中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉院士及其朋友彭承志、陳宇翱等和復(fù)旦學(xué)院馬雄峰合作，在國際上首次實驗實現(xiàn)了反事實直接量子通訊，在實驗中演示了圖象的反事實傳輸，相關(guān)成果近來以""為題，發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《美國科大學(xué)院報》上[,4920(2017)]。
以日常生活的經(jīng)驗人類首次實現(xiàn)量子通訊，任何信息的傳輸都須要通過實物載體，如信函、電磁波等。但是，國際知名量子光學(xué)專家M.小組2013年提出的反事實直接量子通訊方案[Phys.Rev.Lett.110,(2013)]表明，雖然在通訊雙方Alice和Bob之間沒有實物粒子的交換，也可以實現(xiàn)信息的傳遞。這兒“反”的就是人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的直觀認識。
反事實直接量子通訊，本質(zhì)上是光的“波粒二象性”的集中彰顯。該方案最初的靈感來自于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十分敏感的炸彈，雖然只有一個光子遇見它，也會被其吸收并引起爆燃。為了偵測炸彈是否存在，可以從A端向干涉儀中發(fā)射一個光子。假如炸彈不存在，因為干涉，光子將一定從端口C離開；假如炸彈存在，則光子要么通過下臂被炸彈吸收，要么通過頸部，并以相同的機率從端口C或D離開。因而綜合來看，假如最終在端口D偵測到一個光子，這么炸彈一定存在于干涉儀中。值得注意的是，這兒我們只發(fā)射了一個光子，假如這個光子在端口D被偵測到，這么它一定沒有通過干涉儀的下臂，但是我們卻得到了炸彈存在的信息。這在后來被稱為“無互相作用檢測（-）”。在此基礎(chǔ)上，再借助量子芝諾效應(yīng)（），可以大大提高上述無互相作用檢測的成功率。
圖1無互相作用檢測示意圖
具體到反事實直接量子通訊的化學(xué)實現(xiàn)，最核心的結(jié)構(gòu)是嵌套、級聯(lián)的干涉儀。Bob按照他須要傳輸?shù)男畔砭幋a，通過嵌套的量子芝諾效應(yīng)人類首次實現(xiàn)量子通訊，Alice可以借助類似于“無互相作用檢測”的形式完整地得知Bob的信息，但是在這個過程中沒有任何光子在Alice和Bob之間傳輸。等人的原始方案要求有無窮多個干涉儀，這也許是不可能實現(xiàn)的。潘建偉團隊通過對原始方案的仔細剖析和改進，致使反事實直接量子通訊得以實現(xiàn)。一方面，通過使用可預(yù)報單光子源和后選擇，在較少的干涉儀數(shù)量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取代原方案中的高速主動光開關(guān)等。整個實驗裝置如圖2所示。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、級聯(lián)的單光子干涉儀，并成功傳輸了一張100×100象素的中國結(jié)圖片，傳輸正確率達到了87%，如圖3所示。該方案還可以進一步發(fā)展，用于無互相作用成像等領(lǐng)域。
這項工作是量子通訊領(lǐng)域的全新嘗試。自最初的理論工作提出以來，在對其內(nèi)在機理的解釋方面造成了學(xué)術(shù)界不小的爭辯。但是正是這樣的爭辯，推動了人們對其本質(zhì)的探求，促使人們有機會更深入理解量子熱學(xué)。該工作被《美國科大學(xué)院報》審稿人評論為"是一個將量子芝諾效應(yīng)用于通訊的新奇實現(xiàn)()"以及"特別有趣且及時(mely)"。該工作遭到了德國數(shù)學(xué)學(xué)會網(wǎng)站、《科學(xué)日本人》、物理學(xué)家組織網(wǎng)（Phys.Org.）等國際權(quán)威媒體的專題報導(dǎo)。
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、教育部和中國科大學(xué)的支持。
圖2實驗裝置
圖3100×100象素中國結(jié)圖片的傳輸結(jié)果
相關(guān)鏈接：
借助量子芝諾效應(yīng)實現(xiàn)反事實直接量子通訊論文：
美國數(shù)學(xué)學(xué)會報導(dǎo)：
化學(xué)學(xué)家組織網(wǎng)報導(dǎo)：
拓展閱讀：量子芝諾效應(yīng)
提及量子芝諾效應(yīng)，就要從古埃及知名的哲學(xué)家和物理家芝諾（Zeno）說起。他一生中提出過許多關(guān)于運動的不可分性的哲學(xué)悖論，其中最為知名的一個便是“飛矢不動”悖論。這個悖論是說，一支在空中飛行的箭，雖然是不動的。由于箭在每一個頓時的時刻都應(yīng)當(dāng)是靜置的，這么無數(shù)個靜置的組合還應(yīng)當(dāng)是靜置。這個推論在精典世界里似乎是不創(chuàng)立的，是邏輯上的悖論。芝諾的這個悖論在精典熱學(xué)框架里雖然是愚蠢的，但在量子熱學(xué)里，它是可能的。為了記念那位古埃及哲學(xué)家，在微觀量子體系中，我們把該效應(yīng)稱為“量子芝諾效應(yīng)”。有一個很形象但并不完全確切的事例來比喻“量子芝諾效應(yīng)”：一個人打算睡著，假如對面另一個人不斷尋問其是否睡著了，這么可以想像，打算睡著的人便總也睡不著了。這顯然是在形容假如一個化學(xué)系統(tǒng)被連續(xù)不斷的觀測，這么它將不再繼續(xù)演變。
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