神秘隧道能让物质瞬间转移

2007-04-19 00:00  来源：北京青年报
星球战士从某一地点突然消失，而瞬间出现在遥远的另一点。《封神演义》中的土行孙，会突然消失，一转眼又从别的地方冒出来……
这些只是科幻电影和神话中才会出现的场景。现实生活，能找到这样的奇妙隧道，让我们真正实现瞬间转移吗？
量子物理学的发展，无疑一步步为人类铺就了这样一条从幻想走向现实的道路。或许有一天，人类就将带着自己的喜悦、痛苦，甚至打着喷嚏就被瞬间传输到遥远的外太空。
■实验：德国科学家首次测量到电子通过量子信道“逃离”原子
德国科学家在最新一期英国《自然》杂志上发表论文称，他们首次测量到通过量子信道“逃离”原子的电子，而且发现每个电子“逃离”的速度极为惊人。
量子信道在微观世界普遍存在，“量子信道指的就是量子在里面传输不受影响的通道。”中国科学技术大学，中科院量子信息重点实验室副主任韩正甫教授告诉记者：“量子信道在量子物理学中相当于光学里，光纤这样的光学信道和通信中一般的电线。”但电线是有形的，量子信道迄今为止却从未被观测到。
由于电子带负电荷，在带正电荷的原子核的吸引下电子被束缚在原子内部。如果电子没有在一段时间内获得足够的能量，它就无法“逃离”原子核的束缚。但量子力学可以提供另一种方法，电子可以直接通过量子信道逃脱出来，这在物理学中叫遂穿效应。
打个比喻，这就像在大碗中放一个小石子，石子不会出来。除非石子的能量很大，大过碗壁的能量时，它就会从碗的上面跳出来。
但是量子物理学上有一个非常奇怪的效应，当碗壁足够矮，非常薄，即便碗壁的能量依然大于石子的能量，石子也会莫名其妙地跑出来，究竟它是怎么出来的谁也不知道，就像变魔术一样。而这个跑出来的“石子”实际上是通过一个隧道跑出来的，这个通道就是量子信道。
德国科学家最新的实验成果就是利用百亿分之一秒的阿秒激光级脉冲攻击氖原子从而观察到了隧穿效应的全过程，而且证明了量子信道的存在。韩正甫教授解释说，这就像我们看运动员跳高或者跳远的时候，眼睛并不能看清楚他们的身体在腾空过程中的每个细小变化，而通过慢动作我们却可以把每一瞬间看清楚。
■想象：“瞬间转移”和“穿墙术”是否能实现？
通过量子信道，电子能瞬间逃离原子，小石子莫名其妙就穿过了碗壁，难道所谓的“瞬间转移”和“穿墙术”这些曾经只出现在神话和科幻小说中的场景果真是可以实现的？
《封神演义》中的土行孙，他会突然消失，一转眼又从别的地方冒出来。在科幻系列电影《星际旅行》中，发送人体是一件最平常不过的事情。在一台魔术装置中，宇航员的身体忽然一闪，便消失得无影无踪，之后他会出现在任何一处希望抵达的地点，甚至是外星球。只要那个地方有一台类似的接收器，除了平淡地说一句“发射我吧，苏格兰人”之外，没有人会把它当作话题来谈论。
想象一下，如果这样的技术有一天能够普及，那么我们出门旅行再也不用费力地转乘各种交通工具，而只要运用这种传送工具，瞬间就能把我们“转移”到任何我们想去的地方。
韩正甫教授说，理论上这样的场景是可以实现的，物理学上叫做量子态隐形传物。从物理学角度，可以这样来想象隐形传物的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。
■难题待解人类瞬间转移面临三大难题
隐形传物虽然理论上可行，但要真正实现人的隐形传送，目前还有许多技术难题尚未解决。
难题一：
人的身体是由物质组成的，如果用光速把人的身体移动到另一个地点，那么，就必须将它“唯物质化”。经物理学家计算，单单突破原子核内部的限定力，就必须把身体加热到1万亿摄氏度———这比太阳内部的热度还要高几百倍。只有在这一温度下，物质才能变为光，并通过光速输送到任何一个地点。而对每一个被输送的人来说，所使用的能量要超过迄今为止人类全部能量消耗的大约1000倍。
难题二：
发射仪器必须在目的地将人重新组合起来。为了知道如何组合，它就需要获得人体所有原子结构的精确信息。如果每一个原子约为1000字节，描述人体的所有原子总共需要10的31次方的字节，而目前世界上全部图书所含有的信息约为10的15次方字节，仅是完整描述一个人所需要的信息的1亿分之一。仅传输这些数据对于今天速度最快的计算机来说，也会花去比宇宙年龄还要长2000倍的时间。
难题三：
精确描述人的原子结构是最棘手的问题，从根本上来说是不可能的。因为根据海森伯测不准原理，我们不可能获得一个粒子的全部信息。例如，如果我们想知道一个粒子的位置，那么我们就会失去所有关于它的速度的信息，反之亦然。
■相关研究美奥科学家将原子隐形传送
早在2004年，美国和奥地利的物理学家就通过实验成功实现了隐形传物，论文发表在《自然》上，引起国际学术界的极大兴趣。
美国国家标准与技术研究所的科学家通过激光，将三个带有正电荷的铍原子的量子态复制到8微米外的另一个原子上。整个过程由计算机控制，仅耗时4毫秒，传输成功率达到78％。
奥地利因斯布鲁克大学的科学家领导的另一个研究小组则采用钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为75％。基本原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个原子。
■关键词
量子
量子就是物质粒子的非连续运动。量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。1993年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案：将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。