中國科大首次實現反事實直接量子通信

科學院院士、科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等和清華大學馬雄峰合作，在國際上首次實驗實現了反事實直接量子通信，在實驗中演示了圖像的反事實傳輸，相關成果以Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect 為題，發表在國際學術期刊《美國國家科學院院刊》上 [PNAS 114, 4920 (2017)]。

以日常生活的經驗，任何信息的傳輸都需要通過實物載體，如信件、電磁波等。然而，國際著名量子光學專家M. Suhail Zubairy小組2013年提出的反事實直接量子通信方案表明，即使在通信雙方Alice和Bob之間沒有實物粒子的交換，也可以實現信息的傳遞。這裡「反」的就是人們日常生活中形成的直觀認識。

反事實直接量子通信，本質上是光的「波粒二象性」的集中體現。該方案最初的靈感來自於1993年提出的「炸彈測試模型」。如圖1所示，在干涉儀的下臂中可能放有一個非常敏感的炸彈，即使只有一個光子遇到它，也會被其吸收並引發爆炸。為了探測炸彈是否存在，可以從A端向干涉儀中發射一個光子。如果炸彈不存在，由於干涉，光子將一定從埠C離開；如果炸彈存在，則光子要麼通過下臂被炸彈吸收，要麼通過上臂，並以相同的概率從埠C或D離開。因此綜合來看，如果最終在埠D探測到一個光子，那麼炸彈一定存在於干涉儀中。值得注意的是，這裡只發射了一個光子，如果這個光子在埠D被探測到，那麼它一定沒有通過干涉儀的下臂，然而卻得到了炸彈存在的信息。這在後來被稱為「無相互作用測量」（interaction-free measurement）。在此基礎上，再利用量子芝諾效應（quantum Zeno effect），可以大大提升上述無相互作用測量的成功率。

具體到反事實直接量子通信的物理實現，最核心的結構是嵌套、級聯的干涉儀。Bob根據他需要傳輸的信息來編碼，通過嵌套的量子芝諾效應，Alice可以利用類似於「無相互作用測量」的方式完整地獲知Bob的信息，並且在這個過程中沒有任何光子在Alice和Bob之間傳輸。Zubairy等人的原始方案要求有無窮多個干涉儀，這顯然是不可能實現的。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。一方面，通過使用可預報單光子源和后選擇，在較少的干涉儀數目下也可以得到完全的反事實性；另一方面，研究人員用被動篩選光子到達時間的策略替代了原方案中的高速主動光開關等。研究團隊實現了技術突破，使用先進的相位穩定技術，首次實現了複雜的嵌套、級聯的單光子干涉儀，並成功傳輸了一張100×100像素的結圖片，傳輸正確率達到了87%。該方案還可以進一步發展，用於無相互作用成像等領域。

這項工作是量子通信領域的全新嘗試。自最初的理論工作提出以來，在對其內在機理的解釋方面引起了學術界不小的爭論。然而，正是這樣的爭論，推進了人們對其本質的探索，使得人們有機會更深入理解量子力學。該工作被審稿人評論為「是一個將量子芝諾效應用於通信的新奇實現」以及「非常有趣且及時」。該工作受到了英國物理學會網站Physics World、《科學美國人》等國際權威媒體的專題報道。

上述研究得到了國家自然科學基金、科技部、教育部和中科院的支持。

拓展閱讀：量子芝諾效應

提到量子芝諾效應，就要從古希臘著名的哲學家和數學家芝諾（Zeno）說起。他一生中提出過許多關於運動的不可分性的哲學悖論，其中最為著名的一個便是「飛矢不動」悖論。這個悖論是說，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該是靜置的，那麼無數個靜置的組合還應該是靜置。這個結論在經典世界里顯然是不成立的，是邏輯上的悖論。芝諾的這個悖論在經典力學框架里似乎是荒謬的，但在量子力學里，它是可能的。為了紀念這位古希臘哲學家，在微觀量子體系中把該效應稱為「量子芝諾效應」。有一個很形象但並不完全準確的例子來比喻「量子芝諾效應」：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，那麼可以想象，準備睡覺的人便總也睡不著了。這其實是在形容如果一個物理系統被連續不斷地觀測，那麼它將不再繼續演化。