实验室中实现无光子通信

四年前，理论物理学家提出了一个引人注目的量子通信方法：它不需要传输任何实体物理粒子。该方法曾受到了广泛的质疑，目前，来自中国的一批物理学家声称已经证实了该理论的正确性。该研究团队制造了一种光学设备，它可以在（几乎）没有光子传播的过程中传输简单的图像。

美国德州农工大学（TAMU）的科学家和沙特阿拉伯的阿布杜拉齐兹国王科技城（KACST）为该理论提出了建议。无光子通信是一种基于波粒二象性的物理现象。具体来说，它通过折叠光子的波函数，推测出干涉仪臂是否被阻断——尽管它与光子没有直接的物理接触。这现象还依赖于所谓的量子芝诺效应，该效应证明了对一个粒子进行一系列的弱测量将阻碍该粒子的量子力学演化，甚至几乎使其保持在初始状态。

量子通信协议由Alice和Bob两个“人”定义，Bob负责发送消息。Alice在一系列干涉仪上发射单个光子，这些光子由一系列分束镜和反射镜产生。在干涉仪的输出端，光子最终被Alice监测的两个探测器之一接收。同时，Bob可以选择是否打开每个干涉仪右臂上的测量设备。

左还是右

如果Bob打开他的设备，他会强制由Alice注入的光子遵循一个确定的路径——通过每个干涉仪的左臂或者右臂。但是由于分束镜的反射率极高，并且光子总是被反射到左边，所以由于量子芝诺效应，Bob使得光子在穿过干涉仪时始终保持在左臂中，并且触发了Alice右侧的探测器。但是如果Bob关闭了设备，光子的波函数就可以演化，那么光子就会出现在左边的探测器中。

有趣的是，这样Alice就知道了Bob的决定——无论是否打开设备——即使没有光子通过探测器。在任何情况下，Bob的设备都不会与光子相互作用。因此，Bob可以通过使用状态“开”和“关”来表示二进制代码的1和0，以此将信息发送给Alice，尽管他没有向Alice发送物理粒子。

由德州农工大学的Suhail Zubairy领导的TAMU-KACST研究团队提出的这一通信协议实际上比上述的过程稍微复杂一些。它涉及在每个现有干涉仪的右臂中增加一个额外的干涉仪。这样做是为了确保Alice和Bob之间的通信渠道中不会存在任何光子。

“窃听者”的夜晚

这个解释显然不能说服所有人。Zubairy及其同事们在《物理评论快报》杂志上刊登了他们的研究之后，以色列特拉维夫大学的Lev Vaidman发表了一篇评论，认为光子在Bob打开设备之前不会通过Alice和Bob之间。Vaidman认为，在Bob关闭设备的时候，实际上会显示出光子的存在。他们还认为，Zubairy的团队对光子测量应用了一种“天真”的传统方法，这种错觉可能会导致信息传输的泄露。

中国科学技术大学的潘建伟教授在与其研究团队商讨后，也提出了一个试验方案对这个设想进行验证。正如他们发表在美国国家科学院院刊的论文中所指出的那样，完整的设计方案将需要无限数量的干涉仪，这显然是不实际的。因此，他们使用了简化的设计——只需使用两个干涉仪（分别用于内部和外部），并且通过使用纳秒时序和相位稳定技术将每个光子来回发送多次。

潘建伟教授及其同事发送了一张100×100比特的中国结图案的单色位图。在经历了五个小时的多次传输后（为了克服信道丢失），研究人员终于能够清晰地再现图像，并成功将87%的位值数据正确的传输了。将这个数字与通过信道泄露的光子仅有的1.4％相比，——于是他们得出结论，他们确实传输成功了。换句话说，传输的绝大多数数据与任何物理粒子的传输都没有关联。

精致的成像“艺术”

尽管中国研究人员取得了积极的成果，但他们仍表示有必要进行下一步的实验的。他们认为接下来的测试可能是测量每个内部干涉仪的输出，以确定光子是否确实通过信道泄漏了。研究人员没有明确地讨论在这些工作背后开发实用的超安全通信方案的可能性，但他们确实提出了利用该技术成像的可能性。他们认为，借助于将数据反向发送到相机的光学开关阵列，该技术可以十分方便地对不能直接暴露于光线的古老艺术品成像。

至于在Bob和Alice之间传输信息的到底是什么，仍然是一个悬而未决的问题。 KACST的Hatim Salih是该论文的主要作者，他相信主要原因是光子的波动。因此他认为，这项研究有助于解决物理学家关于波动现象的数十年辩论，那就是光的波动是真实存在的。

来源： http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/may/18/particle-free-quantum-communication-is-achieved-in-the-lab

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