反事實量子調(diào)控研究進展

李振婭,李征鴻

(上海大學理學院,上海 200444)

21世紀的前20年,是量子科技爆發(fā)式發(fā)展的20年.隨著“墨子號”量子衛(wèi)星的升空以及量子霸權(quán)爭奪戰(zhàn)的興起,量子力學不僅從專業(yè)書籍走進了普通大眾的視野,也逐漸展示出其在國家安全、社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展中的重要作用.目前,量子通訊[1-2]、量子計算[3-4]等量子信息學的研究受到了廣泛的重視和支持,并在眾多科學家的共同努力下朝著實用化和商業(yè)化的方向迅速發(fā)展.另外,新的技術(shù)和研究也催生了新的認知和應(yīng)用前景.本工作的基礎(chǔ)——反事實量子直接通訊方案(direct counterfactual quantum communication)[5],便是在這樣的大環(huán)境下誕生的.它展示了一種極其反直覺的量子現(xiàn)象,即信息可以在沒有任何實際物質(zhì)交換的情況下被遠程傳輸.通過近10年的研究,人們對這種非局域量子現(xiàn)象的物理本質(zhì)有了更深入的認知,同時也注意到反事實量子直接通訊的背后蘊含著一種非局域的量子調(diào)控方式,該調(diào)控通過多重量子測量來實現(xiàn).針對這一新型的量子調(diào)控方式,人們對其可能的應(yīng)用做了大量研究,內(nèi)容涉及量子通訊、量子計算和量子探測等.我們預(yù)期,該方向的成果將對樣本無傷量子成像、隱身量子雷達等新技術(shù)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用.本工作將從反事實量子調(diào)控的概念、基礎(chǔ)理論、實驗驗證和相關(guān)應(yīng)用等多個方面進行闡述和介紹.

1 反事實量子調(diào)控

假設(shè)有兩個相距遙遠的客體,初始時刻二者沒有相互糾纏,是完全孤立的.反事實量子調(diào)控是指其中一方在沒有任何實際物質(zhì)傳輸和能量交換的條件下,影響另一方的狀態(tài)演化,使之產(chǎn)生可分辨的變化.通俗的講,便是心靈感應(yīng)或者心靈控制——不依賴任何媒介的隔空控制方式.雖然在量子力學中,利用量子糾纏也能產(chǎn)生類似的結(jié)果,但是反事實量子調(diào)控的特質(zhì)在于,它既可以遠程隔空形成糾纏,也可以在沒有糾纏的情況下直接實現(xiàn)遠程調(diào)控.這是一種完全的非局域量子調(diào)控手段,顯然,這是一種非局域的調(diào)控手段,其研究始于反事實量子直接通訊,即對一個單光子的傳播路徑的非局域調(diào)控,而其理論根基則是無相互作用測量(interaction-free measurement)和量子芝諾效應(yīng)(quantum Zeno effect).考慮到反事實量子調(diào)控與人們在經(jīng)典世界的認知完全相悖,下面將對相關(guān)的概念逐一介紹以便讀者有更形象的理解.

