量子世界中,单粒子可同时实现信息的双向传递

科技工作者之家 2018-02-28

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▲通信的A、B双方通过利用两个不同位置叠加态中的同一颗量子粒子进行信息传递的图示。

从经典物理学的角度来说,信息只能从发送方到接收方、沿着单一方向传播,不过这一认知日前已被量子物理学研究打破。据《物理评论快报》2月8日发表的一篇论文称,奥地利维也纳大学的弗拉维奥·德尔·圣多(Flavio Del Santo)和奥地利科学院的博里沃耶·达基克(Borivoje Dakić)两位物理学家已经证明,在量子世界中,信息可以同时朝两个方向传递,而这是经典物理学定律不容许的。

对于电子邮件、短信或电话等传统通信方式来说,信息是被嵌入到信息载体中后——比如一颗粒子或一个信号——再沿着单一方向进行传递。如果要该信息载体沿着另一个方向进行通信,就需要等待该粒子到达接收方以后,再将粒子传递回到发送方。言下之意就是,在经典物理学中,通过单个粒子的单次交换来进行双向通信是不可能的。

然而,德尔·圣多和达基克在理论上证明了这是可行的。为了证明这一理论假设,他们把一个量子粒子放在两个不同位置的叠加态上,这意味着量子粒子在叠加双方的位置“同时存在”,因此,双方都能同时将信息编码到同一个量子粒子中,这在经典物理学中基本上是一项不可能完成的任务。 

“想想这样一个最简单的场景,爱丽丝和鲍勃两人想交换一个简单的信息,比如‘0’或‘1’,他们同时将各自的信息进行编码,直接置入同一个量子粒子的叠加态中。一旦信息被成功编码,双方就会将他们各自的‘量子粒子的部分’发送给对方。”达基克解释道。 

在爱丽丝和鲍勃之间的中间位置需要安装某种单一装置,在实验中这一装置通过射束分离器来实现。

“每当携带信息的粒子撞击该单一装置,它就会朝爱丽丝或者鲍勃的方向不可抗拒地反射回去。更准确地说,该单一装置引导粒子沿着一条‘智能的路径’进行传递,通过这种方式,爱丽丝和鲍勃都收到了发送给他们的相应信息。例如,如果是爱丽丝收到了粒子,她就会知道鲍勃的信息正好与她的相反,反之亦然。”因此在最后,双方都发送并接收到了一条消息,而在相同的时间长度内,一颗经典物理学中的粒子只能发送一条单向消息。

这些理论成果已经在一项采用单光子的新实验中得到验证,德尔·圣多和达基克以及他们的合著者们在论文中报告说。该实验结果还进一步强化了这一新型通信概念的安全性和匿名性,特别是,通信方向的隐匿安全性——窃听者无法分辨谁是发送方、谁是接收方。因此,该研究成果可能会改善提升量子通信手段,让它在速度和安全性方面都更具优势。

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编译:朱明逸   审稿:三水   编辑:程建兰

来源:https://phys.org/news/2018-02-two-way-quantum-particle.html

量子 经典物理学 传递

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