潘建伟等首次实现反事实直接量子通信

　　ICCSZ讯  中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、陈宇翱等和清华大学马雄峰合作，在国际上首次实验实现了反事实直接量子通信，在实验中演示了图像的反事实传输，相关成果最近以 "Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect" 为题，发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上 [PNAS 114， 4920 (2017)]。

　　以日常生活的经验，任何信息的传输都需要通过实物载体，如信件、电磁波等。然而，国际著名量子光学专家M. Suhail Zubairy小组2013年提出的反事实直接量子通信方案 [Phys. Rev. Lett. 110， 170502 (2013)] 表明，即使在通信双方Alice 和 Bob之间没有实物粒子的交换，也可以实现信息的传递。这里“反”的就是人们日常生活中形成的直观认识。

　　反事实直接量子通信，本质上是光的“波粒二象性”的集中体现。该方案最初的灵感来自于1993年提出的“炸弹测试模型”。如图1所示，在干涉仪的下臂中可能放有一个非常敏感的炸弹，即使只有一个光子遇到它，也会被其吸收并引发爆炸。为了探测炸弹是否存在，可以从A端向干涉仪中发射一个光子。如果炸弹不存在，由于干涉，光子将一定从端口C离开;如果炸弹存在，则光子要么通过下臂被炸弹吸收，要么通过上臂，并以相同的概率从端口C或D离开。因此综合来看，如果最终在端口D探测到一个光子，那么炸弹一定存在于干涉仪中。值得注意的是，这里我们只发射了一个光子，如果这个光子在端口D被探测到，那么它一定没有通过干涉仪的下臂，然而我们却得到了炸弹存在的信息。这在后来被称为“无相互作用测量(interaction-free measurement)”。在此基础上，再利用量子芝诺效应(quantum Zeno effect)，可以大大提升上述无相互作用测量的成功率。

图1 无相互作用测量示意图

　　具体到反事实直接量子通信的物理实现，最核心的结构是嵌套、级联的干涉仪。Bob 根据他需要传输的信息来编码，通过嵌套的量子芝诺效应，Alice 可以利用类似于“无相互作用测量”的方式完整地获知 Bob 的信息，并且在这个过程中没有任何光子在 Alice 和 Bob 之间传输。Zubairy 等人的原始方案要求有无穷多个干涉仪，这显然是不可能实现的。潘建伟团队通过对原始方案的仔细分析和改进，使得反事实直接量子通信得以实现。一方面，通过使用可预报单光子源和后选择，在较少的干涉仪数目下也可以得到完全的反事实性;另一方面，用被动筛选光子到达时间的策略替代原方案中的高速主动光开关等。整个实验装置如图2所示。研究团队实现了技术突破，使用先进的相位稳定技术，首次实现了复杂的嵌套、级联的单光子干涉仪，并成功传输了一张 100×100 像素的中国结图片，传输正确率达到了 87%，如图3所示。该方案还可以进一步发展，用于无相互作用成像等领域。

　　这项工作是量子通信领域的全新尝试。自最初的理论工作提出以来，在对其内在机理的解释方面引起了学术界不小的争论。然而正是这样的争论，推进了人们对其本质的探索，使得人们有机会更深入理解量子力学。该工作被《美国科学院院报》审稿人评论为 "是一个将量子芝诺效应用于通信的新奇实现 (a novel realization of an application of the quantum Zeno effect to communication)" 以及 "非常有趣且及时 (very interesting and timely)"。该工作受到了英国物理学会网站Physics World、《科学美国人》、物理学家组织网(Phys.Org.)等国际权威媒体的专题报道。

　　上述研究得到了国家自然科学基金、科技部、教育部和中国科学院的支持。(来源：中国科学技术大学)

图2 实验装置

图3 100×100像素中国结图片的传输结果

(合肥微尺度物质科学国家实验室、物理学院、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部)

　　量子芝诺效应

　　提到量子芝诺效应，就要从古希腊著名的哲学家和数学家芝诺(Zeno)说起。他一生中提出过许多关于运动的不可分性的哲学悖论，其中最为著名的一个便是“飞矢不动”悖论。这个悖论是说，一支在空中飞行的箭，其实是不动的。因为箭在每一个瞬间的时刻都应该是静置的，那么无数个静置的组合还应该是静置。这个结论在经典世界里显然是不成立的，是逻辑上的悖论。芝诺的这个悖论在经典力学框架里似乎是荒谬的，但在量子力学里，它是可能的。为了纪念这位古希腊哲学家，在微观量子体系中，我们把该效应称为“量子芝诺效应”。有一个很形象但并不完全准确的例子来比喻“量子芝诺效应”：一个人准备睡觉，如果旁边另一个人不断询问其是否睡着了，那么可以想象，准备睡觉的人便总也睡不着了。这其实是在形容如果一个物理系统被连续不断的观测，那么它将不再继续演化。