1.1 EV炸彈檢測實驗和無相互作用測量

無相互作用測量的理論探討最早可以追溯至20世紀80年代Dicke[6]的工作.1993年,Elitzur等[7]提出了一個簡潔明了的思想實驗——EV炸彈檢測實驗,極大地推進了無相互作用測量研究的相關(guān)工作.實驗假設(shè)有一種裝備了單光子引信的炸彈,炸彈的引信只需吸收一個單光子便可觸發(fā).若引信失效,則其對光子透明.實驗的要求是在不觸發(fā)炸彈的情況下,盡可能鑒定出未失效的炸彈,具體的探測方案如圖1所示.被檢測的炸彈被放置在干涉儀的右路徑上,當一個單光子入射進入干涉儀后,由于光分束器(beam splitter,BS)的作用和單光子不可再分性,光子將形成以下兩個狀態(tài)的疊加態(tài):①光子處于左干涉臂;②光子處于右干涉臂.如果引信是透明的,則由于左右路徑的干涉作用,光子將只可能在D1端輸出.然而,若炸彈引信是完好的,則由于光子出現(xiàn)在右光路的概率為50%,炸彈被引爆的概率為50%.但如果炸彈沒有被觸發(fā),則說明光子的實際路徑必然是在干涉儀的左側(cè).結(jié)果是D0和D1各有25%的幾率找到光子.這里的重點在于:如果最終是D0找到了光子,則可以確認炸彈的引信是完好的.注意到此時光子并沒有經(jīng)過炸彈所在位置,二者之間沒有實際“接觸”,炸彈不會爆炸,這便是無相互作用測量.

圖1 EV炸彈測試問題Fig.1 EV bomb testing

1.2 量子芝諾效應(yīng)下的無相互作用測量

EV炸彈檢測實驗中采用非接觸的方式安全地找出炸彈的概率僅為25%.1995年,Kwiat等[8]利用量子芝諾效應(yīng),成功將此概率提升至100%.量子芝諾效應(yīng)是指持續(xù)的量子觀測能抑制系統(tǒng)的演化[9-11].圖2為量子芝諾效應(yīng)下無相互作用測量的鏈式干涉儀結(jié)構(gòu),其中炸彈位于鏈中每個干涉儀的上干涉臂,簡單起見,假設(shè)所有的炸彈都是相同狀態(tài)的(透明或者不透明).與EV炸彈檢測實驗不同的一點是,這里使用的BS的反射率遠大于透射率.測量開始后,要求單光子連續(xù)通過BS以反復(fù)“感受”炸彈的影響.如果炸彈是透明的,則上下兩側(cè)光路之間的干涉過程會持續(xù)通過BS發(fā)生,從而使得光子在上下光路的概率分布“重心”逐漸從下光路轉(zhuǎn)移至上光路,最終D1探測器找到光子的概率為100%.與之相對,如果炸彈都是非透明的,則炸彈對光子的持續(xù)吸收作用會抑制光子的路徑演化過程.這將導致光子會滯留在下光路,并最終造成D0的觸發(fā),其概率在理想條件下亦為100%.換言之,結(jié)合量子芝諾效應(yīng)和無相互作用測量,能夠在完全不觸發(fā)炸彈的情況下判別炸彈的好壞.

圖2 量子芝諾效應(yīng)下的無相互作用測量[8]Fig.2 Interaction-free measurement with quantum Zeno effect[8]

1.3 反事實量子直接通訊

Kwiat等[8]提出的無相互作用測量展示了一種在經(jīng)典世界中匪夷所思的測量方式,其結(jié)果已經(jīng)讓人們非常震驚,但這只是故事的開始.人們注意到,當炸彈為透明時,光子還是會穿過炸彈從而和炸彈發(fā)生“接觸”.事實上,穿過物體會伴隨有相位累計,因而這并不能算是真正的無相互作用.于是一個更“獵奇”的想法便誕生了:是否存在一種可能,即無論炸彈的狀態(tài)為何,光子都不會和炸彈接觸(光子的傳播路徑不包含炸彈所在位置),但卻能真實反應(yīng)炸彈的狀態(tài)信息呢？研究發(fā)現(xiàn),利用嵌套干涉儀鏈結(jié)構(gòu)[5,12],這個“天方夜譚”在量子力學框架下卻是完全可能的.特別地,如果炸彈的狀態(tài)代表信號0和1,則信息便可以非局域地、在沒有預(yù)制糾纏和任何物質(zhì)信息載體輸運的條件下“隔空”傳遞給光子,這便是反事實量子直接通訊協(xié)議[5].為了讀者更好的理解,接下來先簡單描述反事實量子直接通訊中的物理過程,再詳細地介紹理論計算證明.

