漫画 | 中国科学家首次实现不传输任何实体物质的“反事实通信”

这是Sheldon的第68篇漫画，所有图片大约3.6MB。

电影《三体》上映后的某一天，

三体人突然降临。

它们用飞船把地球团团围住，

监视了地球向宇宙发射的所有信息。

地球人通过面壁计划，

选出了一位物理学家墨子。

墨子号称他可以向宇宙中发送信息，

完全不会被三体人监听到。

只见墨子花了10万亿美金，

建造了一个巨大的黑色石碑。

石碑建好以后，

墨子又下令，

把石碑放倒。

石碑放倒以后，

墨子又下令，

把石碑立起来。

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.

.

.

.

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就这样反复折腾了好几年，

三体人都看烦了。

可是他们确实没有侦测到

任何物质粒子的传输。

可是突然有一天，

几个激光光束飞进了太阳系，

瞬间就把三体人的飞船全消灭了。

地球重新获得了和平。

获救的地球人又兴奋，

又好奇，

他们纷纷围住墨子问长问短，

恨不能立刻报考物理系！

到底什么是反事实通信呢？

这个故事要从物质的本质说起。

 一   光到底是粒子还是波？

在从前的物理学家眼中，粒子和波是两种完全不同的东西。比方说，努力把物质切开，越切越小，切到最后就会得到一大堆组成物质的粒子。如果往池塘里扔一块石头，池水泛起的波澜就是一种波。

那么问题来了，我们每天都要看到的光到底是粒子还是波呢？在这个问题上，从前的物理学家主要分为两派。一派人认为光是粒子，另一派人坚持认为光是一种波。

那么光到底是粒子还是波呢？两派人因为这事至少吵吵了两百年！

公平地说，波派也好，粒子派也好，他们都有自己的道理，每一派都能提出一大堆实验证据。

进入20世纪以后，物理学家渐渐发展出了量子力学。量子力学的创始人之一爱因斯坦也加入了战斗！

这次他破天荒地没有打牛顿的脸，而是先帮牛顿的粒子派说了好话，证明说光是由一种基本粒子组成的。

然而，爱因斯坦并没有完全否定波派的观点。他同时强调，光确实很像一种波！

后来，经过德布罗意和玻恩等量子力学创始人的一番理论创新，物理学家终于把波和粒子这两个概念联系了起来。原来不仅仅是光，所有的物质粒子都跟光一样，具有粒子和波的双重性质，叫作“波粒二象性”。只不过，这里的波不是水波、声波那种传统意义上的机械波，而是一种“概率波”。

 二   光子和它的概率波

为了搞清楚什么叫概率波，让我们先看一下波和粒子有哪些不同。

假如我们有一个网球发射器。在网球运动的半路上放一个挡板，在挡板中间开两个狭缝，然后再在狭缝后面放一个屏幕。你就会发现，有的网球会被挡板挡住，有的网球会穿过狭缝，打在屏幕上，形成两条跟狭缝对应的条纹。

但如果最开始发射的不是粒子，而是水波，你就会发现，水波在穿过两个狭缝的一刹那，变成了两个子波，这两个子波的波峰和波峰碰在一起就会加强，波峰和波谷碰在一起就会抵消。当它们传播到屏幕上以后，有的地方加强，有的地方削弱了，就会形成一系列强弱相间的干涉条纹。

现在，我们把这个实验放在微观尺度上重新做一遍。如果我们发射的既不是网球，也不是水波，而是像光子、电子这样的“波粒二象性”怪胎，结果就会大大出乎你的意料。当你发射第一个光子的时候，屏幕上出现一个亮点，看起来光子确实是一种粒子。

但如果你持续不断地发射光子（每次只发射一个）的话，积累到一定数量之后就会发现，光子不会像网球那样在屏幕上形成两条对应狭缝的条纹，而是像水波一样，形成了一系列强弱相间的条纹！

