不传输粒子实现量子通信科学家完成“天方夜谭”实验_PG电子平台

本文摘要:研究团队顺利传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率超过了87%。以日常生活的经验,任何信息的传输都必须通过实物载体,如信件、电磁波等,即使是当前较为“火”的量子通信,也必须量子传输。 然而,国际知名量子光学专家M.SuhailZubairy小组却在4年前进了一个脑洞,明确提出一个与人们日常生活中构成的直观了解有违的“反事实必要量子通信”方案,即不必须传输任何粒子,就可以将信息传送过来。听得上去,是不是很匪夷所思?

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研究团队顺利传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率超过了87%。以日常生活的经验,任何信息的传输都必须通过实物载体,如信件、电磁波等,即使是当前较为“火”的量子通信,也必须量子传输。

然而,国际知名量子光学专家M.SuhailZubairy小组却在4年前进了一个脑洞,明确提出一个与人们日常生活中构成的直观了解有违的“反事实必要量子通信”方案,即不必须传输任何粒子,就可以将信息传送过来。听得上去,是不是很匪夷所思?出人意料的是,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱等与清华大学马雄峰合作,已完成了这个“天方夜谭”式的实验,把匪夷所思变为了科学现实。实验室中的通信双方之间没实物粒子的互相交换,顺利传送了图像信息。

论文成果以《利用量子芝诺效应构建必要反事实量子通信》为题公开发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上。量子芝诺效应的名字来自古希腊数学家芝诺明确提出的“飞矢不动”悖论。这个悖论说道,一支在空中飞行中的箭,只不过是一动的。

因为箭在每一个瞬间的时刻都应当是惯性的,那么无数个惯性的人组还应当是惯性。这个结论在经典世界里似乎是不正式成立的,是逻辑上的悖论。但在量子力学里,如果一个不稳定的量子系统被连续不断的观测,其状态就不会被失效为一个定态,会随时间向其他的态进化。这即是“量子芝诺效应”。

有一个很形象但并不几乎精确的例子来比喻“量子芝诺效应”:一个人打算睡,如果旁边另一个人大大告知其否睡觉了,那么可以想象,打算睡的人之后总也睡不着了。量子芝诺效应是鼓吹事实量子通信的基础。

反事实量子通信是指通信双方之间不必须任何量子或者经典粒子的传送才可构建量子态的传送。为了保证这一过程,通信双方之间还必须创建一条量子信道,粒子经过此信道传输的几率仍然维持非常低。

如果信道中检测到有粒子通过,就必须弃置这个结果,新的创建或者发送到一个新的系统。研究人员必须布置一系列嵌套的光学干涉仪,以构建这种传输方式。理论物理学家明确提出的“反事实必要量子通信”的完整方案拒绝有无穷多个干涉仪,这在现实科学实验中似乎是不有可能的,这也是实验物理学家开始指出不有可能构建的原因。

潘建伟团队通过对完整方案的仔细分析和改良,使得反事实必要量子通信以求构建。一方面,通过用于单光子源,在较多的干涉仪数目下也可以获得几乎的反事实性;另一方面,用被动检验光子抵达时间的策略替代原方案中的高速主动光电源等。研究团队构建了技术突破,用于先进设备的振幅平稳技术,首次构建了简单的嵌套、和串联的单光子干涉仪,并顺利传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率超过了87%。

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相比之下,我们所理解的常规的量子通信,即量子隐形传态,某种程度依然必须粒子的传输。量子隐形传态基于量子的纠结特性,纠结态的量子首先是在一起制取出来,然后分别传输到两端,它们的通信才开始。另外,虽然粒子可以在远距离构建纠结,它们依然必须光子在两个粒子之间传播。而量子反事实传输是基于“光的振幅”展开传输通信方式,这种通信方式之下,透射仍然最重要。

并且由于通信双方之间没粒子的传输,也使得监听也变为无源之水、无本之木。因为这项技术可以利用极为黯淡的光来构建光学,还需要用来对一些薄弱的文物展开光学,不利于文物的维护和研究。这项工作是量子通信领域的全新尝试。潘建伟团队的探寻,使得人们有机会更加了解地解读量子力学。

该工作被《美国科学院院报》的审稿人评论为“是一个将量子芝诺效应用作通信的新奇构建”以及“十分有意思且及时”。该工作受到了英国物理学不会网站、《科学美国人》、物理学家网等国际权威媒体的专题报道。

量子芝诺效应的物理说明考虑到一个系统,经过一次测量后获得本次测量的本征态A,测量过后,系统权利进化,可能会进化到另一本征态B,因此在下一次测量来临之前,系统正处于A和B的变换态,且系统正处于B态的概率是随时间线性减少的。在大测量数目和短测量时间的容许下,系统将不会被“失效”到A态。


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