圖3(a)為反事實量子直接通訊協(xié)議的光學結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由嵌套的干涉儀鏈構(gòu)成.左側(cè)的大干涉儀鏈(由M個BSM構(gòu)成)稱為外鏈;每一個干涉儀的右側(cè)都嵌套一個小干涉儀鏈(由N個BSN構(gòu)成),稱為內(nèi)鏈.單個干涉儀鏈的功能和Kwiat等[8]提出的一致.在內(nèi)鏈的每一個干涉儀的右臂上,均有一個可開關(guān)的探測器SD,其關(guān)閉時是透明的,而打開時則會吸收光子并完成測量.假定所有SD的行為保持一致,現(xiàn)在描述SD對于光子傳播路徑的影響.考慮一個單光子從外鏈的左側(cè)入射,如果SD是非透明的,則任何進入內(nèi)鏈的光子由于量子芝諾效應(yīng)的作用將會被封閉在內(nèi)鏈的左側(cè),從而對于外鏈來說,干涉過程將持續(xù)發(fā)生,最終光子將完全地導入到D1端,在理想條件下其概率為100%.注意到單光子不可分割,D1接收到光子則意味著所有的SD都是靜默的,光子不會和它們發(fā)生“接觸”.與上述情況相對,如果SD是透明的,則量子干涉在內(nèi)鏈內(nèi)部發(fā)生,這使得任何進入內(nèi)鏈的光子都將被引導至D2,而不會通過內(nèi)鏈的左側(cè)出口返回外鏈.換言之,此時整個內(nèi)鏈可視作為一個探測器.這也意味著,對于外鏈來說,量子芝諾效應(yīng)將會抑制量子干涉過程,光子會被封閉在外鏈的左側(cè),根本不會進入內(nèi)鏈中.最終,D0接收到光子的概率為100%.更重要的是,D0接收到光子意味著探測器D2沒有接收到光子.換言之,整個內(nèi)鏈都沒有光子進入,SD必然也不會和光子有任何“接觸”.綜合上述兩種過程可以看到,SD的狀態(tài)非局域地操控了光子的路徑演化過程,并決定了光子的終態(tài).顯而易見,如果SD的狀態(tài)代表信息0/1,而光子代表信息接收器,則信息可以非局域地從SD處向光子傳輸.

圖3 反事實量子直接通訊協(xié)議的光學結(jié)構(gòu)示意圖和原理性驗證實驗結(jié)果[20]Fig.3 Scheme of direct counterfactual quantum communication protocol and experimental results[20]

2 反事實量子調(diào)控的基礎(chǔ)理論

反事實量子直接通訊協(xié)議的非局域的特性引發(fā)了大量的理論研究,同時其獨特的調(diào)控方式亦引發(fā)了眾多的應(yīng)用性研究.在具體展開之前,首先給出反事實量子調(diào)控的基礎(chǔ)理論和證明.需要說明的是,到目前為止,反事實量子調(diào)控研究是基于單光子源的.而Li等[13]的研究顯示,單光子光源并非反事實量子調(diào)控的必要條件,僅僅是Fock態(tài)光源的一個特例.注意到任意光子數(shù)分布總可以用Fock態(tài)的展開來描述,因此借由Fock態(tài)光源下的研究成果,可以探討任意多光子光源下的反事實量子調(diào)控,實現(xiàn)對多光子的集體非局域調(diào)控,即使大量光子像一個單光子一般集體行動.這無論在物理機制上,還是在應(yīng)用層面上都是極其重要的.對于多光子光源的運用將是反事實量子調(diào)控研究的下一個重要階段.因此,這里直接采用Fock態(tài)光源來進行論述.

