反事實直接量子通信

反事實直接量子通信，是指通訊雙方之間不存在粒子（光子、電子）的傳輸，導致竊聽者根本無從截獲傳遞的信息。2017年5月，中國科學技術大學潘建偉等首次實現反事實直接量子通信。

基本信息

• 中文名：反事實直接量子通信

• 首次提出：M. Suhail Zubairy小組
• 首次提出時間：2013年
• 首次實現時間：2017年5月

由來

2013年，國際著名量子光學專家M.SuhailZubairy小組提出一個與人們日常生活中形成的直觀認識相悖的“反事實直接量子通信”方案——沒有實物粒子的交換，也可以實現信息的傳遞。不過，在Zubairy的方案中，要求有無窮多個干涉儀，這顯然是不可能實現的。

原理

圖 1 無相互作用測量示意圖

反事實直接量子通信，本質上是光的“波粒二象性”的集中體現。該方案最初的靈感來自於1993年提出的“炸彈測試模型”。如圖1所示，在干涉儀的下臂中可能放有一個非常敏感的炸彈，即使只有一個光子遇到它，也會被其吸收並引發爆炸。為了探測炸彈是否存在，可以從A端向干涉儀中發射一個光子。如果炸彈不存在，由於干涉，光子將一定從連線埠C離開；如果炸彈存在，則光子要么通過下臂被炸彈吸收，要么通過上臂，並以相同的機率從連線埠C或D離開。因此綜合來看，如果最終在連線埠D探測到一個光子，那么炸彈一定存在於干涉儀中。值得注意的是，這裡我們只發射了一個光子，如果這個光子在連線埠D被探測到，那么它一定沒有通過干涉儀的下臂，然而我們卻得到了炸彈存在的信息。這在後來被稱為“無相互作用測量（interaction-freemeasurement）”。在此基礎上，再利用量子芝諾效應（quantumZenoeffect），可以大大提升上述無相互作用測量的成功率。

圖 2 實驗裝置

具體到反事實直接量子通信的物理實現，最核心的結構是嵌套、級聯的干涉儀。Bob根據他需要傳輸的信息來編碼，通過嵌套的量子芝諾效應，Alice可以利用類似於“無相互作用測量”的方式完整地獲知Bob的信息，並且在這個過程中沒有任何光子在Alice和Bob之間傳輸。Zubairy等人的原始方案要求有無窮多個干涉儀，這顯然是不可能實現的。潘建偉團隊通過對原始方案的仔細分析和改進，使得反事實直接量子通信得以實現。一方面，通過使用可預報單光子源和後選擇，在較少的干涉儀數目下也可以得到完全的反事實性；另一方面，用被動篩選光子到達時間的策略替代原方案中的高速主動光開關等。整個實驗裝置如圖2所示。

首次實現

圖 3 100×100 像素中國結圖片的傳輸結果

2017年，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、陳宇翱等和清華大學馬雄峰合作，在國際上首次實驗實現了反事實直接量子通信，在實驗中演示了圖像的反事實傳輸，相關成果以“DirectcounterfactualcommunicationviaquantumZenoeffect”為題，發表在國際權威學術期刊《美國科學院院報》上[PNAS114,4920(2017)]。研究團隊實現了技術突破，使用先進的相位穩定技術，首次實現了複雜的嵌套、級聯的單光子干涉儀，並成功傳輸了一張100×100像素的中國結圖片，傳輸正確率達到了87%，如圖3所示。該方案還可以進一步發展，用於無相互作用成像等領域。