基于量子糾纏弱測量的超光速通信方案探究

　　王?楠（西安科技大學(xué)，西安?710054）

　　摘?要：由于量子信道的糾纏特性在量子通信方面沒(méi)有很好的發(fā)揮，本文提出了一種測量量子信息改變量的量子通信方式，該方法能夠繞過(guò)量子通信中的經(jīng)典信道部分，并借助弱測量的方法使得其在試驗中有極大可能可以實(shí)現，從而實(shí)現超光速通信。

　　關(guān)鍵詞：量子糾纏；弱測量；通信

　　0 引言

　　隨著(zhù)量子力學(xué)的發(fā)展，量子糾纏特性越來(lái)越成為量子信息領(lǐng)域中不可替代的重要資源，它己被廣泛應用于量子通訊、量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)等各種量子處理過(guò)程中 ^[1-2] 。量子糾纏體現出的多個(gè)量子系統之間存在非經(jīng)典的特點(diǎn)，例如強關(guān)聯(lián)性和非定域性，是能夠區別量子領(lǐng)域和經(jīng)典領(lǐng)域的一個(gè)顯著(zhù)特征。由于糾纏態(tài)具有強關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，因此兩個(gè)粒子無(wú)論在空間距離上有多遠,它們互相之間都會(huì )有量子領(lǐng)域的聯(lián)系，如果對其中一個(gè)粒子的測量將會(huì )使另外一個(gè)粒子量子態(tài)的狀態(tài)出現塌縮 ^[3] ，即能夠確定粒子的狀態(tài)。對于這種鬼魅般的超距作用，在量子遠程通信中是很有發(fā)展前景的。

　　1 基本原理

　　在量子力學(xué)理論中，人們習慣上將半自旋粒子A和B (EPR對)的兩個(gè)態(tài)分別記為|0>和|1>，|0>表示粒子自旋方向向上，|1>表示粒子自旋方向向下。它們作為一個(gè)系統處于如下的量子態(tài)(稱(chēng)為EPR 態(tài)) ^[4] :

　　|Ψ (A, B)>= (|0> A |1> A - |1> A |0> B ) (1)

　　這就是粒子之間的一種量子糾纏態(tài)。對其所表示的量子態(tài)系統在被測量之前，每一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)雖然只有兩種，但都是不確定的，只能單獨地計算出其中一個(gè)粒子被測量后得到的一種結果的概率是1/2，一旦某個(gè)人測量了其中一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)，那么另外一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)也就立刻確定下來(lái)，即為前一個(gè)粒子相反的狀態(tài)；而且不論兩個(gè)粒子在空間上相距多遠，只要這種糾纏特性不消失，它們都處于這種相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，這就是量子力學(xué)的非局域效應(non-local effect)。

　　如今根據文獻^[1]在量子通信中使用的技術(shù)是量子隱形傳態(tài)，可以從其基本原理中找到進(jìn)行遠程通信的方法。然而量子隱形傳態(tài)需要經(jīng)典信道，這一部分卻制約了量子糾纏在通信中的先天優(yōu)勢。如果能夠克服經(jīng)典通信的限制，那么會(huì )對量子通信帶來(lái)極大的發(fā)展。但我們如何才能看到“盒子里的貓”呢？

　　2 利用弱測量進(jìn)行量子通信的設想

　　由于在上述量子隱形傳態(tài)中，需要傳送的是未知態(tài)粒子的全部量子信息，就只能通過(guò)提取量子信息和經(jīng)典信息的方式來(lái)傳送。這對于量子保密通信是很有用的，但不能解決遠距離通信。經(jīng)典信道的延遲和干擾，以及對傳統網(wǎng)絡(luò )的負載壓力對于追求安全準確大容量的通信方式來(lái)說(shuō)無(wú)疑是短板一塊。因此，如何繞過(guò)經(jīng)典信道來(lái)傳輸信息就是本文研究的主要問(wèn)題。

　　而由于量子態(tài)的塌縮效應，無(wú)論測量或是觀(guān)察均會(huì )引起量子態(tài)的塌縮，使其失去量子態(tài)的各種屬性，從而產(chǎn)生退相干。為了避免塌縮，我們可以使用弱測量的方法，量子弱測量實(shí)質(zhì)是在馮·諾依曼測量和半正定算子值測量的基礎上發(fā)展出來(lái)的一種部分塌縮測量。在兩比特量子態(tài)遭遇退相干環(huán)境之前執行前置的量子弱測量并在遭受環(huán)境后執行相對應的反饋測量能有效地保護量子態(tài)的糾纏 ^[5] 。從原理機制上看，結合前置的量子弱測量和后置的反轉測量能有效地抑制退相干的原因主要有兩點(diǎn)：第1，執行前置量子弱測量的作用是先降低系統激發(fā)數所占的權重，以便在遭遇噪聲環(huán)境時(shí)減少受其影響；第2，執行反轉測量的作用是使量子態(tài)與噪聲環(huán)境作用以后重新恢復激發(fā)數的權重，可以使被破壞的初始態(tài)得到概率性恢復。在量子弱測量的方案中，單次進(jìn)行測量時(shí)不會(huì )出現波包塌縮的情況，并且可以保留量子系統的相干疊加性，其代價(jià)是進(jìn)行一次測量得到的關(guān)于系統的信息量很小 ^[6-7] 。隨后可以將小信號進(jìn)行放大，直到能夠檢測到量子系統的改變量即可，這樣就可以測得信息。