為了方便計算,將圖3(a)分為3個區(qū)域:區(qū)域0覆蓋BSM的左側(cè),區(qū)域1包含位于BSM和BSN之間的光路徑,區(qū)域2為BSN右側(cè)路徑.接下來證明被調(diào)控的光子將被限制在區(qū)域0和1,但能如實反映遠端SD的狀態(tài).另外,區(qū)域2中的紅色點畫線代表控制端和被控制端之間的公開區(qū)域(公開傳輸信道),該區(qū)域在整個調(diào)控過程中都不會有任何光子出現(xiàn).

按照區(qū)域劃分,假設(shè)b0、b1和b2分別代表3個區(qū)域內(nèi)的光場湮滅算符,則BSM(N)的功能表達式為

式中:βM(N)=π/2M(N),M(N)為外(內(nèi))鏈中的BSM(N)的個數(shù);cos2βM(N)為BSM(N)的反射率.

利用式(1)和(2)給出的迭代關(guān)系,該初態(tài)經(jīng)過第一個BSM和第一個BSN后變?yōu)?/p>

之后,按照SD的不同狀態(tài),光子的演化也會產(chǎn)生差別.

情況1 SD為透明.

在第一個內(nèi)鏈中,經(jīng)過第n個BSN后,光子態(tài)變?yōu)?/p>

當n=N時,有

此時,D2會測量出現(xiàn)在區(qū)域2的光子.注意|u?j,0,j〉表示區(qū)域0有u?j個光子,區(qū)域1沒有光子,而區(qū)域2有j個光子.因此,如果D2沒有被觸發(fā),則意味著區(qū)域2中的光子數(shù)必然為0.相應(yīng)地,光子的狀態(tài)塌縮至

當m=M時,光子態(tài)變?yōu)?/p>

式(8)描述了調(diào)控結(jié)束時光子的狀態(tài),據(jù)此可以計算D0且只有D0找到光子的概率,

顯然當M?u時,P0可以無限趨于1.

情況2 SD為非透明.

如果第一個內(nèi)鏈中的第一個SD沒有找光子,則光子態(tài)塌縮至

上述過程在第一個內(nèi)鏈中重復(fù)N次,之后光子的路徑疊加態(tài)將變?yōu)?/p>

當m=M時,有

利用積分近似替代求和,即

式(13)可近似寫為

式(16)描述了SD非透明時,調(diào)控結(jié)束時光子的狀態(tài).通過式(16)計算D1且只有D1找到光子的概率P1.當N?Mu,M?1時,

在極限條件下,P1可以無限趨于1.

容易看出,D0或者D1觸發(fā)代表光子正確感知到SD的狀態(tài),而非局域性的要求將通過以下方式來確認.以SD透明的情況為例,由于干涉作用,任意進入內(nèi)鏈的光子最終都會導致D2的響應(yīng).因此D2的靜默證明了在整個調(diào)控過程中區(qū)域1和區(qū)域2中都沒有光子出現(xiàn),因而光子和SD沒有實際“接觸”.與此同時,由于系統(tǒng)中的總光子數(shù)是守恒的,一旦所有的D2以及D1都沒有找到光子,則意味著D0必然接收到所有的u個光子,對應(yīng)的光子態(tài)為|u,0,0〉.換言之,實際上并不需要具體知道D2的探測結(jié)果,僅從D0自身的探測結(jié)果——是否接收了所有的光子,即可判斷出光子是否和SD有任何“接觸”.對于SD非透明的情況,分析是類似的.一旦D1接收到了u個光子(對應(yīng)的光子態(tài)為|0,u,0〉),即可判斷整個調(diào)控過程中沒有SD被觸發(fā),這意味著沒有任何光子會和SD相接觸.綜上所述,若有且僅有D0或D1被觸發(fā),即代表光子正確地被非局域操控了,而計算結(jié)果顯示概率P0和P1可以同時趨近于1,這代表反事實量子調(diào)控方案的成功率可達到100%.

