首次！中國科學家實現直接的反事實量子通訊

在不用傳輸任何粒子的情況下，中科大研究團隊實現了信息傳遞－反事實量子通訊。

近幾年來，量子隱形傳態等量子通信技術不斷刷新人們對於奇妙量子世界的認知。然而，在量子通訊領域，最為奇妙而且最為有趣的形式還遠不止這些，在這些奇妙的量子通訊方式中，有一種稱為反事實量子通訊的絕對可以顛覆你的認知。

在這種量子通訊中，通訊雙方之間不存在粒子（光子、電子）的傳輸，導致竊聽者根本無從截獲傳遞的信息。雖然這種傳輸方式早已被理論物理學家所預測，但直到最近，才首次在實驗中實現。

來自中科大和清華大學的研究者利用該技術成功的傳輸了一張黑白的中國結圖片，傳輸過程中沒有任何粒子的交換。研究論文發表在美國國家科學院院刊（PNAS）上。

如果這對於你來說不能一下接受，別擔心，畢竟這是量子力學，就是這麼的複雜。但是一旦你把它分解開來，這種反事實量子通信也不像你想像的那麼難懂。

首先，我們來討論一下它與常規的量子通信，即量子隱形傳態的區別。因為量子隱形傳態不也是不使用粒子實現信息的傳遞嘛？其實並不完全是這樣。

常規的量子隱形傳態是基於糾纏理論的，在這個理論中，兩個粒子是密不可分的，以至於對其中一個的操作將影響另外一個，不管它們相隔多遠，這也是愛因斯坦所說的「幽靈般的超距離作用」。

科學家們已經用這一原理實現了遠距離的通訊，目前已實現超400公里的通訊距離，這個保持者就是中科大潘建偉院士團隊。

但是這種形式的量子隱形傳態或多或少的依賴於粒子的傳輸。比如，兩個粒子在製備糾纏態時是在一起的，然後再被傳送到收、發信號的兩端。（所以，它們從同一個地方出發，被分別傳送給兩端後，它們的通信才能開始）。

另外，雖然粒子可以在遠距離實現糾纏，但它們還是需要另外的一種粒子，比如光子，從兩個粒子之間進行傳播。

而本文中所說的這種直接反事實量子通信則是依賴於一種被稱為量子Zeno的效應，與量子隱形傳態的原理是不同的。

量子Zeno效應描述的是在連續測量下量子態得以保持的現象。眾所周知，在量子世界中，當你檢測或測量一個系統狀態的時候，系統的狀態會發生塌縮。

當一個不穩定的量子系統被反覆的測量時，其狀態會被凍結為一個定態，而不會隨時間向其他的態演化。打一個不恰當的比喻，如同俗話所說的，心急水不開，一直盯著一個水壺（檢測），那麼水反而不會開（狀態不變）。

量子Zeno效應就是實現反事實量子通信的基礎。反事實量子通信的定義是通信雙方之間不需要任何量子或經典的粒子傳輸即可實現量子態的傳遞。

在實現的過程中，通信雙方之間往往建立一條量子信道來判斷是否實現了反事實量子通信，粒子經過此信道傳輸的幾率一直保持非常低。一旦這個信道有粒子經過，那麼就丟棄這個結果，然後重新發送或建立一個新的系統。

為實現這一個複雜的系統，來自中國科技大學的研究者們布置了一系列嵌套的光學干涉儀，在最後的一個分束器的兩個輸出口，布置了單光子探測器進行檢測。

實驗系統基本的實現思路是：如果Bob想要發送一個圖片給Alice，Alice將一個單光子傳遞到這一系列嵌套的光學干涉儀上，通過這些干涉儀，光子可被三個單光子探測器檢測到：D0、D1和Df。如果D0或D1檢測到光子，那麼Alice可以得到邏輯結果1或0，這個邏輯檢測的結果是由另外一端的Bob控制的。

但如果Df檢測到，那麼表明光子在Alice和Bob之間的信道中進行傳輸，系統將丟棄這個結果，保證了反事實量子通訊的進行。由於量子Zeno效應的存在，光子在經過多個光學干涉儀的檢測後處於一個特定的狀態，因此可以預測當光子經過的時候會觸發哪一個探測器。

系統的工作還依賴於光子的波動性，量子世界中是光子是具有波粒二象性的。通過這種方法，研究者實際是利用了光子波動性的相位作為信息的載體，而不是直接在雙方間傳輸粒子以實現信息的傳遞。

實驗團隊解釋說，這套系統的基本思想來自全息技術。「上世紀四十年代， 全息成像這種新的成像技術被研發出來；它表明人們不僅可以利用光強，還可利用光的相位進行成像，」論文作者在美國科學院院刊（PNAS）上寫道。「人們會提出另一個問題，僅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上解釋的那樣：「在傳輸完所有比特之後，研究者就可以重現這張圖片——一幅黑白的中國結。邏輯0值定義黑色的像素，邏輯1定義白色像素。在實驗中，光的相位本身變成信息的載體，光強變得不再重要了。」

這不僅僅是量子通信的一個重大的進展，該課題組表示，這項技術還可以用來對一些脆弱的古舊文物進行成像，因為這些古舊文物特別怕光的直射，而此技術恰恰可以利用極其微弱的光實現成像。

目前，這些結果正等待外界的研究者的驗證，究竟能不能作為反事實量子通訊的一個實例。但不管怎麼樣，這都是一個對於量子世界是多麼奇特和未知的一個很好的驗證。

拓展閱讀：

量子芝諾（Zeno）效應

量子芝諾（Zeno）效應，又稱圖靈悖論。講的是如果一個系統被連續不斷地觀測，那麼它的狀態將是不變，不衰減的。其命名來自於古希臘的一個哲學家芝諾的一個悖論：一支在空中飛行的箭，其實是不動的。

因為在每一個瞬間，那麼這支箭在那一刻必定是不動的，所以一支飛行的箭，它等於千千萬萬個「不動」的組合，但整個過程看下來，箭又確實在動。

量子芝諾效應的物理解釋：考慮一個系統，經過一次測量後得到本次測量的本徵態A，測量過後，系統自由演化，可能會演化到另一本徵態B，因此在下一次測量到來之前，系統處於A和B的疊加態，且系統處於B態的概率是隨時間線性增加的。 在大測量數目和短測量時間的限制下，系統將會被「凍結」到A態。

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