首次！中国科学家实现直接的反事实量子通讯

在不用传输任何粒子的情况下，中科大研究团队实现了信息传递－反事实量子通讯。

近几年来，量子隐形传态等量子通信技术不断刷新人们对于奇妙量子世界的认知。然而，在量子通讯领域，最为奇妙而且最为有趣的形式还远不止这些，在这些奇妙的量子通讯方式中，有一种称为反事实量子通讯的绝对可以颠覆你的认知。

在这种量子通讯中，通讯双方之间不存在粒子（光子、电子）的传输，导致窃听者根本无从截获传递的信息。虽然这种传输方式早已被理论物理学家所预测，但直到最近，才首次在实验中实现。

来自中科大和清华大学的研究者利用该技术成功的传输了一张黑白的中国结图片，传输过程中没有任何粒子的交换。研究论文发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上。

如果这对于你来说不能一下接受，别担心，毕竟这是量子力学，就是这么的复杂。但是一旦你把它分解开来，这种反事实量子通信也不像你想象的那么难懂。

首先，我们来讨论一下它与常规的量子通信，即量子隐形传态的区别。因为量子隐形传态不也是不使用粒子实现信息的传递嘛？其实并不完全是这样。

常规的量子隐形传态是基于纠缠理论的，在这个理论中，两个粒子是密不可分的，以至于对其中一个的操作将影响另外一个，不管它们相隔多远，这也是爱因斯坦所说的“幽灵般的超距离作用”。

科学家们已经用这一原理实现了远距离的通讯，目前已实现超400公里的通讯距离，这个保持者就是中科大潘建伟院士团队。

但是这种形式的量子隐形传态或多或少的依赖于粒子的传输。比如，两个粒子在制备纠缠态时是在一起的，然后再被传送到收、发信号的两端。（所以，它们从同一个地方出发，被分别传送给两端后，它们的通信才能开始）。

另外，虽然粒子可以在远距离实现纠缠，但它们还是需要另外的一种粒子，比如光子，从两个粒子之间进行传播。

而本文中所说的这种直接反事实量子通信则是依赖于一种被称为量子Zeno的效应，与量子隐形传态的原理是不同的。

量子Zeno效应描述的是在连续测量下量子态得以保持的现象。众所周知，在量子世界中，当你检测或测量一个系统状态的时候，系统的状态会发生塌缩。

当一个不稳定的量子系统被反复的测量时，其状态会被冻结为一个定态，而不会随时间向其他的态演化。打一个不恰当的比喻，如同俗话所说的，心急水不开，一直盯着一个水壶（检测），那么水反而不会开（状态不变）。

量子Zeno效应就是实现反事实量子通信的基础。反事实量子通信的定义是通信双方之间不需要任何量子或经典的粒子传输即可实现量子态的传递。

在实现的过程中，通信双方之间往往建立一条量子信道来判断是否实现了反事实量子通信，粒子经过此信道传输的几率一直保持非常低。一旦这个信道有粒子经过，那么就丢弃这个结果，然后重新发送或建立一个新的系统。

为实现这一个复杂的系统，来自中国科技大学的研究者们布置了一系列嵌套的光学干涉仪，在最后的一个分束器的两个输出口，布置了单光子探测器进行检测。

实验系统基本的实现思路是：如果Bob想要发送一个图片给Alice，Alice将一个单光子传递到这一系列嵌套的光学干涉仪上，通过这些干涉仪，光子可被三个单光子探测器检测到：D0、D1和Df。如果D0或D1检测到光子，那么Alice可以得到逻辑结果1或0，这个逻辑检测的结果是由另外一端的Bob控制的。

但如果Df检测到，那么表明光子在Alice和Bob之间的信道中进行传输，系统将丢弃这个结果，保证了反事实量子通讯的进行。由于量子Zeno效应的存在，光子在经过多个光学干涉仪的检测后处于一个特定的状态，因此可以预测当光子经过的时候会触发哪一个探测器。

系统的工作还依赖于光子的波动性，量子世界中是光子是具有波粒二象性的。通过这种方法，研究者实际是利用了光子波动性的相位作为信息的载体，而不是直接在双方间传输粒子以实现信息的传递。

实验团队解释说，这套系统的基本思想来自全息技术。“上世纪四十年代， 全息成像这种新的成像技术被研发出来；它表明人们不仅可以利用光强，还可利用光的相位进行成像，”论文作者在美国科学院院刊（PNAS）上写道。“人们会提出另一个问题，仅使用光的相位是否可以成像？答案是可以的。”

正如Chistopher packham在Phys.org上解释的那样：“在传输完所有比特之后，研究者就可以重现这张图片——一幅黑白的中国结。逻辑0值定义黑色的像素，逻辑1定义白色像素。在实验中，光的相位本身变成信息的载体，光强变得不再重要了。”

这不仅仅是量子通信的一个重大的进展，该课题组表示，这项技术还可以用来对一些脆弱的古旧文物进行成像，因为这些古旧文物特别怕光的直射，而此技术恰恰可以利用极其微弱的光实现成像。

目前，这些结果正等待外界的研究者的验证，究竟能不能作为反事实量子通讯的一个实例。但不管怎么样，这都是一个对于量子世界是多么奇特和未知的一个很好的验证。

拓展阅读：

量子芝诺（Zeno）效应

量子芝诺（Zeno）效应，又称图灵悖论。讲的是如果一个系统被连续不断地观测，那么它的状态将是不变，不衰减的。其命名来自于古希腊的一个哲学家芝诺的一个悖论：一支在空中飞行的箭，其实是不动的。

因为在每一个瞬间，那么这支箭在那一刻必定是不动的，所以一支飞行的箭，它等于千千万万个“不动”的组合，但整个过程看下来，箭又确实在动。

量子芝诺效应的物理解释：考虑一个系统，经过一次测量后得到本次测量的本征态A，测量过后，系统自由演化，可能会演化到另一本征态B，因此在下一次测量到来之前，系统处于A和B的叠加态，且系统处于B态的概率是随时间线性增加的。 在大测量数目和短测量时间的限制下，系统将会被“冻结”到A态。

-End-

参考文献：

http://www.sciencealert.com/scientists-have-achieved-direct-counterfactual-quantum-communication-for-the-first-time

https://phys.org/news/2017-05-counterfactual-quantum.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Zeno_effect

Yuan Cao, Yu-Huai Li, Zhu Cao, Juan Yin, Yu-Ao Chen, Hua-Lei Yin, Teng-Yun Chen, Xiongfeng Ma, Cheng-Zhi Peng, and Jian-Wei Pan, Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect, PNAS, 2017, 114 (19) 4920-4924;

Salih, Hatim and Li, Zheng-Hong and Al-Amri, M. and Zubairy, M. Suhail, Protocol for Direct Counterfactual Quantum Communication, PRL, 2013, 110(17):170502

「DeepTech深科技」招募编辑记者

（人工智能、生物医学、自动驾驶等方向）

工作地点：北京 ● 国贸

申请加入：[e-mail]

热点（点击关键词查看）

人工智能 丨 量子计算 丨 合成生物学 丨 金属氢 丨 时间晶体 丨 区块链 丨 半导体 丨 激光雷达 丨 桌面打印 丨 人造子宫 丨 空中取水 丨 基因编辑 丨 海水淡化 丨 图灵奖 丨 超级高铁 丨 无鸡鸡肉 丨 人兽嵌合体 丨 钢铁骨骼 丨 高熵合金 丨 新固态电池   超级细菌 丨 渗透能 丨 量子纠缠 丨 垂直农场 丨 核聚变

人物

深度