用一個光子，兩個人就可以同時交換信息？
用量子粒子來發送信息近來是一個非常熱門的研究課題，在最新的兩篇論文中，物理學家表示，只需使用一個單光子——構成光的粒子，就能讓兩個人同時向對方傳送信息。這項壯舉依賴於量子力學的奇異特性——疊加，即粒子可以同時有效地佔據兩個地方。
一般來說，通訊（或交流）是指從發送者向接收者傳遞信息的一個過程。然而，在一篇新刊登在《物理評論快報》的論文中[1]，維也納大學的物理學家 Flavio Del Santo 和奧地利科學院的 Borivoje Daki? 表示，在量子世界中，信息可以同時向兩個方向傳播——而這種現象在信息只會從發送者單向傳輸給接收者的經典物理世界中是不可能存在的。
在經典通訊中，無論是電子郵件、簡訊還是電話，都是將信息嵌入一個信息載體，再進行通訊的。這些載體可以是一次只能朝一個方向傳播的粒子或信號。若要讓同一個信息載體能進行反向的通信操作，就必須等到這個信息載體（如粒子）在抵達接收端之後，再由接收者將其傳送回給發送者。換句話說，通過使用單個粒子在單次交換中進行雙向通信是一件不可能的任務。
然而，新的研究使這種不可能變為了可能，其中的的關鍵就在於「量子疊加」這一概念：若要完成這項操作，我們需要一個處於量子疊加狀態的粒子，這意味著這個粒子能「同時存在」於不同的位置上。因此，這兩個位置上的粒子能夠同時將它們的信息編碼成單個量子粒子——又一件對經典物理學來說不可能完成的任務。
那究竟是如何做到的呢？我們可以想像如下情景：
Alice 和 Bob 兩人各自處於相隔一定距離的兩處不同位置。在標準的經典物理學中，Alice 和 Bob 要擁有各自的光子，才能同時向對方發送信息，其中每個光粒子所傳輸的單比特要麼為0，要麼為1。
如果一個單載波（速度不超過光速）在Alice和Bob之間進行多於一次的傳播所需的時間，比通信所允許的時間τ要長，那麼它只能單向的將信息從Alice傳給Bob（藍箭頭）或者Bob傳給Alice（紅箭頭）。| 圖片來源：[2]
但是，如果Alice 和 Bob 擁有同一個處於疊加態的光子，他們都可以對這個光子進行編碼（0或1），在編碼之後再將其發送回給對方。而他們各自操縱光子的方式決定了誰最終能接收到這個光子：如果 Alice 和 Bob發送的是相同的比特（都是0或者都是1），那麼光子會被 Alice 收到；如果發送的比特不匹配，那麼光子會被 Bob 收到。由於他們各自清楚自己編碼的是0還是1，因而便能瞬間知道對方編碼的是0還是1。
量子疊加中的信息載體能克服這種限制，並進行雙向通信。| 圖片來源：[2]
為了表明這種理論是可行的，維也納大學的實驗物理學家 Philip Walther 和 Del Santo、Daki? 與他們的同事一起對論文[1]中提到的情境進行了實驗演示，並將這一技術發表在另一篇論文中[2]。
Walther 和他的同事們需要在兩個埠—— Alice 和 Bob 之間的中間位置設計一個裝置，來實現例如分束器概念所能達到的效果：當攜帶信息的粒子撞擊這個裝置時，能確定它要麼會被反射給 Alice，要麼給 Bob。
粒子在位置A和B處處於疊加。在時間t = 0時，Alice和Bob編碼它們的粒子並將其發送給對方。在傳送途中，粒子遇到整體裝置後，以相干的方式被「半反射」和「半透射」。| 圖片來源：[1]
為了表明這種溝通是可能的，他們將單光子發射通過一系列稜鏡和一些其他光學設備。經過這一光學系統的光子會呈疊加態，能被同時發送給 Alice 和 Bob。
實驗裝置：Alice和Bob分別佔據鏡子Ma和Mb的區域，並且各自具有一個液晶減速器LC來調節相位。在通過第二個分束器BS2後，光子就會被Alice或Bob探測到。| 圖片來源：[2]
研究人員通過改變光的電磁波的相位，即調整波谷和波峰的位置，來對每個埠的光子進行0或1的編碼。然後，在每個埠的光子同時被發送給對方，在傳送途中，光子會與自身相互作用，像水波一樣進行干涉，形成要麼相互加強要要麼相互抵消的干涉圖樣。這種干涉就決定了最終光子會被 Alice 接收到還是 Bob 接收到。
更確切地說，通過這個裝置，使得 Alice 和 Bob 都能知道已發送給自己的比特（信息）是什麼。例如，如果這個光子被 Alice 探測到，她就知道 Bob 的比特與她相反，反之亦然。因此，最終在經典物理學情況下用一個例子單向傳播所用的時間內，Alice 和 Bob 都完成了發送並接受到一個信息的過程。
實驗驗證的結果，證明了新的概念加強了通訊的安全性和匿名性。尤其是在這個過程中，通訊的方向也被隱藏了，這讓竊聽者根本無法分辨誰是發送者、誰是接收者。或許量子通訊的速度和安全都能因此而得到更進一步的改善。而量子力學的奇異特質也再一次讓我們措手不及地感受到驚喜。
參考來源：
[1] F. Del Santo and B. Daki?. Two-way communication with a single quantum particle. Physical Review Letters. Vol. 120, February 9, 2018, p. 060503. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.060503.
[2] F. Massa et al. Experimental two-way communication with one photon. arXiv:1802.05102. Posted February 14.
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