反事實量子通信，反常燒腦的保密大殺器

美國科學院院刊刊發了中國科學家基於量子芝諾效應的反事實通信論文

5月美國科學院院刊PNAS網站發布了中國科學家實現反事實量子通信的論文，據稱中國科學家在不發送和交換微觀粒子的條件下，實現傳送一幅中國結的黑白點陣圖，這是人類首次反事實通信實驗！神秘的量子力學，不發送粒子居然就能傳遞信息，這實在很違背我們的常識，反事實（counterfactual）之名果然名不虛傳。

微觀量子的很多特性反直覺，卻通過了試驗驗證，人們發揮演繹的神乎其神並不意外

量子力學的很多結論都違背我們的常識，但卻又得到實驗的證實，遍布公式的天書讓人敬而遠之，而神奇的事實卻讓人趨之若鶩。對於中國人率先實現，說起來就拗口卻又神秘的反事實量子通信，一時間互聯網上紛紛湧現各種高大上的神奇解釋。首當其衝的就是超光速的實時通信：火星上可以和地球實時通信了，銀河另一端也可以通電話了！其次是看到不發送粒子的描述，理解為無需通信信道：中南海可以和全球的核潛艇通信了！不過很遺憾，這些科幻夢想都並非事實，反事實量子通信既無法做到超光速通信無視距離聯通你我，也不是穿牆有術的嶗山道士。

雙縫實驗證明了光的波動性，對於單光子來說，同樣可以形成干涉條紋

我們知道光既具有粒子性也有波動性，中國科學家最先實現的反事實量子通信，利用的就是光的波動性。光波也是一種概率波，雙縫干涉就是這種波動性的體現，人們發現不僅一束光有這樣的波動性，即使是一個光子也能產生干涉現象，這實在很奇妙，光子難道是和自己干涉么？的確如此，哪怕一個光子，雙縫干涉中它也能以波的形式同時從兩個狹縫中穿過，而且從任意一個穿過去的概率都是50%。反事實量子通信中也是如此，它的本質是通過光波的概率傳輸特性來傳送信息。

E-V炸彈試驗：經過上方光路的光子，卻檢測到下方B處有沒有炸彈，這就是反事實通信的雛形

1993年以色列物理學家Avshalom Elitzur和Lev Vaidman聯合發表論文《量子力學的無相互作用測量》，為反事實量子通信開闢了道路。兩位科學家提出了Elitzur-Vaidman炸彈實驗的難題：面對單光子就能引爆的炸彈，如何在不引爆它的情況下完成檢測呢？兩位以色列科學家的奇思妙想如下：A處是一個單光子光源，單光子經過一個分光鏡後，各有50%的幾率走上方或是下方的光路。經過上下方的反射鏡後，光子在對角位置的第二個分光鏡處產生干涉。如果B位置沒有炸彈，那麼光子肯定會被C處的探測器探測到，反之C和D處的探測器各有50%的幾率探測到光子。簡而言之，D處檢測到光子證明肯定B處有炸彈！我們再進一步推理：如果B處有炸彈，那麼50%的可能性是光子從下方光路走，直接引爆炸彈，有50%的可能性是從光子上方光路走，炸彈安然無恙，然後光子又分別有50%的可能性各自從C和D處出現。

聰明的讀者肯定會發現一個神奇的事實：光子沒有直接接觸引爆炸彈，但檢測者有25%（50%X50%）的可能性知道B處有沒有炸彈，真是好玩！ Elitzur-Vaidman炸彈實驗中通過重複這樣的過程，檢測概率可以達到33%（1/3），而通過更精心的設計和多次重複，概率可以趨近於100%，這就可以用來傳遞信息了啊！這就是反事實量子通信的基本原理，對基本的Elitzur-Vaidman炸彈實驗進行改進，可以做到有炸彈時光子從炸彈光路上經過的概率趨近於0，但是我們仍然可以檢測到炸彈。

