漫畫 | 中國科學家首次實現(xiàn)不傳輸任何實體物質的“反事實通信”
?這是Sheldon的第68篇漫畫，所有圖片大約3.6MB。
● ● ●
電影《三體》上映后的某一天，
三體人突然降臨。
它們用飛船把地球團團圍住，
監(jiān)視了地球向宇宙發(fā)射的所有信息。
地球人通過面壁計劃，
選出了一位物理學家墨子。
墨子號稱他可以向宇宙中發(fā)送信息，
完全不會被三體人監(jiān)聽到。
只見墨子花了10萬億美金，
建造了一個巨大的黑色石碑。
石碑建好以后，
墨子又下令，
把石碑放倒。
石碑放倒以后，
墨子又下令，
把石碑立起來。
.
.
.
.
.
.
就這樣反復折騰了好幾年，
三體人都看煩了。
可是他們確實沒有偵測到
任何物質粒子的傳輸。
可是突然有一天，
幾個激光光束飛進了太陽系，
瞬間就把三體人的飛船全消滅了。
地球重新獲得了和平。
獲救的地球人又興奮，
又好奇，
他們紛紛圍住墨子問長問短，
恨不能立刻報考物理系！
到底什么是反事實通信呢？
這個故事要從物質的本質說起。
一 光到底是粒子還是波？
在從前的物理學家眼中，粒子和波是兩種完全不同的東西。比方說，努力把物質切開，越切越小，切到最后就會得到一大堆組成物質的粒子。如果往池塘里扔一塊石頭，池水泛起的波瀾就是一種波。
那么問題來了，我們每天都要看到的光到底是粒子還是波呢？在這個問題上，從前的物理學家主要分為兩派。一派人認為光是粒子，另一派人堅持認為光是一種波。
那么光到底是粒子還是波呢？兩派人因為這事至少吵吵了兩百年！
公平地說，波派也好，粒子派也好，他們都有自己的道理，每一派都能提出一大堆實驗證據(jù)。
進入20世紀以后，物理學家漸漸發(fā)展出了量子力學。愛因斯坦也加入了戰(zhàn)斗！
這次他破天荒地沒有打牛頓的臉，而是先幫牛頓的粒子派說了好話，證明說光是由一種基本粒子組成的。
然而，愛因斯坦并沒有完全否定波派的觀點。他同時強調，光確實很像一種波！
后來，經(jīng)過德布羅意和玻恩等量子力學創(chuàng)始人的一番理論創(chuàng)新，物理學家終于把波和粒子這兩個概念聯(lián)系了起來。原來不僅僅是光，所有的物質粒子都跟光一樣，具有粒子和波的雙重性質，叫作“波粒二象性”。只不過，這里的波不是水波、聲波那種傳統(tǒng)意義上的機械波，而是一種“概率波”。
二 光子和它的概率波
為了搞清楚什么叫概率波，讓我們先看一下波和粒子有哪些不同。
假如我們有一個網(wǎng)球發(fā)射器。在網(wǎng)球運動的半路上放一個擋板，在擋板中間開兩個狹縫，然后再在狹縫后面放一個屏幕。你就會發(fā)現(xiàn)，有的網(wǎng)球會被擋板擋住，有的網(wǎng)球會穿過狹縫，打在屏幕上，形成兩條跟狹縫對應的條紋。
但如果最開始發(fā)射的不是粒子，而是水波，你就會發(fā)現(xiàn)，水波在穿過兩個狹縫的一剎那，變成了兩個子波，這兩個子波的波峰和波峰碰在一起就會加強，波峰和波谷碰在一起就會抵消。當它們傳播到屏幕上以后，有的地方加強，有的地方削弱了，就會形成一系列強弱相間的干涉條紋。
現(xiàn)在，我們把這個實驗放在微觀尺度上重新做一遍。如果我們發(fā)射的既不是網(wǎng)球，也不是水波，而是像光子、電子這樣的“波粒二象性”怪胎，結果就會大大出乎你的意料。當你發(fā)射第一個光子的時候，屏幕上出現(xiàn)一個亮點，看起來光子確實是一種粒子。
但如果你持續(xù)不斷地發(fā)射光子（每次只發(fā)射一個）的話，積累到一定數(shù)量之后就會發(fā)現(xiàn)，光子不會像網(wǎng)球那樣在屏幕上形成兩條對應狹縫的條紋，而是像水波一樣，形成了一系列強弱相間的條紋！
所以你看，光子打在屏幕上，形成了一個亮點，而不是一個條紋，這說明光子是一種粒子。
