核力也能“传送”量子态？马余刚院士团队在质子-质子散射自旋量子隐形传态研究中取得新进展

核力也能“传送”量子态？马余刚院士团队在质子-质子散射自旋量子隐形传态研究中取得新进展

——强相互作用在特定条件下可自然完成量子隐形传态所需的关键操作

近日，我所马余刚院士团队与合作者在核物理与量子信息科学的交叉研究中取得重要进展。相关成果以“Spin teleportation via Bell-triplet states emergent from proton-proton scattering”为题，于2026年9月30日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

从“瞬间传送”说起：量子隐形传态是什么？

量子隐形传态常被比作科幻作品中的“瞬间传送”，但它在物理学中有着严格而精确的含义。它并不传送物质本身，而是利用量子纠缠这一奇特资源，将某个粒子的量子态“转移”到远处的另一个粒子上——原粒子上的量子态改变，目标粒子获得完全相同的量子态，而原粒子与目标粒子在这一过程中并未发生相互作用

自1993年Bennett等人提出这一方案以来，科学家已在光子、原子、离子阱、超导电路等多种系统中实现了量子隐形传态。然而，这些实验都有一个共同特点：需要人工构建复杂的量子门和测量装置来完成协议。能否在自然界最基本的物理过程中找到天然的量子隐形传态机制？马余刚院士团队的最新工作给出了肯定的回答。

核心问题：核力能否直接完成量子信息处理？

量子纠缠是量子信息科学中的核心资源，但它在核系统中的性质和应用仍待深入探索。质子-质子散射由强相互作用主导，其自旋自由度为研究核系统中的量子信息提供了天然平台。一个关键科学问题是：核力能否不仅产生纠缠，还能直接完成量子信息处理所需的操作？

围绕这一问题，研究团队从质子-质子散射的自旋散射幅出发，发现当实验室系入射能量为151 MeV、质心系散射角为90°时，散射后的双质子可自然形成纯度接近1的贝尔三重态，即高保真纠缠态——其纠缠度（用concurrence度量）高达0.977。更重要的是，在这一特殊运动学条件下，散射幅可充当连接不同贝尔态的跃迁算符，相当于由强相互作用自然实现的一种量子门。

方案：让强相互作用“执行”贝尔测量

标准量子隐形传态需要三个步骤：发送方与接收方共享纠缠对；发送方对待传送粒子与自己的纠缠粒子进行贝尔测量；发送方将测量结果通过经典信道告知接收方，接收方据此做相应操作恢复量子态。

基于研究发现，研究团队进一步提出了质子自旋量子隐形传态方案：利用纠缠质子对作为量子资源，再借助质子-质子散射，使强相互作用自身的哈密顿量有效完成所需的贝尔测量，并结合经典信息传递，实现未知质子自旋态的传输（见图1）。    在这一方案中，纠缠对的产生和贝尔测量都由质子-质子散射来完成，接收方只需知道特定能量和角度的散射是否发生这一经典信息，就可以确认隐形传态是否成功。

图1. （a）标准量子隐形传态示意图；（b）基于质子-质子散射的质子自旋量子隐形传态方案。

这一方案的优雅之处在于，它不需要人为设计复杂的量子门序列。强相互作用本身的哈密顿量，在恰当的动力学条件下，扮演了量子信息处理器的角色。

意义：从“验证纠缠”到“使用纠缠”

质子-质子散射中的自旋纠缠并非首次被讨论。早在1970年代，物理学家就利用低能质子散射产生的自旋单态进行过贝尔不等式检验，那是核物理中最早的一批量子纠缠实验之一。但此后的几十年里，这一方向相对沉寂。直到近年，随着量子信息方法的引入，核子-核子散射中的纠缠生成才重新成为理论研究的活跃领域。

马余刚团队的工作标志着一次质的转变：从“验证核力能否产生纠缠”，推进到“核力能否直接完成量子信息任务”。答案是肯定的。在151 MeV、90°这一特定运动学点，核力不仅产生了高保真纠缠，还恰好实现了量子隐形传态所需的关键操作。

从实验前景看，该方案所需的能量和角度条件在现有加速器上完全可达。质子束的产生和控制技术已经非常成熟，这意味着核物理实验平台可能成为探索量子信息处理的新载体。当然，从理论方案到实验实现还有距离，质子散射中的动量空间纠缠与自旋纠缠如何协同、经典信道如何高效传递测量结果等问题仍需进一步研究。

该成果将少体核物理与量子信息科学相连接，表明质子-质子散射既可以作为高保真纠缠源，也可以作为天然的量子信息处理器，为探索强相互作用体系中的纠缠生成、贝尔测量和量子态传输提供了新途径。它提醒我们，量子力学的奇异特性不仅存在于精心设计的量子光学实验室中，也深藏在核物理这一经典学科的基本过程里。

论文信息

华东师范大学校长、中国科学院院士马余刚，复旦大学王思敏青年研究员、河海大学柏栋教授为论文通讯作者。论文作者还包括复旦大学商浩宇、许志成博士后，以及加利西亚高能物理研究所Yassid Ayyad和Carolina Filgueira。复旦大学现代物理研究所博士研究生沈兆鑫为论文第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/btxt-28ys