科學家首次實現反事實直接量子通信

中國科學技術大學潘建偉、彭承志等和清華大學馬雄峰合作，在國際上首次實驗實現了反事實直接量子通信，在實驗中演示了中國結圖像的反事實傳輸，相關成果最近以 "Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect" 為題，發表在國際權威學術期刊《美國科學院院報》上 [PNAS114, 4920 (2017)]。

以日常生活的經驗，任何信息的傳輸都需要通過實物載體，如信件、電磁波等。然而，國際著名量子光學專家 M. Suhail Zubairy 小組2013年提出的反事實直接量子通信方案 [Phys. Rev. Lett. 110, 170502 (2013)] 表明，即使在通信雙方 Alice 和 Bob 之間沒有實物粒子的交換，也可以實現信息的傳遞。這裡「反」的就是人們日常生活中形成的直觀認識。

反事實直接量子通信，本質上是光的「波粒二象性」的集中體現。該方案最初的靈感來自於1993年提出的「炸彈測試模型」。如圖1所示，在干涉儀的下臂中可能放有一個非常敏感的炸彈，即使只有一個光子遇到它，也會被其吸收並引發爆炸。為了探測炸彈是否存在，可以從A端向干涉儀中發射一個光子。如果炸彈不存在，由於干涉，光子將一定從埠C離開；如果炸彈存在，則光子要麼通過下臂被炸彈吸收，要麼通過上臂，並以相同的概率從埠C或D離開。因此綜合來看，如果最終在埠D探測到一個光子，那麼炸彈一定存在於干涉儀中。值得注意的是，這裡我們只發射了一個光子，如果這個光子在埠D被探測到，那麼它一定沒有通過干涉儀的下臂，然而我們卻得到了炸彈存在的信息。這在後來被稱為「無相互作用測量（interaction-free measurement）」。在此基礎上，再利用量子芝諾效應（quantum Zeno effect），可以大大提升上述無相互作用測量的成功率。

圖 1無相互作用測量示意圖

具體到反事實直接量子通信的物理實現，最核心的結構是嵌套、級聯的干涉儀。Bob 根據他需要傳輸的信息來編碼，通過嵌套的量子芝諾效應，Alice 可以利用類似於「無相互作用測量」的方式完整地獲知 Bob 的信息，並且在這個過程中沒有任何光子在 Alice 和 Bob 之間傳輸。Zubairy 等人的原始方案要求有無窮多個干涉儀，這顯然是不可能實現的。潘建偉團隊通過對原始方案的仔細分析和改進，使得反事實直接量子通信得以實現。一方面，通過使用可預報單光子源和後選擇，在較少的干涉儀數目下也可以得到完全的反事實性；另一方面，用被動篩選光子到達時間的策略替代原方案中的高速主動光開關等。整個實驗裝置如圖2所示。研究團隊實現了技術突破，使用先進的相位穩定技術，首次實現了複雜的嵌套、級聯的單光子干涉儀，並成功傳輸了一張 100×100 像素的中國結圖片，傳輸正確率達到了 87%，如圖3所示。該方案還可以進一步發展，用於無相互作用成像等領域。

這項工作是量子通信領域的全新嘗試。自最初的理論工作提出以來，在對其內在機理的解釋方面引起了學術界不小的爭論。然而正是這樣的爭論，推進了人們對其本質的探索，使得人們有機會更深入理解量子力學。該工作被《美國科學院院報》審稿人評論為 "是一個將量子芝諾效應用於通信的新奇實現 ( a novel realization of an application of the quantum Zeno effect to communication )" 以及 "非常有趣且及時 ( very interesting and timely )"。該工作受到了英國物理學會網站 Physics World、《科學美國人》、物理學家組織網（Phys.Org.）等國際權威媒體的專題報道。

上述研究得到了國家自然科學基金、科技部、教育部和中國科學院的支持。

圖 2 實驗裝置

圖 3 100×100 像素中國結圖片的傳輸結果

拓展閱讀：量子芝諾效應

提到量子芝諾效應，就要從古希臘著名的哲學家和數學家芝諾（Zeno）說起。他一生中提出過許多關於運動的不可分性的哲學悖論，其中最為著名的一個便是「飛矢不動」悖論。這個悖論是說，一支在空中飛行的箭，其實是不動的。因為箭在每一個瞬間的時刻都應該是靜置的，那麼無數個靜置的組合還應該是靜置。這個結論在經典世界裡顯然是不成立的，是邏輯上的悖論。芝諾的這個悖論在經典力學框架里似乎是荒謬的，但在量子力學裡，它是可能的。為了紀念這位古希臘哲學家，在微觀量子體系中，我們把該效應稱為「量子芝諾效應」。有一個很形象但並不完全準確的例子來比喻「量子芝諾效應」：一個人準備睡覺，如果旁邊另一個人不斷詢問其是否睡著了，那麼可以想像，準備睡覺的人便總也睡不著了。這其實是在形容如果一個物理系統被連續不斷的觀測，那麼它將不再繼續演化。

來源：中國科學技術大學

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