以上給出了反事實量子調(diào)控方法的具體數(shù)學描述和相應(yīng)物理解釋.需要說明的是,嵌套鏈式干涉儀結(jié)構(gòu)是一個非常好的演示模型,但不是反事實量子調(diào)控實現(xiàn)的唯一模型.Salih等[5]給出了一個等效的邁克爾遜干涉儀模型.Aharonov等[14]將反事實量子調(diào)控理論拓展至物質(zhì)波,該研究也將用于研究柴郡貓現(xiàn)象[15-17].然而,無論具體的模型為何,基本的數(shù)學過程都是類似的.另外,通過計算可以進一步探討任意光源的反事實量子調(diào)控[13],目前已經(jīng)證明,只要一個光脈沖的能量是有限的,它就可以被反事實地調(diào)控.

3 反事實量子調(diào)控的實驗驗證

由上述理論分析可以看到,反事實量子調(diào)控的實現(xiàn)需要大量串聯(lián)的干涉儀,這給實驗驗證工作帶來了很大的挑戰(zhàn)[18-19].盡管困難重重,對于單光子的反事實量子調(diào)控的實驗驗證工作在2017年迎來了的重大突破.Cao等[20]和Liu等[21]相繼獨立完成了原理性實驗驗證.

Cao等[20]的實驗中采用的是單光子光源和邁克爾遜干涉儀型的光路結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于不需要大量同一種狀態(tài)的SD,從而一定程度上降低了光路的復(fù)雜性(但需要高速光開關(guān)).同時,為了應(yīng)用此結(jié)構(gòu),路徑干涉被偏振干涉所替代.另外,為了方便演示,實驗中的SD被一個黑白的中國結(jié)所替代,黑和白代表了原本SD的兩種狀態(tài).通過單光子一個個的累計成像,可以清楚地看到,這個中國結(jié)被很好地通過非局域的方式復(fù)現(xiàn)(見圖3(b)).

Liu等[21]采用的則是Mach-Zehnder嵌套干涉儀鏈結(jié)構(gòu).實驗中,外鏈采用了2個干涉儀,而內(nèi)鏈中則實現(xiàn)了7個串聯(lián)的干涉儀.但是在光源上并沒有采用單光子源,而是采用了弱相干光源.由于相干光在不同路徑的強度分布和單光子情況下的光子概率分布具有相同的數(shù)學形式,因此該實驗在原理上驗證了單光子反事實量子調(diào)控方案的正確性和可行性.然而需要說明的是,由于是強度分布,這意味著光子必然在SD處出現(xiàn),這點在實驗中也反映出.因此,該實驗實現(xiàn)的并非是真正的反事實量子調(diào)控,只能稱之為類反事實.盡管如此,該實驗工作還是為后續(xù)的多光子反事實量子調(diào)控研究帶來了啟發(fā).

在合適的條件下相干光源是可以實現(xiàn)真正的反事實量子調(diào)控的.事實上,和人們的預(yù)期不同,我們發(fā)現(xiàn)如果以傳遞信息為目的,較強的相干光源反而是必要的[13].這是因為弱相干光源(例如平均光子數(shù)小于1)會有很大概率不觸發(fā)任何探測器,因而不能保障信息的有效傳輸.采用強相干光源帶來的劣勢是需要相比于單光子情況更多的干涉儀,這顯然加大了實驗的難度.為了解決這個問題,我們也對針對多光子反事實量子調(diào)控的實驗可行性做了研究,并給出了一個修正方案.對于反事實量子調(diào)控來說,重點在于光子和SD沒有接觸,而對于D0和D1來說,并不需要將所有光子都集中到一個探測器上才能明確SD的狀態(tài),一定的光子分布即可以達到相同的效果.數(shù)值模擬結(jié)果顯示,相比于現(xiàn)有的實驗條件[21],修正方案僅需要通過改變BSM的透射率以及采用單光子探測器,就可以實現(xiàn)對平均光子數(shù)為200的相干脈沖的反事實量子調(diào)控的實驗演示.

