以日常生活的經(jīng)驗(yàn)，任何信息的傳輸都需要通過(guò)實(shí)物載體，如信件、電磁波等，即使是當(dāng)前比較“火”的量子通信，也需要量子傳輸。然而，國(guó)際著名量子光學(xué)專(zhuān)家M. SuhailZubairy小組卻在4年前開(kāi)了一個(gè)腦洞，提出一個(gè)與人們?nèi)粘Ｉ钪行纬傻闹庇^(guān)認(rèn)識(shí)相悖的“反事實(shí)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(tīng)上去，是不是很匪夷所思?
出人意料的是，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等與清華大學(xué)馬雄峰合作，完成了這個(gè)“天方夜譚”式的實(shí)驗(yàn)，把匪夷所思變成了科學(xué)現(xiàn)實(shí)。實(shí)驗(yàn)室中的通信雙方之間沒(méi)有實(shí)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(shí)現(xiàn)直接反事實(shí)量子通信》為題發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》上。
量子芝諾效應(yīng)的名字來(lái)自古希臘數(shù)學(xué)家芝諾提出的“飛矢不動(dòng)”悖論。這個(gè)悖論說(shuō)，一支在空中飛行的箭，其實(shí)是不動(dòng)的。因?yàn)榧诿恳粋€(gè)瞬間的時(shí)刻都應(yīng)該是靜止的，那么無(wú)數(shù)個(gè)靜止的組合還應(yīng)該是靜止。這個(gè)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(xué)里，如果一個(gè)不穩(wěn)定的量子系統(tǒng)被連續(xù)不斷的觀(guān)測(cè)，其狀態(tài)就會(huì)被凍結(jié)為一個(gè)定態(tài)，不會(huì)隨時(shí)間向其他的態(tài)演化。這即是“量子芝諾效應(yīng)”。有一個(gè)很形象但并不完全準(zhǔn)確的例子來(lái)比喻“量子芝諾效應(yīng)”：一個(gè)人準(zhǔn)備睡覺(jué)，如果旁邊另一個(gè)人不斷詢(xún)問(wèn)其是否睡著了，那么可以想象，準(zhǔn)備睡覺(jué)的人便總也睡不著了。
量子芝諾效應(yīng)是反事實(shí)量子通信的基礎(chǔ)。反事實(shí)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(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳遞。為了確保這一過(guò)程，通信雙方之間還需要建立一條量子信道，粒子經(jīng)過(guò)此信道傳輸?shù)膸茁室恢北３址浅５汀Ｈ绻诺乐袡z測(cè)到有粒子通過(guò)，就需要丟棄這個(gè)結(jié)果，重新建立或者發(fā)送一個(gè)新的系統(tǒng)。研究人員需要布置一系列嵌套的光學(xué)干涉儀，以實(shí)現(xiàn)這種傳輸方式。
理論物理學(xué)家提出的“反事實(shí)直接量子通信”的原始方案要求有無(wú)窮多個(gè)干涉儀，這在現(xiàn)實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中顯然是不可能的，這也是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家開(kāi)始認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的原因。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)原始方案的仔細(xì)分析和改進(jìn)，使得反事實(shí)直接量子通信得以實(shí)現(xiàn)。一方面，通過(guò)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(shí)性;另一方面，用被動(dòng)篩選光子到達(dá)時(shí)間的策略替代原方案中的高速主動(dòng)光開(kāi)關(guān)等。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像素的中國(guó)結(jié)圖片，傳輸正確率達(dá)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(lái)，然后分別傳送到兩端，它們的通信才開(kāi)始。另外，雖然粒子可以在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)糾纏，它們?nèi)匀恍枰庾釉趦蓚€(gè)粒子之間傳播。
而量子反事實(shí)傳輸是基于“光的相位”進(jìn)行傳輸通信方式，這種通信方式之下，光強(qiáng)不再重要。并且由于通信雙方之間沒(méi)有粒子的傳輸，也使得竊聽(tīng)也變成無(wú)源之水、無(wú)本之木。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以利用極其微弱的光來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，還能夠用來(lái)對(duì)一些脆弱的文物進(jìn)行成像，有利于文物的保護(hù)和研究。
這項(xiàng)工作是量子通信領(lǐng)域的全新嘗試。潘建偉團(tuán)隊(duì)的探索，使得人們有機(jī)會(huì)更深入地理解量子力學(xué)。該工作被《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》的審稿人評(píng)論為 “是一個(gè)將量子芝諾效應(yīng)用于通信的新奇實(shí)現(xiàn)”以及 “非常有趣且及時(shí)”。該工作受到了英國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站、《科學(xué)美國(guó)人》、物理學(xué)家網(wǎng)等國(guó)際權(quán)威媒體的專(zhuān)題報(bào)道。
量子芝諾效應(yīng)的物理解釋
考慮一個(gè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一次測(cè)量后得到本次測(cè)量的本征態(tài)A，測(cè)量過(guò)后，系統(tǒng)自由演化，可能會(huì)演化到另一本征態(tài)B，因此在下一次測(cè)量到來(lái)之前，系統(tǒng)處于A和B的疊加態(tài)，且系統(tǒng)處于B態(tài)的概率是隨時(shí)間線(xiàn)性增加的。在大測(cè)量數(shù)目和短測(cè)量時(shí)間的限制下，系統(tǒng)將會(huì)被“凍結(jié)”到A態(tài)。