以日常生活的經驗, 任何資訊的傳輸都需要通過實物載體, 如信件、電磁波等。 然而, 在2013年, 國際著名量子光學專家M. Suhail Zubairy小組卻提出一個與人們日常生活中形成的直觀認識相悖的“反事實直接量子通信”方案, 即在通信雙方(假定為Bob和Alice)之間沒有實物粒子的交換, 也可以實現資訊的傳遞。 日前, 中國科學技術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。 相關成果發表在國際權威學術期刊《美國科學院院報》上。
反事實直接量子通信, 本質上是光的“波粒二象性”的集中體現。 該方案最初的靈感來自於1993年提出的“炸彈測試模型”。 如圖1所示, MZ干涉儀有兩個入口記為A和B, 兩個出口記為C和D, 有上下兩臂。 如果下臂中可能存在一個非常敏感的炸彈, 即使只有一個光子遇到它, 也會被其吸收並引發爆炸。 為了探測炸彈是否存在, 可以從A端向干涉儀中發射一個光子。 如果炸彈不存在, 由於干涉, 光子將一定從埠C離開;如果炸彈存在, 則光子要麼通過下臂被炸彈吸收, 要麼通過上臂, 並以相同的概率從埠C或D離開。 因此, 如果最終在埠D探測到一個光子, 那麼炸彈一定存在於干涉儀中且一定沒有光子通過炸彈, 然而我們卻得到了炸彈存在的資訊。
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, 最核心的結構是嵌套和串聯的干涉儀。 Bob根據所需要傳輸的資訊來編碼,
最初提出“反事實直接量子通信”方案的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。 一方面, 通過使用單光子源, 在較少的干涉儀數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等。
研究團隊使用先進的相位穩定技術, 首次實現了複雜的嵌套和串聯的單光子干涉儀等技術突破,
100×100圖元中國結圖片的傳輸結果
這項工作是量子通信領域的全新嘗試。
自最初的理論工作提出以來,
在對其內在機理的解釋方面引起了學術界不小的爭論。
然而正是這樣的爭論,
推進了人們對其本質的探索,
使得人們有機會更深入地理解量子力學。
該工作被《美國科學院院報》的審稿人評論為"是一個將量子芝諾效應用於通信的新奇實現(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站Physics World、《科學美國人》、物理學家組織網(Phys.Org.)等國際權威媒體的專題報導。
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。