　　上文提到的弱測量已經(jīng)在實(shí)驗室中實(shí)現，R. Vijay領(lǐng)導的小組完成了名為《量子位的量子反饋控制》的弱觀(guān)測實(shí)驗報告 ^[8] ，這是一個(gè)基于頻率的測量。其中設計的反饋控制環(huán)路能夠產(chǎn)生反饋來(lái)修正系統觀(guān)測所帶來(lái)的影響，從而測量并記錄了能夠連續跟蹤和使用反饋的量子態(tài)，能夠使用超導回路在不破壞量子態(tài)的前提下進(jìn)行量子測量，并且已經(jīng)證明了：一個(gè)連續的模擬反饋方案能夠穩定地在超導量子比特回路下進(jìn)行振蕩，并使他們獨立持續地存在。

　　其具體的實(shí)驗方法是：搭建一個(gè)量子系統，如圖1，一種由一個(gè)電容并聯(lián)的約瑟夫森結實(shí)現的非諧振蕩器，彌散耦合于一個(gè)三維微波腔中。使用兩個(gè)最低能級（ω01/2π=5.4853 GHz）形成一個(gè)量子比特。在基態(tài)的量子比特的諧振腔的諧振頻率是ωc/2π=7.2756 GHz。強耦合的輸出端口設置的諧振譜線(xiàn)寬度13.4 GHz，而控制和測量信號通過(guò)弱耦合輸入端口注入。量子位腔耦合導致了在腔輸出字段的一個(gè)狀態(tài)依賴(lài)相移(0.687 GHz)，其中的狀態(tài)信息包含在一個(gè)正交信號上。腔的輸出發(fā)送到附近的一個(gè)無(wú)噪聲的相位敏感的參量放大器（結）以促進(jìn)相關(guān)正交電路到與經(jīng)典電路相適應的水平。該參量放大器輸出被進(jìn)一步放大和零差檢測，以使得擴增的正交（Q）包含了最終的測量信號。

　　在此思路上，提出了基于量子信息改變量的量子通信方式，即：可以從傳送完整的量子態(tài)到只傳送部分量子態(tài)，進(jìn)而測量前一次傳送和后一次傳送的改變量即可。例如，若設第一次傳送的狀態(tài)為|0>，第二次傳送的狀態(tài)為|1>，則可判斷為一次改變，記為1；若第二次仍為|0>，則記為0。由于量子態(tài)的糾纏性，在發(fā)送端進(jìn)行一次前置弱測量，就會(huì )改變量子系統的狀態(tài)。

　　而具體的通信過(guò)程，可以分為通信部分和測量部分,它們是相互交織的。我們可以定義時(shí)隙T，初始狀態(tài)設為未知量x，接受端先進(jìn)行一次弱測量，記錄下此時(shí)的狀態(tài)x’，在T時(shí)間后發(fā)送端進(jìn)行一次弱測量，此時(shí)只進(jìn)行前置弱測量，即改變發(fā)送端量子態(tài)，接收端進(jìn)行一次完整弱測量，記錄下此時(shí)的狀態(tài)x 1 ’，若在T時(shí)隙內在發(fā)送端不進(jìn)行后置反饋測量，則x’一定與x 1 ’不同（此處可設定閾值），此T時(shí)隙即發(fā)送“1”；若在T時(shí)隙內在發(fā)送端進(jìn)行后置反饋測量，則不改變量子態(tài)，即x’與x 1 ’相同，此T時(shí)隙即發(fā)送“0”,如圖2。由于發(fā)送一位編碼需要兩個(gè)時(shí)隙，所以時(shí)隙不可間斷，且由于碼字只與此時(shí)隙和上一時(shí)隙有關(guān)，所以此系統抗干擾能力強。時(shí)隙的大小可以決定系統的傳輸速率，在同一個(gè)傳輸系統中，時(shí)隙應該設定為同一個(gè)數值。從而能夠實(shí)現同步。若沒(méi)有后置反饋測量回路，則最終會(huì )破壞糾纏關(guān)系，所以在0和1的編碼設置上有待改進(jìn)，從而延長(cháng)系統糾纏有效時(shí)間。

　　3 結論

　　如果本文提出的量子通信方法行之有效，那么信息的超光速傳輸將會(huì )成為現實(shí)，將對信息技術(shù)行業(yè)乃至太空探索都有絕對的重要性。而就目前來(lái)說(shuō)，本文所提的方法實(shí)現困難，造價(jià)高昂，因此還需進(jìn)行理論完善和實(shí)驗，且具體實(shí)現方法均有待改進(jìn)。

　　參考文獻

　　[1] Bennett C H，G Brassard，C Crepeau, et al. Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels[J].Physical Review Letters,1993,70:1895.

　　[2] Nielsen M A. Quantum Computation and Quantum Information[M]. Cambridge University Press, Cambridge, England,2000.

　　[3] 葛華.量子安全直接通信及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究[D].湖北:華中科技大學(xué),2014.

　　[4] 蘇曉琴,郭光燦.量子隱形傳態(tài)[J].物理學(xué)進(jìn)展,2004,24(3).

　　[5] 何娟.量子弱測量及量子關(guān)聯(lián)相關(guān)問(wèn)題研究[D].安徽大學(xué),2015.

　　[6] 玉素甫·吐拉克.量子弱測量理論及其應用[D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2012.

　　[7] Aharonov Y, Albert D Z, Vaidman L. How the Result of a Measurement of a Component of the Spin of a Spin-1/2 ParticleCan Turn Out to be 100[J]. Physical Review Letters, 1988, 60(14):1351-1354.

　　[8] Vijay R, Macklin C, Slichter D H, et al. Quantum Feedback Control of a Superconducting Qubit: Persistent RabiOscillations[J]. Physics, 2012.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第58頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處