漫画 | 中国科学家首次实现不传输任何实体物质的“反事实通信”

电影《三体》上映后的一天，三体突然出现了。他们用宇宙飞船包围了地球，并监测地球发送到宇宙的所有信息。

地球人通过一墙一墙的计划选择了物理学家墨子。墨子声称他可以向宇宙发送信息，而不会被三合会监控。

只有墨子花了10万亿美元建造了一块巨大的黑色石碑。

石碑建成后，墨子下令将石碑放下。

碑立后，墨子下令立碑。

......

这样反复了好几年，三个人都累了。但是他们没有检测到任何物质粒子的传播。

但是突然有一天，几束激光飞进了太阳系，瞬间摧毁了所有的三人宇宙飞船。地球恢复了和平。

获救的地球人既兴奋又好奇。他们都围着墨子问问题。他们希望能马上进入物理系！

什么是反事实沟通？故事从物质的本质开始。

光是粒子还是波？在以前的物理学家眼里，粒子和波是两种完全不同的东西。例如，如果你试图将材料切割成更小的碎片，你最终会得到许多组成材料的颗粒。如果你把一块石头扔进池塘，水中的波浪就是波浪。

然后问题出现了，我们看到的光是日常粒子还是波？在这个问题上，以前的物理学家主要分为两组。一些人认为光是粒子，而另一些人坚持认为光是波。

光粒子或波也是如此吗？两党已经为此争吵了至少200年了！

公平地说，波动派和粒子派都有自己的理由。每个派别都可以提出许多实验证据。

进入20世纪后，物理学家逐渐发展了量子力学。量子力学的创始人之一爱因斯坦也加入了这场战斗！

这一次，他第一次没有打在牛顿的脸上。相反，他为牛顿的粒子学派说了一句好话，证明光是由基本粒子组成的。

然而，爱因斯坦并没有完全否认波派的观点。他还强调，光真的像波浪！

后来，在德布罗意和玻恩等量子力学创始人的一些理论创新之后，物理学家终于将波和粒子这两个概念联系起来。原来，它不仅是光，所有的物质粒子都和光一样，具有粒子和波的双重性质，称为“波粒二象性”。然而，这里的波不是传统的机械波，如水波和声波，而是一种“概率波”。

光子及其概率波为了理解什么是概率波，让我们先来看看波和粒子的区别。

如果我们有网球发射器。在网球进行到一半的时候放一个挡板，在挡板中间开两个缝隙，然后在缝隙后面放一个屏幕。你会发现一些网球会被挡板挡住，而一些网球会穿过狭缝并击中屏幕，形成两条与狭缝相对应的条纹。

然而，如果最初的发射不是粒子而是水波，你会发现水波在通过两个狭缝的瞬间变成了两个子波，两个子波的波峰和波谷相互接触时会加强，波峰和波谷相互接触时会偏移。当它们扩散到屏幕上时，一些区域被加强，一些区域被削弱，形成一系列强弱交替的干涉条纹。

现在，让我们在显微镜下再做一次这个实验。如果我们既不发射网球也不发射水波，而是发射光子和电子这样的“波粒二象性”怪胎，结果将会是非常出乎意料的。当你发射第一个光子时，屏幕上会出现一个亮点。看来光子确实是一个粒子。

然而，如果你连续发射光子(一次只发射一个)，在积累了一定数量后，你会发现光子不会像网球一样在屏幕上形成两条与狭缝相对应的条纹，而是像水波一样形成一系列强弱交替的条纹！

所以你看，光子撞击屏幕，形成一个亮点，而不是条纹，这表明光子是粒子。

另一方面，在许多光子撞击屏幕后，它们形成像水波一样的条纹，这表明光子是另一种波。波纹强的地方表示光子落在这里的概率很大，波纹弱的地方表示光子落在这里的概率很小。因此，我们可以将对应于光子的波理解为描述光子出现概率的波！

在量子力学的眼中，对应于光子的概率波严重违背了日常生活的直觉！例如，这种波无处不在，并将充满整个宇宙！即使概率波的大小在某处等于零，它仍然存在！

因此，一些物理学家即将打开他们的大脑(请注意！)，假设在一个地方，光子出现的概率等于0；如果物理学家在那个地方放置一个障碍物(比如挡板或镜子)，会发生什么？

首先，根据物理学家的计算，虽然光子出现在那里的概率等于0，概率波的大小等于0，但概率波仍然穿过那个地方。当我们放入障碍物时，障碍物将阻挡概率波传播的路径，这将导致概率波的强度分布发生变化，最终导致光子出现在屏幕上不同位置的概率发生变化！