另一方面，很多光子打在屏幕上以后，形成的分布是水波一樣的條紋，這說明光子又是一種波。波紋強的地方說明光子落在這里的概率大，波紋弱的地方說明光子落在這里的概率小，所以，我們可以把光子對應的波理解成一種描述光子出現(xiàn)概率大小的波！
在量子力學眼中，光子對應的概率波嚴重違反了日常生活的直覺！比方說，這種波無處不在，會填滿整個宇宙！就算在某個地方，概率波的大小等于零，它仍在是存在的！
于是，有物理學家就要開腦洞了（請注意專心聽講！），假設在一個地方，光子出現(xiàn)的概率等于0；如果物理學家在那個地方放一個障礙物（比如擋板或者鏡子），結果又會怎樣呢？
首先，根據(jù)物理學家的計算，雖然光子出現(xiàn)在那里的概率等于0，概率波在那里的大小也等于0，但是概率波仍然經(jīng)過了那個地方。當我們把障礙物放進去之后，障礙物就會擋住概率波傳播的路，這會導致概率波的強度分布發(fā)生改變，最終導致光子出現(xiàn)在屏幕上各個地方的概率發(fā)生變化！
其次，雖然障礙物導致屏幕上各個地方的概率波大小發(fā)生了變化，但如果實驗設計的特別巧妙，使得障礙物恰好只影響了其他地方的概率大小，沒有影響障礙物附近的概率波大小（仍然是0），那就厲害啦！
也就是說，物理學家可以設計一種實驗方案，使得：不管障礙物存在不存在，光子都不會在障礙物附近出現(xiàn)；然而光子在屏幕上顯示的干涉條紋形狀卻能告訴我們障礙物到底存在不存在。
那么，這樣的奇怪實驗能產(chǎn)生什么用處呢？
三 用“沒有發(fā)生的事情”通信
聰明的物理學家繼續(xù)開腦洞！他們設想，利用這種“沒有發(fā)生的事情”（光子沒有碰到障礙物），也能在兩個人之間傳輸信息（障礙物存在或不存在）！
2013年，著名理論物理學家Zubairy的團隊在前人研究的基礎上，提出了一個能夠實現(xiàn)這種腦洞的奇妙實驗方案。
在下面這個裝置中，有很多半透明的玻璃片。當一個光子照在上面時，半透明玻璃片會以一定概率讓光子透射過去，也會以一定概率將光子反射出去（這跟你的眼鏡片很像）。通過設置一堆這樣的玻璃片（學名叫分束器），和一堆全反射鏡，Zubairy團隊把實驗裝置分成了兩個部分：A部分和B部分。
實驗開始以后，光子會從最上面的發(fā)射器出發(fā)，最后被最下面的兩個探測器D0和D1接收。在發(fā)射器和接收器之間，每一條可能的路線都對應著一股光子的概率波。但是由于概率波會相互疊加、相互抵消，經(jīng)過Zubairy團隊的巧妙設計，實驗裝置B部分的概率波差不多都被抵消光了。如果這樣的實驗裝置有無窮多組，那么B部分中的概率波就會完全等于0 ！
這時，如果B部分的人任由概率波通過，整套裝置中的概率波就會以一種方式相互疊加和抵消，結果會導致所有的光子跑到探測器D0中。
（如果B處沒有障礙物，那么所有的光子都會跑到探測器D0中）
如果B部分的人在半路上放上無窮多個障礙物，攔住其中一部分概率波（雖然這部分概率波的幅度等于0），剩下的概率波就會以另一種方式相互疊加和抵消，產(chǎn)生另一種結果，最后導致所有的光子跑到探測器D1中。
（如果B處有障礙物，那么所有的光子都會跑到探測器D1中）
于是，Zubairy團隊就得到了這樣一個神奇的結果：不論B是否放置障礙物，都不會有光子從那條路上路過。但是，只要A發(fā)射一個光子，然后看看是D0還是D1接收了光子，他就能反推出B是否在半路上放了障礙物！
也就是說，A和B之間沒有任何粒子通過，他們僅憑“未發(fā)生的事情”（光子并沒有通過B的地盤/并沒有在B的地盤被障礙物擋住），就成功地從B向A傳輸了信息（障礙物不存在/存在）。
已經(jīng)發(fā)生的事情就是事實，在英文中叫作factual。而“未發(fā)生的事情”就是事實的反面，所以彭羅斯將這種通信方式叫作反事實（counter-factual）通信！
四 潘建偉團隊首次實現(xiàn)反事實直接通信
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(xiàn)了反事實直接量子通信。他們設計了一個更精巧的裝置，對方案進行了優(yōu)化。這是一種多級嵌套的光路。
