中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等和清華大學(xué)馬雄峰合作，在國際上首次實驗實現(xiàn)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(guān)成果以Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect 為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》上[PNAS 114, 4920 (2017)]。

以日常生活的經(jīng)驗，任何信息的傳輸都需要通過實物載體，如信件、電磁波等。然而，國際著名量子光學(xué)專家M. Suhail Zubairy小組2013年提出的反事實直接量子通信方案表明，即使在通信雙方Alice和Bob之間沒有實物粒子的交換，也可以實現(xiàn)信息的傳遞。這里“反”的就是人們?nèi)粘Ｉ钪行纬傻闹庇^認(rèn)識。

反事實直接量子通信，本質(zhì)上是光的“波粒二象性”的集中體現(xiàn)。該方案最初的靈感來自于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，也會被其吸收并引發(fā)爆炸。為了探測炸彈是否存在，可以從A端向干涉儀中發(fā)射一個光子。如果炸彈不存在，由于干涉，光子將一定從端口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，并以相同的概率從端口C或D離開。因此綜合來看，如果最終在端口D探測到一個光子，那么炸彈一定存在于干涉儀中。值得注意的是，這里只發(fā)射了一個光子，如果這個光子在端口D被探測到，那么它一定沒有通過干涉儀的下臂，然而卻得到了炸彈存在的信息。這在后來被稱為“無相互作用測量”（interaction-free measurement）。在此基礎(chǔ)上，再利用量子芝諾效應(yīng)（quantum Zeno effect），可以大大提升上述無相互作用測量的成功率。

具體到反事實直接量子通信的物理實現(xiàn)，最核心的結(jié)構(gòu)是嵌套、級聯(lián)的干涉儀。Bob根據(jù)他需要傳輸?shù)男畔砭幋a，通過嵌套的量子芝諾效應(yīng)，Alice可以利用類似于“無相互作用測量”的方式完整地獲知Bob的信息，并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(xiàn)的。潘建偉團隊通過對原始方案的仔細(xì)分析和改進，使得反事實直接量子通信得以實現(xiàn)。一方面，通過使用可預(yù)報單光子源和后選擇，在較少的干涉儀數(shù)目下也可以得到完全的反事實性；另一方面，研究人員用被動篩選光子到達時間的策略替代了原方案中的高速主動光開關(guān)等。研究團隊實現(xiàn)了技術(shù)突破，使用先進的相位穩(wěn)定技術(shù)，首次實現(xiàn)了復(fù)雜的嵌套、級聯(lián)的單光子干涉儀，并成功傳輸了一張100×100像素的中國結(jié)圖片，傳輸正確率達到了87%。該方案還可以進一步發(fā)展，用于無相互作用成像等領(lǐng)域。

這項工作是量子通信領(lǐng)域的全新嘗試。自最初的理論工作提出以來，在對其內(nèi)在機理的解釋方面引起了學(xué)術(shù)界不小的爭論。然而，正是這樣的爭論，推進了人們對其本質(zhì)的探索，使得人們有機會更深入理解量子力學(xué)。該工作被審稿人評論為“是一個將量子芝諾效應(yīng)用于通信的新奇實現(xiàn)”以及“非常有趣且及時”。該工作受到了英國物理學(xué)會網(wǎng)站Physics World、《科學(xué)美國人》等國際權(quán)威媒體的專題報道。

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、教育部和中科院的支持。

拓展閱讀：量子芝諾效應(yīng)

提到量子芝諾效應(yīng)，就要從古希臘著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家芝諾（Zeno）說起。他一生中提出過許多關(guān)于運動的不可分性的哲學(xué)悖論，其中最為著名的一個便是“飛矢不動”悖論。這個悖論是說，一支在空中飛行的箭，其實是不動的。因為箭在每一個瞬間的時刻都應(yīng)該是靜置的，那么無數(shù)個靜置的組合還應(yīng)該是靜置。這個結(jié)論在經(jīng)典世界里顯然是不成立的，是邏輯上的悖論。芝諾的這個悖論在經(jīng)典力學(xué)框架里似乎是荒謬的，但在量子力學(xué)里，它是可能的。為了紀(jì)念這位古希臘哲學(xué)家，在微觀量子體系中把該效應(yīng)稱為“量子芝諾效應(yīng)”。有一個很形象但并不完全準(zhǔn)確的例子來比喻“量子芝諾效應(yīng)”：一個人準(zhǔn)備睡覺，如果旁邊另一個人不斷詢問其是否睡著了，那么可以想象，準(zhǔn)備睡覺的人便總也睡不著了。這其實是在形容如果一個物理系統(tǒng)被連續(xù)不斷地觀測，那么它將不再繼續(xù)演化。

圖1、無相互作用測量示意圖

圖2、實驗裝置

圖3、100×100像素中國結(jié)圖片的傳輸結(jié)果