注册| 登录

新研究发现可用一个光子让两个人同时交换信息

2018-02-28

用量子粒子来发送信息近来是一个非常热门的研究课题,在最新的两篇论文中,物理学家表示,只需使用一个单光子——构成光的粒子,就能让两个人同时向对方传送信息。这项壮举依赖于量子力学的奇异特性——叠加,即粒子可以同时有效地占据两个地方。


一般来说,通讯(或交流)是指从发送者向接收者传递信息的一个过程。然而,在一篇新刊登在《物理评论快报》的论文中[1],维也纳大学的物理学家 Flavio Del Santo 和奥地利科学院的 Borivoje Dakić 表示,在量子世界中,信息可以同时向两个方向传播——而这种现象在信息只会从发送者单向传输给接收者的经典物理世界中是不可能存在的。


在经典通讯中,无论是电子邮件、短信还是电话,都是将信息嵌入一个信息载体,再进行通讯的。这些载体可以是一次只能朝一个方向传播的粒子或信号。若要让同一个信息载体能进行反向的通信操作,就必须等到这个信息载体(如粒子)在抵达接收端之后,再由接收者将其传送回给发送者。换句话说,通过使用单个粒子在单次交换中进行双向通信是一件不可能的任务。


然而,新的研究使这种不可能变为了可能,其中的的关键就在于“量子叠加”这一概念:若要完成这项操作,我们需要一个处于量子叠加状态的粒子,这意味着这个粒子能“同时存在”于不同的位置上。因此,这两个位置上的粒子能够同时将它们的信息编码成单个量子粒子——又一件对经典物理学来说不可能完成的任务。


那究竟是如何做到的呢?我们可以想象如下情景:


Alice 和 Bob 两人各自处于相隔一定距离的两处不同位置。在标准的经典物理学中,Alice 和 Bob 要拥有各自的光子,才能同时向对方发送信息,其中每个光粒子所传输的单比特要么为0,要么为1。


image.png

○ 如果一个单载波(速度不超过光速)在Alice和Bob之间进行多于一次的传播所需的时间,比通信所允许的时间τ要长,那么它只能单向的将信息从Alice传给Bob(蓝箭头)或者Bob传给Alice(红箭头)。| 图片来源:[2]


但是,如果Alice 和 Bob 拥有同一个处于叠加态的光子,他们都可以对这个光子进行编码(0或1),在编码之后再将其发送回给对方。而他们各自操纵光子的方式决定了谁最终能接收到这个光子:如果 Alice 和 Bob发送的是相同的比特(都是0或者都是1),那么光子会被 Alice 收到;如果发送的比特不匹配,那么光子会被 Bob 收到。由于他们各自清楚自己编码的是0还是1,因而便能瞬间知道对方编码的是0还是1。

image.png

○ 量子叠加中的信息载体能克服这种限制,并进行双向通信。| 图片来源:[2]


为了表明这种理论是可行的,维也纳大学的实验物理学家 Philip Walther 和 Del Santo、Dakić 与他们的同事一起对论文[1]中提到的情境进行了实验演示,并将这一技术发表在另一篇论文中[2]


Walther 和他的同事们需要在两个端口—— Alice 和 Bob 之间的中间位置设计一个装置,来实现例如分束器概念所能达到的效果:当携带信息的粒子撞击这个装置时,能确定它要么会被反射给 Alice,要么给 Bob。

image.png

○ 粒子在位置A和B处处于叠加。在时间t = 0时,Alice和Bob编码它们的粒子并将其发送给对方。在传送途中,粒子遇到整体装置后,以相干的方式被“半反射”和“半透射”。| 图片来源:[1]


为了表明这种沟通是可能的,他们将单光子发射通过一系列棱镜和一些其他光学设备。经过这一光学系统的光子会呈叠加态,能被同时发送给 Alice 和 Bob。


image.png

○ 实验装置:Alice和Bob分别占据镜子Ma和Mb的区域,并且各自具有一个液晶减速器LC来调节相位。在通过第二个分束器BS2后,光子就会被Alice或Bob探测到。| 图片来源:[2]


研究人员通过改变光的电磁波的相位,即调整波谷和波峰的位置,来对每个端口的光子进行0或1的编码。然后,在每个端口的光子同时被发送给对方,在传送途中,光子会与自身相互作用,像水波一样进行干涉,形成要么相互加强要要么相互抵消的干涉图样。这种干涉就决定了最终光子会被 Alice 接收到还是 Bob 接收到。


更确切地说,通过这个装置,使得 Alice 和 Bob 都能知道已发送给自己的比特(信息)是什么。例如,如果这个光子被 Alice 探测到,她就知道 Bob 的比特与她相反,反之亦然。因此,最终在经典物理学情况下用一个例子单向传播所用的时间内,Alice 和 Bob 都完成了发送并接受到一个信息的过程。


实验验证的结果,证明了新的概念加强了通讯的安全性匿名性。尤其是在这个过程中,通讯的方向也被隐藏了,这让窃听者根本无法分辨谁是发送者、谁是接收者。或许量子通讯的速度和安全都能因此而得到更进一步的改善。而量子力学的奇异特质也再一次让我们措手不及地感受到惊喜。


参考来源:

[1] F. Del Santo and B. Dakić. Two-way communication with a single quantum particle. Physical Review Letters. Vol. 120, February 9, 2018, p. 060503. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.060503.

[2] F. Massa et al. Experimental two-way communication with one photon. arXiv:1802.05102. Posted February 14.

(来源:原理)

收藏 评论:0
没有ID?去注册 忘记密码? 已有账号,马上登陆

添加表情