潘建偉等首次實現(xiàn)反事實直接量子通信

　　ICCSZ訊  中國科學技術(shù)大學潘建偉教授及其同事彭承志、陳宇翱等和清華大學馬雄峰合作，在國際上首次實驗實現(xiàn)了反事實直接量子通信，在實驗中演示了圖像的反事實傳輸，相關(guān)成果最近以 "Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect" 為題，發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《美國科學院院報》上 [PNAS 114， 4920 (2017)]。

　　以日常生活的經(jīng)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(xiàn)信息的傳遞。這里“反”的就是人們?nèi)粘Ｉ钪行纬傻闹庇^認識。

　　反事實直接量子通信，本質(zhì)上是光的“波粒二象性”的集中體現(xiàn)。該方案最初的靈感來自于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，也會被其吸收并引發(fā)爆炸。為了探測炸彈是否存在，可以從A端向干涉儀中發(fā)射一個光子。如果炸彈不存在，由于干涉，光子將一定從端口C離開;如果炸彈存在，則光子要么通過下臂被炸彈吸收，要么通過上臂，并以相同的概率從端口C或D離開。因此綜合來看，如果最終在端口D探測到一個光子，那么炸彈一定存在于干涉儀中。值得注意的是，這里我們只發(fā)射了一個光子，如果這個光子在端口D被探測到，那么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。這在后來被稱為“無相互作用測量(interaction-free measurement)”。在此基礎(chǔ)上，再利用量子芝諾效應(yīng)(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(xiàn)，最核心的結(jié)構(gòu)是嵌套、級聯(lián)的干涉儀。Bob 根據(jù)他需要傳輸?shù)男畔砭幋a，通過嵌套的量子芝諾效應(yīng)，Alice 可以利用類似于“無相互作用測量”的方式完整地獲知 Bob 的信息，并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(xiàn)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(xiàn)。一方面，通過使用可預(yù)報單光子源和后選擇，在較少的干涉儀數(shù)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(guān)等。整個實驗裝置如圖2所示。研究團隊實現(xiàn)了技術(shù)突破，使用先進的相位穩(wěn)定技術(shù)，首次實現(xiàn)了復(fù)雜的嵌套、級聯(lián)的單光子干涉儀，并成功傳輸了一張 100×100 像素的中國結(jié)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(fā)展，用于無相互作用成像等領(lǐng)域。

　　這項工作是量子通信領(lǐng)域的全新嘗試。自最初的理論工作提出以來，在對其內(nèi)在機理的解釋方面引起了學術(shù)界不小的爭論。然而正是這樣的爭論，推進了人們對其本質(zhì)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(yīng)用于通信的新奇實現(xiàn) (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(wǎng)站Physics World、《科學美國人》、物理學家組織網(wǎng)(Phys.Org.)等國際權(quán)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。(來源：中國科學技術(shù)大學)

圖2 實驗裝置

圖3 100×100像素中國結(jié)圖片的傳輸結(jié)果

(合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室、物理學院、量子信息與量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部)

　　量子芝諾效應(yīng)

　　提到量子芝諾效應(yīng)，就要從古希臘著名的哲學家和數(shù)學家芝諾(Zeno)說起。他一生中提出過許多關(guān)于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(yīng)該是靜置的，那么無數(shù)個靜置的組合還應(yīng)該是靜置。這個結(jié)論在經(jīng)典世界里顯然是不成立的，是邏輯上的悖論。芝諾的這個悖論在經(jīng)典力學框架里似乎是荒謬的，但在量子力學里，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(yīng)稱為“量子芝諾效應(yīng)”。有一個很形象但并不完全準確的例子來比喻“量子芝諾效應(yīng)”：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，那么可以想象，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(tǒng)被連續(xù)不斷的觀測，那么它將不再繼續(xù)演化。