@ 2018.04.28 , 21:00

量子叠加:两个人用一个光子实现信息互换

量子物理学再下一城。

单个量子粒子可以同时向两个方向传递信息——这在经典物理学中是完全不可能的。这意味着粒子本质上可以携带自身未曾携带的消息,这令人头晕脑胀的表述要感谢被称为叠加态的量子不确定性。

叠加,表明一个粒子可以同时占据两个位置,这就是双向通信的基础。

单个光子可以在两个人同时之间传递消息,接收到信号的同时,令发送方也获取信息。

根据参与研究的科学家表示,不仅如此,量子通信技术不但比我们现在的消息系统更安全,也可能更高效。

“如果我们想在A点和B点之间传输信息,似乎很明显地,无论存储和传输这些信息的对象都必须依次出现在所有这些位置,”奥地利维也纳大学的一位工作人员Flavio Del Santo说,“但是,如果我们将物理载体编织进这些位置的量子叠加中,它就可以同时收集,存储和携带来自不同位置的信息,这是一种不可思议的能力。”

换句话说,就像能够一次同时访问你的两个朋友,并传递消息一样,而不是先拜访一个朋友,然后再访问另一个朋友,再回头将后者的近况转告前者。

来自奥地利科学院的Del Santo和他的同事BorivojeDakić根据他们的理论推导发表了一篇论文,随后又通过一个实验来展示这个想法。

要理解它的运作机理的,需要进入量子力学的复杂世界。

Alice 和 Bob 两人各自位于不同的位置A和B。在经典物理学中,Alice 和 Bob 想要使用光子进行通信,必须每个人向对方发射携带消息的光子,为了简化讨论,假设其中每个光子所携带的单比特消息要么为0,要么为1。

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。而他们为光子编码的方式决定了谁最终能收到到这个光子:如果 Alice 和 Bob发送的编入光子的消息都是1或0,那么最终光子会去往Alice处;反之,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,因而通过自己是否截获光子就能判断出对方传递过来的是1还是0。

量子叠加:两个人用一个光子实现信息互换
Del Santo论文图示,处于叠加态的光子最终只有一个会落到现实被人接受

为了通过实验来验证他们的奇思妙想,Del Santo和Dakić制造了一个叠加状态的单光子,用相距一段距离的两面镜子和其他光学设备代表Alice和Bob。

在A和B端处生成编码0或1的光子后,它被发送到对面的站点——当光子沿着它自身相互作用时,放大或减弱它的信号,来确定哪个站点可以接收到光子。

该实验尚未得到同行的评审,但可在预印本服务器arXiv.org上阅读。这是量子力学改变我们的思考以及生活方式的另一个有力证据。

“有时候你忽略了一个很酷的想法,它就在你的鼻子底下。”参与后续实验的维也纳大学物理学家Philip Walther对科学新闻周刊说。

该研究的理论部分已经发表在《物理评论快报》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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