潘建偉等首次實(shí)現反事實(shí)直接量子通信

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、陳宇翱等和清華大學(xué)馬雄峰合作，在國際上首次實(shí)驗實(shí)現了反事實(shí)直接量子通信，在實(shí)驗中演示了圖像的反事實(shí)傳輸，相關(guān)成果最近以 "Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect" 為題，發(fā)表在國際權威學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)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(guò)實(shí)物載體，如信件、電磁波等。然而，國際著(zhù)名量子光學(xué)專(zhuān)家M. Suhail Zubairy小組2013年提出的反事實(shí)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(méi)有實(shí)物粒子的交換，也可以實(shí)現信息的傳遞。這里“反”的就是人們日常生活中形成的直觀(guān)認識。

　　反事實(shí)直接量子通信，本質(zhì)上是光的“波粒二象性”的集中體現。該方案最初的靈感來(lái)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(gè)非常敏感的炸彈，即使只有一個(gè)光子遇到它，也會(huì )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(gè)光子。如果炸彈不存在，由于干涉，光子將一定從端口C離開(kāi);如果炸彈存在，則光子要么通過(guò)下臂被炸彈吸收，要么通過(guò)上臂，并以相同的概率從端口C或D離開(kāi)。因此綜合來(lái)看，如果最終在端口D探測到一個(gè)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(gè)光子，如果這個(gè)光子在端口D被探測到，那么它一定沒(méi)有通過(guò)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(lái)被稱(chēng)為“無(wú)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(wú)相互作用測量的成功率。

　　圖 1無(wú)相互作用測量示意圖

　　具體到反事實(shí)直接量子通信的物理實(shí)現，最核心的結構是嵌套、級聯(lián)的干涉儀。Bob 根據他需要傳輸的信息來(lái)編碼，通過(guò)嵌套的量子芝諾效應，Alice 可以利用類(lèi)似于“無(wú)相互作用測量”的方式完整地獲知 Bob 的信息，并且在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)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(wú)窮多個(gè)干涉儀，這顯然是不可能實(shí)現的。潘建偉團隊通過(guò)對原始方案的仔細分析和改進(jìn)，使得反事實(shí)直接量子通信得以實(shí)現。一方面，通過(guò)使用可預報單光子源和后選擇，在較少的干涉儀數目下也可以得到完全的反事實(shí)性;另一方面，用被動(dòng)篩選光子到達時(shí)間的策略替代原方案中的高速主動(dòng)光開(kāi)關(guān)等。整個(gè)實(shí)驗裝置如圖2所示。研究團隊實(shí)現了技術(shù)突破，使用先進(jìn)的相位穩定技術(shù)，首次實(shí)現了復雜的嵌套、級聯(lián)的單光子干涉儀，并成功傳輸了一張 100×100 像素的中國結圖片，傳輸正確率達到了 87%，如圖3所示。該方案還可以進(jìn)一步發(fā)展，用于無(wú)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(lái)，在對其內在機理的解釋方面引起了學(xué)術(shù)界不小的爭論。然而正是這樣的爭論，推進(jìn)了人們對其本質(zhì)的探索，使得人們有機會(huì )更深入理解量子力學(xué)。該工作被《美國科學(xué)院院報》審稿人評論為 "是一個(gè)將量子芝諾效應用于通信的新奇實(shí)現 (a novel realization of an application of the quantum Zeno effect to communication)" 以及 "非常有趣且及時(shí) (very interesting and timely)"。該工作受到了英國物理學(xué)會(huì )網(wǎng)站Physics World、《科學(xué)美國人》、物理學(xué)家組織網(wǎng)(Phys.Org.)等國際權威媒體的專(zhuān)題報道。

　　上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、教育部和中國科學(xué)院的支持。(來(lái)源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))

　　圖 2 實(shí)驗裝置

　　圖 100×100 像素中國結圖片的傳輸結果

　　(合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗室、物理學(xué)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

　　提到量子芝諾效應，就要從古希臘著(zhù)名的哲學(xué)家和數學(xué)家芝諾(Zeno)說(shuō)起。他一生中提出過(guò)許多關(guān)于運動(dòng)的不可分性的哲學(xué)悖論，其中最為著(zhù)名的一個(gè)便是“飛矢不動(dòng)”悖論。這個(gè)悖論是說(shuō)，一支在空中飛行的箭，其實(shí)是不動(dòng)的。因為箭在每一個(gè)瞬間的時(shí)刻都應該是靜置的，那么無(wú)數個(gè)靜置的組合還應該是靜置。這個(gè)結論在經(jīng)典世界里顯然是不成立的，是邏輯上的悖論。芝諾的這個(gè)悖論在經(jīng)典力學(xué)框架里似乎是荒謬的，但在量子力學(xué)里，它是可能的。為了紀念這位古希臘哲學(xué)家，在微觀(guān)量子體系中，我們把該效應稱(chēng)為“量子芝諾效應”。有一個(gè)很形象但并不完全準確的例子來(lái)比喻“量子芝諾效應”：一個(gè)人準備睡覺(jué)，如果旁邊另一個(gè)人不斷詢(xún)問(wèn)其是否睡著(zhù)了，那么可以想象，準備睡覺(jué)的人便總也睡不著(zhù)了。這其實(shí)是在形容如果一個(gè)物理系統被連續不斷的觀(guān)測，那么它將不再繼續演化。