其次，虽然障碍物会导致屏幕上不同地方的概率波大小发生变化，但如果实验设计特别巧妙，使得障碍物只影响其他地方的概率波大小，而不影响障碍物附近的概率波大小(仍然为0)，那么情况将会很严重！

也就是说，物理学家可以设计一个实验方案，使光子不会出现在障碍物附近，不管是否存在障碍物。然而，光子在屏幕上显示的干涉条纹的形状可以告诉我们是否存在障碍物。

那么，这种奇怪的实验有什么用？

与“什么都没发生”的通信智能物理学家继续打开大脑漏洞！他们设想利用这种“什么也没发生”(光子没有遇到障碍)，信息也可以在两个人之间传递(障碍存在或不存在)！

2013年，著名理论物理学家祖巴里的团队在前人研究的基础上，提出了一个实现这个大脑空洞的绝妙实验方案。

在下面的装置中，有许多半透明的玻璃板。当光子照射在它上面时，半透明的玻璃片会让光子以一定的概率通过，也会以一定的概率反射光子(这与你的玻璃片非常相似)。通过搭建一堆这样的玻璃片(称为分束器)和一堆全反射镜，祖巴里的团队将实验装置分成了两部分:甲部分和乙部分

实验开始后，光子将从顶部发射器开始，最后由底部的两个探测器D0和D1接收。在发射器和接收器之间，每条可能的路径对应一个光子概率波。然而，由于概率波会相互重叠和抵消，在祖巴里团队的巧妙设计之后，实验装置的B部分中的概率波几乎都被抵消了。如果有无限组这样的实验装置，那么b部分的概率波将完全等于0！

此时，如果b部分中的人员允许概率波通过，则整套设备中的概率波将以某种方式相互叠加和抵消，导致所有光子都进入检测器D0。

如果b部分的人在中途设置了无限多的障碍物，并阻止了一些概率波(尽管这部分概率波的振幅等于0)，剩余的概率波将以另一种方式重叠并相互抵消，从而导致另一个结果，最终所有的光子都将进入D1探测器。

结果，祖巴里的团队得到了这样一个神奇的结果:不管B是否放置了障碍物，光子都不会穿过那条路。然而，只要甲发射出一个光子，然后看看D0或D1是否接收到这个光子，他就能推断出乙是否在中途放置了一个障碍物！

也就是说，在A和B之间没有粒子通过。它们成功地将信息从B传输到A(障碍不存在/不存在)，只是通过“什么没有发生”(光子没有通过B的区域/没有被B的区域中的障碍阻挡)。

所发生的是事实，这在英语中被称为事实。但是“什么没有发生”是事实的反面，所以彭罗斯称这种沟通方式为反事实沟通！

潘剑伟团队首次实现直接反事实通信2017年，中国科技大学潘剑伟教授与同事、陈玉傲、清华大学马在世界上首次合作实现直接反事实量子通信。他们设计了一个更精巧的装置，并优化了方案。这是多级嵌套光路。

光子通过B的概率并不严格等于0，因为实验装置不能实现无限组效应。鉴于这种情况，实验小组使用了一个非常好的单光子源作为光源，以确保一次只发射一个光子。

实验中有两个成功的沟通场景:

如果D0接收到光子，通信成功。光子的不通过的部分被反转(光的可能路径是在P1传输，然后到达镜子反射)。这种情况记为位0。如果D1收到一个光子，通信就成功了。a将反转未穿过B的光子部分(在被B的装置操纵后，光的可能路径在P1被反射并离开B部分而没有到达镜子)。这种情况记为位1。因为A一次只发射一个光子，当她的探测器D0或D1探测到这个光子时，这个光子一定不能通过B。换句话说，当进行反事实通信时，只要A接收到光子，就意味着它们确实传输了信息(位0或位1)“什么都没有发生”(光子没有通过B)！

通过该实验装置，他们成功地传输了100×100像素的中国结图片，传输精度达到87%。该实验最近被物理研究所新闻网站《物理世界》选为2017年国际物理学十大突破之一。

反事实的直接交流实验挑战了普通人的常识。尽管许多物理学家每天都在处理概率波，但他们总是认为概率波是一种数学假设，是为了便于计算而引入的，并不是真实的。然而，反事实通信方案的支持者之一、祖拜里团队的成员萨利赫解释说，“我认为(潘剑伟团队的)这个实验支持量子波函数(我注意到:概率波)是一个真实的实体:如果光子不传输信息，那么在这个实验中到底是什么在传输信息？”