所以你看，光子打在屏幕上，形成了一个亮点，而不是一个条纹，这说明光子是一种粒子。

另一方面，很多光子打在屏幕上以后，形成的分布是水波一样的条纹，这说明光子又是一种波。波纹强的地方说明光子落在这里的概率大，波纹弱的地方说明光子落在这里的概率小，所以，我们可以把光子对应的波理解成一种描述光子出现概率大小的波！

在量子力学眼中，光子对应的概率波严重违反了日常生活的直觉！比方说，这种波无处不在，会填满整个宇宙！就算在某个地方，概率波的大小等于零，它仍在是存在的！

于是，有物理学家就要开脑洞了（请注意专心听讲！），假设在一个地方，光子出现的概率等于0；如果物理学家在那个地方放一个障碍物（比如挡板或者镜子），结果又会怎样呢？

首先，根据物理学家的计算，虽然光子出现在那里的概率等于0，概率波在那里的大小也等于0，但是概率波仍然经过了那个地方。当我们把障碍物放进去之后，障碍物就会挡住概率波传播的路，这会导致概率波的强度分布发生改变，最终导致光子出现在屏幕上各个地方的概率发生变化！

其次，虽然障碍物导致屏幕上各个地方的概率波大小发生了变化，但如果实验设计的特别巧妙，使得障碍物恰好只影响了其他地方的概率大小，没有影响障碍物附近的概率波大小（仍然是0），那就厉害啦！

也就是说，物理学家可以设计一种实验方案，使得：不管障碍物存在不存在，光子都不会在障碍物附近出现；然而光子在屏幕上显示的干涉条纹形状却能告诉我们障碍物到底存在不存在。

那么，这样的奇怪实验能产生什么用处呢？

 三   用“没有发生的事情”通信

聪明的物理学家继续开脑洞！他们设想，利用这种“没有发生的事情”（光子没有碰到障碍物），也能在两个人之间传输信息（障碍物存在或不存在）！

2013年，著名理论物理学家Zubairy的团队在前人研究的基础上，提出了一个能够实现这种脑洞的奇妙实验方案。

在下面这个装置中，有很多半透明的玻璃片。当一个光子照在上面时，半透明玻璃片会以一定概率让光子透射过去，也会以一定概率将光子反射出去（这跟你的眼镜片很像）。通过设置一堆这样的玻璃片（学名叫分束器），和一堆全反射镜，Zubairy团队把实验装置分成了两个部分：A部分和B部分。

实验开始以后，光子会从最上面的发射器出发，最后被最下面的两个探测器D0和D1接收。在发射器和接收器之间，每一条可能的路线都对应着一股光子的概率波。但是由于概率波会相互叠加、相互抵消，经过Zubairy团队的巧妙设计，实验装置B部分的概率波差不多都被抵消光了。如果这样的实验装置有无穷多组，那么B部分中的概率波就会完全等于0 ！

这时，如果B部分的人任由概率波通过，整套装置中的概率波就会以一种方式相互叠加和抵消，结果会导致所有的光子跑到探测器D0中。

（如果B处没有障碍物，那么所有的光子都会跑到探测器D0中）

如果B部分的人在半路上放上无穷多个障碍物，拦住其中一部分概率波（虽然这部分概率波的幅度等于0），剩下的概率波就会以另一种方式相互叠加和抵消，产生另一种结果，最后导致所有的光子跑到探测器D1中。

（如果B处有障碍物，那么所有的光子都会跑到探测器D1中）

于是，Zubairy团队就得到了这样一个神奇的结果：不论B是否放置障碍物，都不会有光子从那条路上路过。但是，只要A发射一个光子，然后看看是D0还是D1接收了光子，他就能反推出B是否在半路上放了障碍物！

也就是说，A和B之间没有任何粒子通过，他们仅凭“未发生的事情”（光子并没有通过B的地盘/并没有在B的地盘被障碍物挡住），就成功地从B向A传输了信息（障碍物不存在/存在）。

