们不仅能够解决隐形传送的挑战，或许还能用过量子计算机以未知的方式拥有各种各样推动科技发展的能力。这一突破非常重要，我将在后面的章节中回过头来进行这一讨论。
就如我早年指出的，相干性在实验室中极难维持。最微小的振动也会扰乱两个原子的相干，并且毁坏计算过程。目前我们很难维持仅仅是少量原子的相干性。最初同步的原子会在1毫微秒、最多1秒之内开始消相干。传送必须非常迅速地完成，赶在原子开始消相干之前，这样便为量子计算机和隐形传送造成了其他的限制。
尽管有这些挑战，牛津大学的大卫·多伊奇（David Deutsch）还是相信这些问题可以克服：“凭着运气，凭着近期理论进步的协助，一台量子计算机或许能在远远少于50年的时间内制造成功……那将是一种全新的利用自然的方法。”
要制造一台有用的量子计算机，我们需要使数百到数百万原子一致地振动，这是一项远远超出我们目前能力的挑战。传送柯克船长会是极度艰巨的，我们不得在一对柯克船长之间制造一个量子纠缠。即便有了纳米科技和先进的计算机，也很难想象这将如何实现。
因此，隐形传送还只存在于原子水平，我们或许终将在几十年内传送复杂的分子、甚至是有机分子。但是要实现一件大型物体的传送，将必须等上几十年到几百年，或者更久——如果它的确可能的话。因此，传送复杂分子，也许甚至是一个病毒或一个活细胞，符合“一等不可思议”的要求，应该会在本世纪之内成为可能。但是传送人类，虽然被物理定律所允许，或许也要在那之后花上好几百年——假设它真的可能。因此，我将那种类型的隐形传送定义为“二等不可思议”。
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