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空天松鼠

中国实现人类首次反事实通信,反常烧脑的保密黑科技

2017-05-20空天松鼠86评

美国科学院院刊刊发了中国科学家基于量子芝诺效应的反事实通信论文

5月美国科学院院刊PNAS网站发布了中国科学家实现反事实量子通信的论文,据称中国科学家在不发送和交换微观粒子的条件下,实现传送一幅中国结的黑白位图,这是人类首次反事实通信实验!神秘的量子力学,不发送粒子居然就能传递信息,这实在很违背我们的常识,反事实(counterfactual)之名果然名不虚传。

微观量子的很多特性反直觉,却通过了试验验证,人们发挥演绎的神乎其神并不意外

量子力学的很多结论都违背我们的常识,但却又得到实验的证实,遍布公式的天书让人敬而远之,而神奇的事实却让人趋之若鹜。对于中国人率先实现,说起来就拗口却又神秘的反事实量子通信,一时间互联网上纷纷涌现各种高大上的神奇解释。首当其冲的就是超光速的实时通信:火星上可以和地球实时通信了,银河另一端也可以通电话了!其次是看到不发送粒子的描述,理解为无需通信信道:中南海可以和全球的核潜艇通信了!不过很遗憾,这些科幻梦想都并非事实,反事实量子通信既无法做到超光速通信无视距离联通你我,也不是穿墙有术的崂山道士。

双缝实验证明了光的波动性,对于单光子来说,同样可以形成干涉条纹

我们知道光既具有粒子性也有波动性,中国科学家最先实现的反事实量子通信,利用的就是光的波动性。光波也是一种概率波,双缝干涉就是这种波动性的体现,人们发现不仅一束光有这样的波动性,即使是一个光子也能产生干涉现象,这实在很奇妙,光子难道是和自己干涉么?的确如此,哪怕一个光子,双缝干涉中它也能以波的形式同时从两个狭缝中穿过,而且从任意一个穿过去的概率都是50%。反事实量子通信中也是如此,它的本质是通过光波的概率传输特性来传送信息。

E-V炸弹试验:经过上方光路的光子,却检测到下方B处有没有炸弹,这就是反事实通信的雏形

1993年以色列物理学家Avshalom Elitzur和Lev Vaidman联合发表论文《量子力学的无相互作用测量》,为反事实量子通信开辟了道路。两位科学家提出了Elitzur-Vaidman炸弹实验的难题:面对单光子就能引爆的炸弹,如何在不引爆它的情况下完成检测呢?两位以色列科学家的奇思妙想如下:A处是一个单光子光源,单光子经过一个分光镜后,各有50%的几率走上方或是下方的光路。经过上下方的反射镜后,光子在对角位置的第二个分光镜处产生干涉。如果B位置没有炸弹,那么光子肯定会被C处的探测器探测到,反之C和D处的探测器各有50%的几率探测到光子。简而言之,D处检测到光子证明肯定B处有炸弹!我们再进一步推理:如果B处有炸弹,那么50%的可能性是光子从下方光路走,直接引爆炸弹,有50%的可能性是从光子上方光路走,炸弹安然无恙,然后光子又分别有50%的可能性各自从C和D处出现。

聪明的读者肯定会发现一个神奇的事实:光子没有直接接触引爆炸弹,但检测者有25%(50%X50%)的可能性知道B处有没有炸弹,真是好玩! Elitzur-Vaidman炸弹实验中通过重复这样的过程,检测概率可以达到33%(1/3),而通过更精心的设计和多次重复,概率可以趋近于100%,这就可以用来传递信息了啊!这就是反事实量子通信的基本原理,对基本的Elitzur-Vaidman炸弹实验进行改进,可以做到有炸弹时光子从炸弹光路上经过的概率趋近于0,但是我们仍然可以检测到炸弹。

单层无相互作用测量还要传输光子,嵌套双层(右侧)就是反事实量子通信了

细心的读者肯定要抗议:不对啊,你这么干倒是安检无敌了,但是没炸弹时光子不还要经过下方光路么?我看潘院士他们的论文,明明白白说的是没有传输粒子! 怎么做到没有粒子传输的呢?其实原理也不复杂:既然可以做到有炸弹时光子从那条光路上经过的概率趋近于0,那我们外边再嵌套一层无相互作用测量装置,让没有炸弹时光子从炸弹处经过的概率也趋近于0不就行了。这样有没有炸弹,光子从要检测的光路上经过的概率都趋近于0,却可以实现炸弹检测。

论文原理图,Bob用是否插入反射镜(Mirror)发送一位0/1数据,通信超光速是白日梦

反事实量子通信的实现中,当然不会用单光子炸弹,而是把思想实验中的炸弹换成对方(Bob)光纤上的一个反射镜开关,对方通过插入或移除反射镜表示通过或阻塞(相当于有没有炸弹),以此表示要传递的一位0/1数据,我方(Alice)通过检测光子从哪里出现,判断对方想要传输的是0还是1。我们来看论文的意义图,这是一套双层嵌套的无作用测量通信设计,BSm是外层BSn是内层,实验中m=4同时n=2,当Bob方反射镜插入时,存在三条光路:只经过Alice的R1,R2光路和经过Bob的R3光路,三条光路长度相等;当Bob方反射镜移除时(相当于有炸弹),不存在R3光路。如果Alice方从D0端检测到光子,那么Bob方的反射镜是存在的,反之如果Alice从D1端检测到光子,说明反射镜被移除,这样Alice就获得了Bob方想要传递的信息。

反事实量子通信论文中的概述图,虽然没光子传递,但Alice和bob之间必须有连续光路,潜艇可没法用

信息是传过来了,那么为什么说没传输粒子呢?通过D0和D1端是否有光子,信息从Bob那里传输到Alice这里,但通过设计光子却几乎不走经过Bob的R3光路。实验中存在BSm这一外层无相互作用测量装置,m值越大光子走R3光路的可能性越小,每个内层测量装置BSn中都有一个Df端,对经过R3光路的光子再进行一次“过滤”。m乘以n次循环后,光子走过R3光路的可能性就微乎其微了。简单地说,就是绝大部分光子只在Alice一方的R1和R2光路上走,没有经过Bob一方的R3光路,但却传来Bob方的信息,如果m乘以n的循环次数足够多,光子经过Bob方的概率将趋近于0,但信息仍然可以传过来,所以说是不发送(其实还是有光子经过的,只不过极限是0)任何物理粒子的反事实量子通信实验。

论文中提到这个简单的中国结,就传了几个小时,前景虽好前途无期啊

综上所述,所谓的反事实量子通信实验不涉及什么量子纠缠或是超距传输的,也仍然需要传统的通信信道比如光纤,这肯定要让科幻谜们大失所望了。那它有什么用呢?实验中A方和B方之间几乎没有光子经过,但仍然进行了通信,这意味着即使有某个非常隐蔽的间谍有效的监听A和B之间的光缆,也无法获得传递的信息。反事实量子通信实际上是一种高度保密的通信技术,在军事上大有用武之地,不过这项技术还处于实验室的早期研究阶段,距离实用还遥遥无期。我国科学家发表的论文提到,这次实验传输一幅100X100像素的黑白中国结图片,但由于单光子的丢失现象十分严重,每一位数据都可能需要发射多个单光子,最终这个简单的中国结图片就耗费了几个小时,而Alice和Bob两方距离只不过是50厘米。前途是光明的,道路是曲折的,但还是期待它早日成熟实用的那一天。

本文来自腾讯新闻客户端自媒体,不代表腾讯新闻的观点和立场

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