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量子信息实验研究取得重要进展:中国科大首次实现反事实直接量子通信

2017-05-24 22:32:49 来源:中国科大新闻中心

  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,在实验中演示了图像的反事实传输,相关成果最近以 "Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect" 为题,发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上 [PNAS 114, 4920 (2017)]。

  以日常生活的经验,任何信息的传输都需要通过实物载体,如信件、电磁波等。然而,国际著名量子光学专家M. Suhail Zubairy小组2013年提出的反事实直接量子通信方案 [Phys. Rev. Lett. 110, 170502 (2013)] 表明,即使在通信双方Alice 和 Bob之间没有实物粒子的交换,也可以实现信息的传递。这里“反”的就是人们日常生活中形成的直观认识。

  反事实直接量子通信,本质上是光的“波粒二象性”的集中体现。该方案最初的灵感来自于1993年提出的“炸弹测试模型”。如图1所示,在干涉仪的下臂中可能放有一个非常敏感的炸弹,即使只有一个光子遇到它,也会被其吸收并引发爆炸。为了探测炸弹是否存在,可以从A端向干涉仪中发射一个光子。如果炸弹不存在,由于干涉,光子将一定从端口C离开;如果炸弹存在,则光子要么通过下臂被炸弹吸收,要么通过上臂,并以相同的概率从端口C或D离开。因此综合来看,如果最终在端口D探测到一个光子,那么炸弹一定存在于干涉仪中。值得注意的是,这里我们只发射了一个光子,如果这个光子在端口D被探测到,那么它一定没有通过干涉仪的下臂,然而我们却得到了炸弹存在的信息。这在后来被称为“无相互作用测量(interaction-free measurement)”。在此基础上,再利用量子芝诺效应(quantum Zeno effect),可以大大提升上述无相互作用测量的成功率。
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图 1无相互作用测量示意图

  具体到反事实直接量子通信的物理实现,最核心的结构是嵌套、级联的干涉仪。Bob 根据他需要传输的信息来编码,通过嵌套的量子芝诺效应,Alice 可以利用类似于“无相互作用测量”的方式完整地获知 Bob 的信息,并且在这个过程中没有任何光子在 Alice 和 Bob 之间传输。Zubairy 等人的原始方案要求有无穷多个干涉仪,这显然是不可能实现的。潘建伟团队通过对原始方案的仔细分析和改进,使得反事实直接量子通信得以实现。一方面,通过使用可预报单光子源和后选择,在较少的干涉仪数目下也可以得到完全的反事实性;另一方面,用被动筛选光子到达时间的策略替代原方案中的高速主动光开关等。整个实验装置如图2所示。研究团队实现了技术突破,使用先进的相位稳定技术,首次实现了复杂的嵌套、级联的单光子干涉仪,并成功传输了一张 100×100 像素的中国结图片,传输正确率达到了 87%,如图3所示。该方案还可以进一步发展,用于无相互作用成像等领域。

  这项工作是量子通信领域的全新尝试。自最初的理论工作提出以来,在对其内在机理的解释方面引起了学术界不小的争论。然而正是这样的争论,推进了人们对其本质的探索,使得人们有机会更深入理解量子力学。该工作被《美国科学院院报》审稿人评论为 "是一个将量子芝诺效应用于通信的新奇实现 (a novel realization of an application of the quantum Zeno effect to communication)" 以及 "非常有趣且及时 (very interesting and timely)"。该工作受到了英国物理学会网站Physics World、《科学美国人》、物理学家组织网(Phys.Org.)等国际权威媒体的专题报道。

  上述研究得到了国家自然科学基金、科技部、教育部和中国科学院的支持。
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图 2 实验装置
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图 3 100×100 像素中国结图片的传输结果



  相关链接:
  利用量子芝诺效应实现反事实直接量子通信论文:
  http://www.pnas.org/content/114/19/4920

  英国物理学会Physics World报道:
  http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/may/18/particle-free-quantum-communication-is-achieved-in-the-lab

  物理学家组织网报道:
  https://phys.org/news/2017-05-counterfactual-quantum.html

  拓展阅读:量子芝诺效应
  提到量子芝诺效应,就要从古希腊著名的哲学家和数学家芝诺(Zeno)说起。他一生中提出过许多关于运动的不可分性的哲学悖论,其中最为著名的一个便是“飞矢不动”悖论。这个悖论是说,一支在空中飞行的箭,其实是不动的。因为箭在每一个瞬间的时刻都应该是静置的,那么无数个静置的组合还应该是静置。这个结论在经典世界里显然是不成立的,是逻辑上的悖论。芝诺的这个悖论在经典力学框架里似乎是荒谬的,但在量子力学里,它是可能的。为了纪念这位古希腊哲学家,在微观量子体系中,我们把该效应称为“量子芝诺效应”。有一个很形象但并不完全准确的例子来比喻“量子芝诺效应”:一个人准备睡觉,如果旁边另一个人不断询问其是否睡着了,那么可以想象,准备睡觉的人便总也睡不着了。这其实是在形容如果一个物理系统被连续不断的观测,那么它将不再继续演化。
 

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