中國科學家完成「天方夜譚」式實驗：不傳輸粒子也能實現量子通信

科技日報記者 吳長鋒

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，即使是當前比較「火」的量子通信，也需要量子傳輸。然而，國際著名量子光學專家M. SuhailZubairy小組卻在4年前開了一個腦洞，提出一個與人們日常生活中形成的直觀認識相悖的「反事實直接量子通信」方案，即不需要傳輸任何粒子，就可以將信息傳遞出去。聽上去，是不是很匪夷所思？

出人意料的是，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等與清華大學馬雄峰合作，完成了這個「天方夜譚」式的實驗，把匪夷所思變成了科學現實。實驗室中的通信雙方之間沒有實物粒子的交換，成功傳遞了圖像信息。論文成果以《利用量子芝諾效應實現直接反事實量子通信》為題發表在國際權威學術期刊《美國科學院院報》上。

量子芝諾效應的名字來自古希臘數學家芝諾提出的「飛矢不動」悖論。這個悖論說，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止的，那麼無數個靜止的組合還應該是靜止。這個結論在經典世界裡顯然是不成立的，是邏輯上的悖論。但在量子力學裡，如果一個不穩定的量子系統被連續不斷的觀測，其狀態就會被凍結為一個定態，不會隨時間向其他的態演化。這即是「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。

量子芝諾效應是反事實量子通信的基礎。反事實量子通信是指通信雙方之間不需要任何量子或者經典粒子的傳遞即可實現量子態的傳遞。為了確保這一過程，通信雙方之間還需要建立一條量子信道，粒子經過此信道傳輸的幾率一直保持非常低。如果信道中檢測到有粒子通過，就需要丟棄這個結果，重新建立或者發送一個新的系統。研究人員需要布置一系列嵌套的光學干涉儀，以實現這種傳輸方式。

理論物理學家提出的「反事實直接量子通信」的原始方案要求有無窮多個干涉儀，這在現實科學實驗中顯然是不可能的，這也是實驗物理學家開始認為不可能實現的原因。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，通過使用單光子源，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。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、和串聯的單光子干涉儀，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%。

相比之下，我們所了解的常規的量子通信，即量子隱形傳態，或多或少仍然需要粒子的傳輸。量子隱形傳態基於量子的糾纏特性，糾纏態的量子首先是在一起製備出來，然後分別傳送到兩端，它們的通信才開始。另外，雖然粒子可以在遠距離實現糾纏，它們仍然需要光子在兩個粒子之間傳播。

而量子反事實傳輸是基於「光的相位」進行傳輸通信方式，這種通信方式之下，光強不再重要。並且由於通信雙方之間沒有粒子的傳輸，也使得竊聽也變成無源之水、無本之木。因為這項技術可以利用極其微弱的光來實現成像，還能夠用來對一些脆弱的文物進行成像，有利於文物的保護和研究。

這項工作是量子通信領域的全新嘗試。潘建偉團隊的探索，使得人們有機會更深入地理解量子力學。該工作被《美國科學院院報》的審稿人評論為 「是一個將量子芝諾效應用於通信的新奇實現」以及 「非常有趣且及時」。該工作受到了英國物理學會網站、《科學美國人》、物理學家網等國際權威媒體的專題報道。

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量子芝諾效應的物理解釋

考慮一個系統，經過一次測量後得到本次測量的本徵態A，測量過後，系統自由演化，可能會演化到另一本徵態B，因此在下一次測量到來之前，系統處於A和B的疊加態，且系統處於B態的概率是隨時間線性增加的。在大測量數目和短測量時間的限制下，系統將會被「凍結」到A態。

圖為研究團隊成功傳輸了一張100×100像素的中國結圖片，傳輸正確率達到了87%。

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