4 反事實量子現(xiàn)象的非局域性研究

盡管反事實量子調(diào)控理論可以通過嚴格計算光子的動力學演化過程而得到,但其展現(xiàn)出來的反直覺物理現(xiàn)象,還是引發(fā)了眾多科學家的興趣.Gisin等[22]嘗試用經(jīng)典圖像來解釋整個現(xiàn)象,其觀點可以陳述為沒有聲音也是一種“聲音”,并認為反事實量子直接通訊的核心是利用真空態(tài)來代表信息,而這在經(jīng)典條件下也可以實現(xiàn).但Hance等[23]明確指出:經(jīng)典條件下只能反事實地傳輸0或者1,而無法完整傳遞一個比特的信息;反事實效應(yīng)必然是量子的.

除了反事實效應(yīng)是否是量子的這一問題,更多的爭論聚焦于反事實量子現(xiàn)象的非局域性本身.除了Aharonov等[14]從物質(zhì)波的角度對反事實量子理論做了重新闡述外,一些新的研究方法也被提出,并用于判定反事實量子調(diào)控的非局域性,例如歷史一致理論[24]、Fisher信息法[25-27]以及弱跡判定法[28-30]等.需要說明的是,這些判據(jù)取決于不同的科學家對非局域性的不同解讀和定義,因而它們并不是統(tǒng)一的,甚至被用于否定反事實量子調(diào)控的非局域性.同時需要強調(diào),這些判據(jù)所遵守的計算法則依然都在量子力學框架之內(nèi),因而并不會產(chǎn)生任何的新物理內(nèi)容.以弱跡判定法為例,研究人員希望通過引入額外的弱測量來判斷當SD為透明時光子是否會出現(xiàn)在內(nèi)鏈中(出現(xiàn)則反事實調(diào)控不是非局域的).注意,之前的論述是把整個內(nèi)鏈視作為一個探測器來判斷光子是否會出現(xiàn)在內(nèi)鏈中的,即由于持續(xù)的干涉作用,任何進入內(nèi)鏈的光子都會觸發(fā)D2,因此D2沒有觸發(fā)則意味著沒有光子進入內(nèi)鏈.然而一旦額外的測量被引入內(nèi)鏈,這毫無疑問會打斷內(nèi)鏈中的干涉過程,由此會造成一個非零的弱值.Vaidman等[28-29]認為這個非零弱值便是光子出現(xiàn)在內(nèi)鏈的證據(jù),從而否定非局域性的存在.事實上,早在2007年,Vaidman[31]便研究過類似的問題(三盒悖論),并得到了一個十分怪異的結(jié)論——“光子既沒有進入干涉儀,也沒有離開干涉儀,但是光子會出現(xiàn)在干涉儀中”,而判斷的依據(jù)便是非零的弱值(在干涉儀的輸入端和輸出端的弱值為0,但在干涉儀內(nèi)部的路徑上,出現(xiàn)了非零弱值).這聽上去并不合理,因此,2013年Li等[32]對此問題做了細致的計算和解釋.研究表明,Vaidman得到的非零弱值確實來源于弱測量,但更合理的解釋是——由弱測量引起的系統(tǒng)誤差[32-33].注意到反事實量子調(diào)控的核心是不同序列的多重量子測量,而額外加入測量勢必引起對原系統(tǒng)的干擾,這就像在楊氏雙縫干涉實驗中,通過測量來確認光子路徑則必然會破壞光子的干涉.因此非零弱值并不能說明反事實量子調(diào)控不是非局域的.

5 基于反事實量子理論的應(yīng)用性研究

除了針對反事實量子現(xiàn)象的物理本質(zhì)研究,目前相關(guān)應(yīng)用的研究也取得了豐厚的成果.按照SD所代表的客體的狀態(tài),這些研究可分成經(jīng)典客體和量子客體兩類,二者區(qū)別在于量子客體的狀態(tài)可以是量子疊加態(tài),即透明/非透明的量子疊加態(tài).

