潘建伟等首次实现反事实直接量子通信

中国科技大学的潘剑伟教授和他的同事、陈玉傲、清华大学的马在世界上首次合作实现了反事实直接量子通信，在实验中演示了图像的反事实传输。相关结果最近发表在国际权威学术期刊《美国科学院院刊》上，标题为“直接反事实交流方式的影响”

图1无交互测量示意图

具体到反事实直接量子通信的物理实现，核心结构是嵌套和级联干涉仪。鲍勃是根据他需要传输的信息编码的。通过嵌套量子芝诺效应，爱丽丝可以以类似于“无相互作用测量”的方式完全获得鲍勃的信息，并且在此过程中没有光子在爱丽丝和鲍勃之间传输。Zubairy等人最初的计划需要无限数量的干涉仪，这显然是不可能实现的。通过对原方案的仔细分析和改进，潘剑伟团队实现了反事实直接量子通信。一方面，通过使用可预测的单光子源和后选择，可以用较少数量的干涉仪获得完全的反事实；另一方面，采用被动屏蔽光子到达时间的策略来代替原方案中的高速主动光开关。整个实验装置如图2所示。研究团队利用先进的相位稳定技术实现了技术突破，首次实现了复杂的嵌套级联单光子干涉仪，成功传输了100×100像素的中国结图片，传输精度达到87%，如图3所示。该方案可进一步发展并应用于非交互式成像等领域。

这项工作是量子通信领域的新尝试。自最初的理论工作提出以来，学术界对其内在机制的解释一直争论不休。然而，正是这种争论推动了人们对其本质的探索，给了人们对量子力学有更深入理解的机会。《美国科学院院刊》的评论者将这项工作评论为“量子芝诺效应在通信中的一种新的实现方式”(一种量子ZenoeffectToCommunication的应用)，以及“非常有趣和及时”。这项工作得到了国际权威媒体的特别报道，如物理世界、科学美国人和物理组织网络。

上述研究得到了国家自然科学基金、科技部、教育部和中国科学院的支持。

图2实验装置

图3100×100像素中国结图片传输结果

(合肥国家微尺度材料科学实验室，物理研究所，量子信息与量子科学高级创新中心，研究部)

相关链接:

利用量子芝诺效应实现反事实直接量子通信；

http://www.pnas.org/content/114/19/4920

英国物理学会物理世界:

http://physics world . com/CWS/article/news/2017/may/18/particle-free-quantum-communication-is-implemented-in-the-lab

物理学家组织网络报告:

https://phys.org/news/2017-05-counterfactual-quantum.html

扩展阅读:量子芝诺效应

提到量子芝诺效应始于著名的古希腊哲学家和数学家芝诺。他一生中提出了许多关于运动不可分割性的哲学悖论，其中最著名的是“飞箭不动”的悖论。矛盾的是，在空中飞行的箭实际上是不动的。因为箭头应该在每一瞬间都是静止的，所以许多静止的组合也应该是静止的。这个结论在古典世界中显然是站不住脚的，而且是一个逻辑悖论。在经典力学的框架下，芝诺悖论似乎很荒谬，但在量子力学中却是可能的。为了纪念这位古希腊哲学家，我们称这种效应为微观量子系统中的“量子芝诺效应”。有一个生动但不完全准确的例子来描述“量子芝诺效应”:如果一个人准备好睡觉，而他旁边的另一个人不停地问他是否睡着了，可以想象那些准备好睡觉的人将永远无法入睡。这实际上是描述如果一个物理系统被持续观察，它将不会继续进化。