由于實驗裝置不可能實現(xiàn)無窮多組的效果，所以光子通過B的概率并不是嚴格地等于0。針對這種情況，實驗團隊使用一個非常好的單光子源作為光源，保證A每次只發(fā)射一個光子。
實驗中有兩種成功通信的情況：
1.如果D0接收到一個光子，說明通信成功。A會反推出這個光子沒有經(jīng)過B的部分（光可能的行進路線是在P1透射，然后抵達鏡子，并發(fā)生反射）。這種情況記為比特0。
2.如果D1接收到一個光子，說明通信成功。A會反推出這個光子沒有經(jīng)過B的部分（受B的裝置操縱后，光可能的行進路線是在P1處就發(fā)生反射，沒有抵達鏡子就離開B部分）。這種情況記為比特1。
因為A每次只發(fā)射一個光子，當她的探測器D0或D1探測到這個光子時，光子一定沒有經(jīng)過B。也就是說，在進行反事實通信的時候，A只要接收到了光子，就說明他們確實用“沒有發(fā)生的事情”（光子沒有經(jīng)過B）傳輸了信息（比特0或比特1）！
通過這種實驗裝置，他們成功傳輸了一張 100×100 像素的中國結圖片，傳輸正確率達到了 87%！這個實驗最近入選英國物理學會（Institute of Physics）新聞網(wǎng)站《物理世界》（Physics World）公布的2017年度國際物理學領域的十項重大突破。
反事實直接通信實驗挑戰(zhàn)了普通人的常識。很多物理學家雖然天天跟概率波打交道，但他們總是認為，概率波是一種數(shù)學假設，是為了計算方便而引入的，并不是真實存在的?？墒欠词聦嵧ㄐ欧桨傅奶岢稣咧?、Zubairy的團隊成員Salih解釋說，“我相信（潘建偉團隊的）這個實驗支持了量子波函數(shù)（筆者注：即概率波）是真實存在的實體：如果光子沒有傳輸信息，那么在這個實驗中，到底是什么東西在傳輸信息呢？”
美指：牛貓
繪制： 賞鑒
排版：胡豆
鳴謝：李宇懷，曹原
陳宇翱，彭承志，劉乃樂
特別鳴謝：Ent
參考文獻：
1.H. Salih and et al., Protocol for Direct Counterfactual Quantum Communication, PRL 110, 170502 (2013).
2.Y. Cao and et al., Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect, PNAS, 114(19 )( 2017).
3.J. Roebke, Nil Communication: How to Send a Message without Sending Anything at All, Scientific American (2017).
注：
1. 在Zubairy團隊和潘建偉的實驗中，他們都借助了一種量子效應，叫作量子芝諾效應。通過這種效應，他們盡可能地降低了粒子出現(xiàn)在B處的概率，提高了光子的傳輸效率。
2. 量子芝諾效應的名字源于古希臘哲學家芝諾提出的芝諾悖論。芝諾提出，“飛矢不動”，即如果你不停地看一只射出的箭飛到了哪里，而且你觀察它的時間間隔可以任意地小，箭就會停在半空。量子芝諾效應與之類似，是說如果你不斷測量一個量子狀態(tài)演化成了什么樣子，而且測量的時間間隔任意小，那么這個量子態(tài)就會停止演化，始終保持原來的狀態(tài)。
3.文章開頭的故事比較理想化。我們假設遙遠的第三方外星人扮演了A的角色，地球上的面壁者墨子扮演了B的角色。墨子通過用石碑反復擋住、打開一條光路，向第三方外星人發(fā)出了求救信息。而這中間不涉及任何實體粒子的傳輸，所以三體人并沒有察覺。
4.如果三體人預先知道了墨子會用這種方式傳遞信息，它們也可以相應地改變部署，破壞物質波的傳播路徑，破壞反事實通信的過程。只是為了故事簡單起見，我們假設它們完全蒙在鼓里。