5.1 經(jīng)典客體

此類研究主要涉及量子通訊和量子探測,例如立足于保障信息安全的反事實量子保密通訊[34],替換多重測量為多重相位操作以提升通訊效率的準反事實量子通訊協(xié)議[35],要求多個孤立客體同時控制公開傳輸信道的反事實量子多方通訊[36],旨在保持成像精度的同時通過減少樣本所受的輻照(來源于樣本對于光子的吸收)從而降低樣本的損傷的反事實量子鬼成像[37]以及用于隱蔽竊聽者的反事實量子竊聽[38-39]等.Hance等[37]的工作起源于基于無相互作用測量的成像研究[40-42].作為無相互作用測量的高級版本,反事實量子鬼成像顯示了更好的信噪比和對樣本更佳的保護[37].而Li等[39]給出的反事實量子木馬竊聽則是該課題組首次提出和研究的一種竊聽方案.在傳統(tǒng)的木馬竊聽方案中,竊取信息是通過發(fā)射額外的光場(或光子)進入被竊聽設(shè)備,然后分析反射回來的光場(或光子)來進行的[43].但很明顯,通過主動檢測,非法的入射光子往往易被篩濾出來,因此傳統(tǒng)的木馬竊聽方案是很容易暴露的.利用反事實量子調(diào)控,情況將會發(fā)生極大轉(zhuǎn)變.在Li等[39]方案中,由于量子芝諾效應(yīng),針對竊聽光子的探測只會使迫使該光子被局域在竊聽裝置內(nèi),即使用來探測的探測器是理想的.這使得木馬攻擊方案中的竊聽光子是近乎隱形的,因而竊聽極難暴露.與此同時,通過對光路的重新設(shè)計,結(jié)合多重相位調(diào)控的使用,該方案可以有效讀出多種編譯信號,具有很強的識別能力,因而對多種量子保密通訊協(xié)議都會產(chǎn)生威脅.Li等[39]具體分析了兩種具有典型性的量子保密通訊協(xié)議的安全性[44-48],包括著名的量子直接保密通訊協(xié)議——Ping-Pong通訊協(xié)議[44],并首次證明該協(xié)議在理論上是有安全漏洞的.當然,對于竊聽技術(shù)的研究,其最終目的還是為了升級現(xiàn)有通訊技術(shù),保障通訊安全性.因此,Li等[39]的研究除了給出量子竊聽方案,也討論了可能的防御方法.研究結(jié)果顯示,反事實量子木馬攻擊并不難防御,但是單純地依靠主動檢測非法入侵光子是行不通的.因此,目前針對傳統(tǒng)木馬攻擊的防御策略都必須要進行升級更新.

最后還需要補充一點,現(xiàn)有的反事實量子木馬竊聽方案中采用的光源仍為單光子源.考慮到多光子光源遠比單光子光源更容易制備和操控,應(yīng)用多光子光源將極大地方便和擴展上述方案的實際應(yīng)用.而利用Li等[13]的關(guān)于多光子反事實量子調(diào)控的研究成果,可以將上述竊聽技術(shù)拓展到宏觀領(lǐng)域從而實現(xiàn)在探測的同時無法被反追蹤的隱蔽量子雷達,這在軍事上是極有意義的.

