中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長潘建偉及其朋友彭承志、陳宇翱等與復(fù)旦學(xué)院馬雄峰合作，在國際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了反事實(shí)直接量子通訊，在實(shí)驗(yàn)中演示了圖象的反事實(shí)傳輸，相關(guān)成果近期發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《美國科大學(xué)院報(bào)》上。
根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)，任何信息傳輸都須要通過實(shí)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(shí)直接量子通訊”方案表明，雖然通訊雙方（假設(shè)為Bob和Alice）之間沒有實(shí)物粒子的交換，也可以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。這與人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的直觀認(rèn)識脫節(jié)，即所謂“反事實(shí)”。
反事實(shí)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”。MZ干涉儀有兩個(gè)入口記為A和B，兩個(gè)出口記為C和D人類首次實(shí)現(xiàn)量子通訊，有上下雙腳。假如下臂中可能存在一個(gè)特別敏感的炸彈，雖然只有一個(gè)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(gè)光子。假如炸彈不存在人類首次實(shí)現(xiàn)量子通訊，因?yàn)楦缮妫庾訉⒁欢◤亩丝贑離開；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(jī)率從端口C或D離開。為此，假如最終在端口D偵測到一個(gè)光子，這么炸彈一定存在于干涉儀中且一定沒有光子通過炸彈，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
反事實(shí)直接量子通訊的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)，最核心的結(jié)構(gòu)是嵌套和串聯(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)，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，而在此過程中沒有任何光子在她們之間傳輸。
等人的原始方案要求有無窮多個(gè)干涉儀，這也許是不可能實(shí)現(xiàn)的。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過對原始方案的深入剖析和改進(jìn)，致使反事實(shí)直接量子通訊得以實(shí)現(xiàn)。一方面，她們通過使用單光子源，在較少的干涉儀數(shù)量下也可以得到完全的反事實(shí)性；另一方面，用被動篩選光子抵達(dá)時(shí)間的策略，取代原方案中的高速主動光開關(guān)等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，使用先進(jìn)的相位穩(wěn)定技術(shù)，首次實(shí)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象素的中國結(jié)圖片，傳輸正確率達(dá)到了87%，如圖3所示。該方案還可以進(jìn)一步發(fā)展，用于無互相作用成像或極弱光成像等領(lǐng)域。
這項(xiàng)工作是量子通訊領(lǐng)域的全新嘗試，《美國科大學(xué)院報(bào)》審稿人評論“是一個(gè)將量子芝諾效應(yīng)用于通訊的新奇實(shí)現(xiàn)”。美國數(shù)學(xué)學(xué)會網(wǎng)站W(wǎng)orld、《科學(xué)日本人》、物理學(xué)家組織網(wǎng)（Phys.Org.）等國際權(quán)威媒體作了專題報(bào)導(dǎo)。
圖2.實(shí)驗(yàn)裝置
圖3.100×100象素中國結(jié)圖片的傳輸結(jié)果
量子芝諾效應(yīng)
古埃及知名哲學(xué)家和物理家芝諾（Zeno）提出過許多關(guān)于運(yùn)動的不可分性的哲學(xué)悖論，其中最知名的一個(gè)便是“飛矢不動”悖論：一支在空中飛行的箭，雖然是不動的，由于箭在每一個(gè)頓時(shí)都應(yīng)當(dāng)是靜置的，這么無數(shù)個(gè)靜置的組合還應(yīng)當(dāng)是靜置。這個(gè)推論在精典世界里似乎是不創(chuàng)立的，是邏輯上的悖論，但在量子熱學(xué)里是可能的。為了記念那位哲學(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(gè)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(gè)人打算睡著，假如對面另一個(gè)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。這顯然是在形容假如一個(gè)數(shù)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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