发布时间:2017-05-25 17:07:30 文章来源:互联网
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    以日常生活的经验,任何信息的传输都需要通过实物载体,如信件、电磁波等。然而,国际著名量子光学专家M.SuhailZubairy小组2013年提出的反事实直接量子通信方案[Phys.Rev.Lett.110,170502(2013)]表明,即使在通信双方Alice和Bob之间没有实物粒子的交换,也可以实现信息的传递。这里“反”的就是人们日常生活中形成的直观认识。
 
    反事实直接量子通信,本质上是光的“波粒二象性”的集中体现。该方案最初的灵感来自于1993年提出的“炸弹测试模型”。如图1所示,在干涉仪的下臂中可能放有一个非常敏感的炸弹,即使只有一个光子遇到它,也会被其吸收并引发爆炸。为了探测炸弹是否存在,可以从A端向干涉仪中发射一个光子。如果炸弹不存在,由于干涉,光子将一定从端口C离开;如果炸弹存在,则光子要么通过下臂被炸弹吸收,要么通过上臂,并以相同的概率从端口C或D离开。因此综合来看,如果最终在端口D探测到一个光子,那么炸弹一定存在于干涉仪中。值得注意的是,这里我们只发射了一个光子,如果这个光子在端口D被探测到,那么它一定没有通过干涉仪的下臂,然而我们却得到了炸弹存在的信息。这在后来被称为“无相互作用测量(interaction-freemeasurement)”。在此基础上,再利用量子芝诺效应(quantumZenoeffect),可以大大提升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
 
    具体到反事实直接量子通信的物理实现,最核心的结构是嵌套、级联的干涉仪。Bob根据他需要传输的信息来编码,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”的方式完整地获知Bob的信息,并且在这个过程中没有任何光子在Alice和Bob之间传输。Zubairy等人的原始方案要求有无穷多个干涉仪,这显然是不可能实现的。潘建伟团队通过对原始方案的仔细分析和改进,使得反事实直接量子通信得以实现。一方面,通过使用可预报单光子源和后选择,在较少的干涉仪数目下也可以得到完全的反事实性;另一方面,用被动筛选光子到达时间的策略替代原方案中的高速主动光开关等。整个实验装置如图2所示。研究团队实现了技术突破,使用先进的相位稳定技术,首次实现了复杂的嵌套、级联的单光子干涉仪,并成功传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率达到了87%,如图3所示。该方案还可以进一步发展,用于无相互作用成像等领域。

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