5.2 量子客體

此種情況下用于操控光子的客體處于吸收光子/不吸收光子的量子疊加態(tài),其具體的實現(xiàn)方式包括里德堡原子[49-50]、埋入原子的單邊腔[51-53]等.該方向的研究工作由Guo等[54-55]首先展開,并已取得了眾多重要結(jié)果.研究顯示,量子客體和一個光子可以在沒有任何物質(zhì)粒子交換的情況下被遠程地糾纏起來.這便是反事實量子糾纏產(chǎn)生,是一種新的糾纏產(chǎn)生方式.進行相關(guān)研究的還包括Chen等[56-57].Guo等[58]的研究表明,一個未知量子態(tài)可以反事實地在沒有預(yù)制糾纏的條件下被遠程傳輸,這實現(xiàn)了傳統(tǒng)量子隱形傳輸[59-61]的功能.除了以上介紹的工作,基于反事實量子糾纏的研究成果還包括各種反事實量子邏輯門[62-64]、反事實量子克隆[65]、反事實量子貝爾態(tài)分析[66-67]等.而Li等[68-69]和Wang等[70]也在相關(guān)方向做了一系列的研究工作.研究人員理論研究了如何實現(xiàn)兩個未知量子態(tài)的反事實交換,即實現(xiàn)非局域量子交換門[69].具體來說,兩個未知量子態(tài)被分別獨立制備在相距遙遠的一個光子和一個原子上.交換之初,光子和原子之間沒有糾纏.在交換過程中采取了多輪的反事實量子調(diào)控,而在每兩輪非局域調(diào)控之間,對光子和原子進行獨立的局域調(diào)控.這實際上建立了一種反饋機制[68],通過這種機制,該方案不僅允許原子調(diào)控光子的演化,同樣也使得光子有能力對原子的動力學演化過程施加影響.最終,該方案實現(xiàn)了一種新型的、雙向的量子隱形傳輸.有別于傳統(tǒng)的量子隱形傳輸方案,該方案既不需要預(yù)先在兩個通訊者之間分發(fā)糾纏粒子對,也不需要將最后的貝爾測量的結(jié)果在通訊雙方之間傳遞,因此在整個傳輸過程中完全沒有任何粒子在通訊雙方之間交互,這可以說是真正的心靈傳輸方案.Li等[68-69]的研究還指出,反事實未知量子態(tài)交換是通過多重量子測量實現(xiàn)的.和傳統(tǒng)的認知不同,這里的多重量子測量可以平滑、柔和地影響量子系統(tǒng)的演化.其作用可以近似地用一個幺正時間演化算符來描述.更重要的是,研究表明,任意的幺正時間演化算符都可以通過多重量子測量在特殊設(shè)計的光路下實現(xiàn),這在理論上提供了一種普適的將局域量子調(diào)控轉(zhuǎn)換為非局域量子調(diào)控的方法,從而為后續(xù)的非局域量子調(diào)控研究打開了新的局面.利用上述結(jié)論,后續(xù)的研究便是實現(xiàn)高維量子糾纏態(tài)的非局域制備[36].

6 結(jié)論與展望

本工作從無相互作用測量和量子芝諾效應(yīng)出發(fā),回顧了反事實量子調(diào)控理論的研究歷史、具體概念、基礎(chǔ)理論和相關(guān)的應(yīng)用性研究.研究顯示,多重量子測量可以平滑、柔和,但非局域地影響量子系統(tǒng)的演化.通過對反事實量子調(diào)控的研究,能更好地理解量子測量的作用和非局域性.在應(yīng)用層面的研究結(jié)果也表明,反事實量子調(diào)控在量子通訊、量子計算和量子探測方面都有重要的應(yīng)用價值.需要說明的是,從實際應(yīng)用角度來說,由于多重量子測量的運用,相對于其他量子調(diào)控方式,反事實量子調(diào)控會需要更長的實現(xiàn)時間.另外,由于連續(xù)干涉過程的存在,反事實量子調(diào)控對于環(huán)境噪聲是異常敏感的.因此,如何提高反事實量子調(diào)控的效率以及對環(huán)境噪聲的魯棒性,是未來相關(guān)研究中的重要一環(huán).通過這類研究,能夠大大擴展反事實量子調(diào)控的應(yīng)用面,降低應(yīng)用難度,更有助于真正實現(xiàn)對于宏觀對象的非局域量子調(diào)控.