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中國科學家完成“天方夜譚”式實驗:不傳輸粒子也能實現(xiàn)量子通信
點擊:  作者:吳長鋒    來源:科技日報  發(fā)布時間:2017-06-02 11:56:05

 

         以日常生活的經(jīng)驗,任何信息的傳輸都需要通過實物載體,如信件、電磁波等,即使是當前比較“火”的量子通信,也需要量子傳輸。然而,國際著名量子光學專家M. SuhailZubairy小組卻在4年前開了一個腦洞,提出一個與人們?nèi)粘I钪行纬傻闹庇^認識相悖的“反事實直接量子通信”方案,即不需要傳輸任何粒子,就可以將信息傳遞出去。聽上去,是不是很匪夷所思?

出人意料的是,中國科學技術(shù)大學教授潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等與清華大學馬雄峰合作,完成了這個“天方夜譚”式的實驗,把匪夷所思變成了科學現(xiàn)實。實驗室中的通信雙方之間沒有實物粒子的交換,成功傳遞了圖像信息。論文成果以《利用量子芝諾效應(yīng)實現(xiàn)直接反事實量子通信》為題發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《美國科學院院報》上。

量子芝諾效應(yīng)的名字來自古希臘數(shù)學家芝諾提出的“飛矢不動”悖論。這個悖論說,一支在空中飛行的箭,其實是不動的。因為箭在每一個瞬間的時刻都應(yīng)該是靜止的,那么無數(shù)個靜止的組合還應(yīng)該是靜止。這個結(jié)論在經(jīng)典世界里顯然是不成立的,是邏輯上的悖論。但在量子力學里,如果一個不穩(wěn)定的量子系統(tǒng)被連續(xù)不斷的觀測,其狀態(tài)就會被凍結(jié)為一個定態(tài),不會隨時間向其他的態(tài)演化。這即是“量子芝諾效應(yīng)”。有一個很形象但并不完全準確的例子來比喻“量子芝諾效應(yīng)”:一個人準備睡覺,如果旁邊另一個人不斷詢問其是否睡著了,那么可以想象,準備睡覺的人便總也睡不著了。

量子芝諾效應(yīng)是反事實量子通信的基礎(chǔ)。反事實量子通信是指通信雙方之間不需要任何量子或者經(jīng)典粒子的傳遞即可實現(xiàn)量子態(tài)的傳遞。為了確保這一過程,通信雙方之間還需要建立一條量子信道,粒子經(jīng)過此信道傳輸?shù)膸茁室恢北3址浅5汀H绻诺乐袡z測到有粒子通過,就需要丟棄這個結(jié)果,重新建立或者發(fā)送一個新的系統(tǒng)。研究人員需要布置一系列嵌套的光學干涉儀,以實現(xiàn)這種傳輸方式。

理論物理學家提出的“反事實直接量子通信”的原始方案要求有無窮多個干涉儀,這在現(xiàn)實科學實驗中顯然是不可能的,這也是實驗物理學家開始認為不可能實現(xiàn)的原因。潘建偉團隊通過對原始方案的仔細分析和改進,使得反事實直接量子通信得以實現(xiàn)。一方面,通過使用單光子源,在較少的干涉儀數(shù)目下也可以得到完全的反事實性;另一方面,用被動篩選光子到達時間的策略替代原方案中的高速主動光開關(guān)等。研究團隊實現(xiàn)了技術(shù)突破,使用先進的相位穩(wěn)定技術(shù),首次實現(xiàn)了復(fù)雜的嵌套、和串聯(lián)的單光子干涉儀,并成功傳輸了一張100×100像素的中國結(jié)圖片,傳輸正確率達到了87%

相比之下,我們所了解的常規(guī)的量子通信,即量子隱形傳態(tài),或多或少仍然需要粒子的傳輸。量子隱形傳態(tài)基于量子的糾纏特性,糾纏態(tài)的量子首先是在一起制備出來,然后分別傳送到兩端,它們的通信才開始。另外,雖然粒子可以在遠距離實現(xiàn)糾纏,它們?nèi)匀恍枰庾釉趦蓚€粒子之間傳播。

而量子反事實傳輸是基于“光的相位”進行傳輸通信方式,這種通信方式之下,光強不再重要。并且由于通信雙方之間沒有粒子的傳輸,也使得竊聽也變成無源之水、無本之木。因為這項技術(shù)可以利用極其微弱的光來實現(xiàn)成像,還能夠用來對一些脆弱的文物進行成像,有利于文物的保護和研究。

這項工作是量子通信領(lǐng)域的全新嘗試。潘建偉團隊的探索,使得人們有機會更深入地理解量子力學。該工作被《美國科學院院報》的審稿人評論為 “是一個將量子芝諾效應(yīng)用于通信的新奇實現(xiàn)”以及 “非常有趣且及時”。該工作受到了英國物理學會網(wǎng)站、《科學美國人》、物理學家網(wǎng)等國際權(quán)威媒體的專題報道。

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量子芝諾效應(yīng)的物理解釋

考慮一個系統(tǒng),經(jīng)過一次測量后得到本次測量的本征態(tài)A,測量過后,系統(tǒng)自由演化,可能會演化到另一本征態(tài)B,因此在下一次測量到來之前,系統(tǒng)處于AB的疊加態(tài),且系統(tǒng)處于B態(tài)的概率是隨時間線性增加的。在大測量數(shù)目和短測量時間的限制下,系統(tǒng)將會被“凍結(jié)”到A態(tài)。

研究團隊成功傳輸了一張100×100像素的中國結(jié)圖片,傳輸正確率達到了87%

科技日報記者 吳長鋒

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