已经发生的事情就是事实，在英文中叫作factual。而“未发生的事情”就是事实的反面，所以彭罗斯将这种通信方式叫作反事实（counter-factual）通信！

 四   潘建伟团队首次实现反事实直接通信

2017年，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。他们设计了一个更精巧的装置，对方案进行了优化。这是一种多级嵌套的光路。

由于实验装置不可能实现无穷多组的效果，所以光子通过B的概率并不是严格地等于0。针对这种情况，实验团队使用一个非常好的单光子源作为光源，保证A每次只发射一个光子。

实验中有两种成功通信的情况：

1. 如果D0接收到一个光子，说明通信成功。A会反推出这个光子没有经过B的部分（光可能的行进路线是在P1透射，然后抵达镜子，并发生反射）。这种情况记为比特0。

2.如果D1接收到一个光子，说明通信成功。A会反推出这个光子没有经过B的部分（受B的装置操纵后，光可能的行进路线是在P1处就发生反射，没有抵达镜子就离开B部分）。这种情况记为比特1。

因为A每次只发射一个光子，当她的探测器D0或D1探测到这个光子时，光子一定没有经过B。也就是说，在进行反事实通信的时候，A只要接收到了光子，就说明他们确实用“没有发生的事情”（光子没有经过B）传输了信息（比特0或比特1）！

通过这种实验装置，他们成功传输了一张 100×100 像素的中国结图片，传输正确率达到了 87%！这个实验最近入选英国物理学会（Institute of Physics）新闻网站《物理世界》（Physics World）公布的2017年度国际物理学领域的十项重大突破。

反事实直接通信实验挑战了普通人的常识。很多物理学家虽然天天跟概率波打交道，但他们总是认为，概率波是一种数学假设，是为了计算方便而引入的，并不是真实存在的。可是反事实通信方案的提出者之一、Zubairy的团队成员Salih解释说，“我相信（潘建伟团队的）这个实验支持了量子波函数（笔者注：即概率波）是真实存在的实体：如果光子没有传输信息，那么在这个实验中，到底是什么东西在传输信息呢？”

美指：牛猫

　　绘制：赏鉴

　　排版：胡豆

鸣谢：李宇怀，曹原

陈宇翱，彭承志，刘乃乐

特别鸣谢：Ent

本文已发表于墨子沙龙

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参考文献：

1. H. Salih and et al., Protocol for Direct Counterfactual Quantum Communication, PRL 110, 170502 (2013).

2. Y. Cao and et al., Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect, PNAS, 114(19 )( 2017).

3. J. Roebke, Nil Communication: How to Send a Message without Sending Anything at All, Scientific American (2017).

注：

1. 在Zubairy团队和潘建伟的实验中，他们都借助了一种量子效应，叫作量子芝诺效应。通过这种效应，他们尽可能地降低了粒子出现在B处的概率，提高了光子的传输效率。

2. 量子芝诺效应的名字源于古希腊哲学家芝诺提出的芝诺悖论。芝诺提出，“飞矢不动”，即如果你不停地看一只射出的箭飞到了哪里，而且你观察它的时间间隔可以任意地小，箭就会停在半空。量子芝诺效应与之类似，是说如果你不断测量一个量子状态演化成了什么样子，而且测量的时间间隔任意小，那么这个量子态就会停止演化，始终保持原来的状态。

3. 文章开头的故事比较理想化。我们假设遥远的第三方外星人扮演了A的角色，地球上的面壁者墨子扮演了B的角色。墨子通过用石碑反复挡住、打开一条光路，向第三方外星人发出了求救信息。而这中间不涉及任何实体粒子的传输，所以三体人并没有察觉。

4. 如果三体人预先知道了墨子会用这种方式传递信息，它们也可以相应地改变部署，破坏物质波的传播路径，破坏反事实通信的过程。只是为了故事简单起见，我们假设它们完全蒙在鼓里。