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潘建伟等首次实现反事实直接量子通信

发布时间:2021-10-29 人气:

本文摘要: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,在国际上首次实验构建了反事实必要量子通信,在实验中展示了图像的反事实传输,涉及成果最近以"DirectcounterfactualcommunicationviaquantumZenoeffect"为题,公开发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上[PNAS114,4920(2017)]。以日常生活的经验,任何信息的传输都必须通过实物载体,如信件、电磁波等。

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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,在国际上首次实验构建了反事实必要量子通信,在实验中展示了图像的反事实传输,涉及成果最近以"DirectcounterfactualcommunicationviaquantumZenoeffect"为题,公开发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上[PNAS114,4920(2017)]。以日常生活的经验,任何信息的传输都必须通过实物载体,如信件、电磁波等。然而,国际知名量子光学专家M.SuhailZubairy小组2013年明确提出的反事实必要量子通信方案[Phys.Rev.Lett.110,170502(2013)]指出,即使在通信双方Alice和Bob之间没实物粒子的互相交换,也可以构建信息的传送。

这里“反”的就是人们日常生活中构成的直观了解。反事实必要量子通信,本质上是光的“波粒二象性”的集中体现。该方案最初的启发来自于1993年明确提出的“炸弹测试模型”。

如图1右图,在干涉仪的下臂中有可能敲有一个十分脆弱的炸弹,即使只有一个光子遇上它,也不会被其吸取并引起发生爆炸。为了观测炸弹否不存在,可以从A末端向干涉仪中升空一个光子。

如果炸弹不不存在,由于干预,光子将一定从端口C离开了;如果炸弹不存在,则光子要么通过下臂被炸弹吸取,要么通过上臂,并以完全相同的概率从端口C或D离开了。因此综合来看,如果最后在端口D观测到一个光子,那么炸弹一定不存在于干涉仪中。

值得注意的是,这里我们只升空了一个光子,如果这个光子在端口D被观测到,那么它一定没通过干涉仪的下臂,然而我们却获得了炸弹不存在的信息。这在后来被称作“无相互作用测量(interaction-freemeasurement)”。在此基础上,再行利用量子芝诺效应(quantumZenoeffect),可以大大提高上述无相互作用测量的成功率。图1无相互作用测量示意图明确到鼓吹事实必要量子通信的物理构建,最核心的结构是嵌套、级联的干涉仪。

Bob根据他必须传输的信息来编码,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”的方式原始地得知Bob的信息,并且在这个过程中没任何光子在Alice和Bob之间传输。Zubairy等人的完整方案拒绝有无穷多个干涉仪,这似乎是不有可能构建的。

潘建伟团队通过对完整方案的仔细分析和改良,使得反事实必要量子通信以求构建。一方面,通过用于可预报单光子源和后自由选择,在较多的干涉仪数目下也可以获得几乎的反事实性;另一方面,用被动检验光子抵达时间的策略替代原方案中的高速主动光电源等。整个实验装置如图2右图。

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研究团队构建了技术突破,用于先进设备的振幅平稳技术,首次构建了简单的嵌套、级联的单光子干涉仪,并顺利传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率超过了87%,如图3右图。该方案还可以更进一步发展,用作无相互作用光学等领域。这项工作是量子通信领域的全新尝试。自最初的理论工作明确提出以来,在对其内在机理的说明方面引发了学术界极大的争辩。

然而正是这样的争辩,前进了人们对其本质的探寻,使得人们有机会更加了解解读量子力学。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作通信的新奇构建(anovelrealizationofanapplicationofthequantumZenoeffecttocommunication)"以及"十分有意思且及时(veryinterestingandtimely)"。该工作受到了英国物理学不会网站PhysicsWorld、《科学美国人》、物理学家的组织网(Phys.Org.)等国际权威媒体的专题报道。

上述研究获得了国家自然科学基金、科技部、教育部和中国科学院的反对。(来源:中国科学技术大学)图2实验装置图3100×100像素中国结图片的传输结果(合肥微尺度物质科学国家实验室、物理学院、量子信息与量子科技前沿创意中心、科研部)量子芝诺效应提及量子芝诺效应,就要从古希腊知名的哲学家和数学家芝诺(Zeno)想起。他一生中明确提出过许多关于运动的不可分性的哲学悖论,其中尤为知名的一个乃是“飞矢不动”悖论。

这个悖论是说道,一支在空中飞行中的箭,只不过是一动的。因为箭在每一个瞬间的时刻都应当是静置的,那么无数个静置的人组还应当是静置。

这个结论在经典世界里似乎是不正式成立的,是逻辑上的悖论。芝诺的这个悖论在经典力学框架里或许是可笑的,但在量子力学里,它是有可能的。

为了纪念这位古希腊哲学家,在微观量子体系中,我们把该效应称作“量子芝诺效应”。有一个很形象但并不几乎精确的例子来比喻“量子芝诺效应”:一个人打算睡,如果旁边另一个人大大告知其否睡觉了,那么可以想象,打算睡的人之后总也睡不着了。这只不过是在形容如果一个物理系统被连续不断的观测,那么它将仍然之后进化。


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