單層無相互作用測量還要傳輸光子，嵌套雙層（右側）就是反事實量子通信了

細心的讀者肯定要抗議：不對啊，你這麼干倒是安檢無敵了，但是沒炸彈時光子不還要經過下方光路么？我看潘院士他們的論文，明明白白說的是沒有傳輸粒子！ 怎麼做到沒有粒子傳輸的呢？其實原理也不複雜：既然可以做到有炸彈時光子從那條光路上經過的概率趨近於0，那我們外邊再嵌套一層無相互作用測量裝置，讓沒有炸彈時光子從炸彈處經過的概率也趨近於0不就行了。這樣有沒有炸彈，光子從要檢測的光路上經過的概率都趨近於0，卻可以實現炸彈檢測。

論文原理圖，Bob用是否插入反射鏡（Mirror）發送一位0/1數據，通信超光速是白日夢

反事實量子通信的實現中，當然不會用單光子炸彈，而是把思想實驗中的炸彈換成對方（Bob）光纖上的一個反射鏡開關，對方通過插入或移除反射鏡表示通過或阻塞（相當於有沒有炸彈），以此表示要傳遞的一位0/1數據，我方（Alice）通過檢測光子從哪裡出現，判斷對方想要傳輸的是0還是1。我們來看論文的意義圖，這是一套雙層嵌套的無作用測量通信設計，BSm是外層BSn是內層，實驗中m=4同時n=2，當Bob方反射鏡插入時，存在三條光路：只經過Alice的R1，R2光路和經過Bob的R3光路，三條光路長度相等；當Bob方反射鏡移除時（相當於有炸彈），不存在R3光路。如果Alice方從D0端檢測到光子，那麼Bob方的反射鏡是存在的，反之如果Alice從D1端檢測到光子，說明反射鏡被移除，這樣Alice就獲得了Bob方想要傳遞的信息。

反事實量子通信論文中的概述圖，雖然沒光子傳遞，但Alice和bob之間必須有連續光路，潛艇可沒法用

信息是傳過來了，那麼為什麼說沒傳輸粒子呢？通過D0和D1端是否有光子，信息從Bob那裡傳輸到Alice這裡，但通過設計光子卻幾乎不走經過Bob的R3光路。實驗中存在BSm這一外層無相互作用測量裝置，m值越大光子走R3光路的可能性越小，每個內層測量裝置BSn中都有一個Df端，對經過R3光路的光子再進行一次「過濾」。m乘以n次循環後，光子走過R3光路的可能性就微乎其微了。簡單地說，就是絕大部分光子只在Alice一方的R1和R2光路上走，沒有經過Bob一方的R3光路，但卻傳來Bob方的信息，如果m乘以n的循環次數足夠多，光子經過Bob方的概率將趨近於0，但信息仍然可以傳過來，所以說是不發送（其實還是有光子經過的，只不過極限是0）任何物理粒子的反事實量子通信實驗。

論文中提到這個簡單的中國結，就傳了幾個小時，前景雖好前途無期啊

綜上所述，所謂的反事實量子通信實驗不涉及什麼量子糾纏或是超距傳輸的，也仍然需要傳統的通信信道比如光纖，這肯定要讓科幻謎們大失所望了。那它有什麼用呢？實驗中A方和B方之間幾乎沒有光子經過，但仍然進行了通信，這意味著即使有某個非常隱蔽的間諜有效的監聽A和B之間的光纜，也無法獲得傳遞的信息。反事實量子通信實際上是一種高度保密的通信技術，在軍事上大有用武之地，不過這項技術還處於實驗室的早期研究階段，距離實用還遙遙無期。我國科學家發表的論文提到，這次實驗傳輸一幅100X100像素的黑白中國結圖片，但由於單光子的丟失現象十分嚴重，每一位數據都可能需要發射多個單光子，最終這個簡單的中國結圖片就耗費了幾個小時，而Alice和Bob兩方距離只不過是50厘米。前途是光明的，道路是曲折的，但還是期待它早日成熟實用的那一天。

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