上海交大金贤敏团队首次实现了“Tracking the King”问题的实验演示：有望为量子信息传输提供新思路

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物理学家Alice坐船搁浅在一座岛上，而这座岛由一位性情古怪的国王统治。这位国王是个爱猫狂人，有一次，当他听说了“薛定谔的猫”的遭遇之后，深感气愤，认为物理学家对猫太不友好，国王因此十分讨厌他们。所以，当物理学家Alice落到他手里的时候，国王决定要给猫报仇！他决定以其人之道还治其人之身，于是想出了一个自以为绝妙的办法来惩罚物理学家Alice。

国王把物理学家带到他的皇家实验室，这个设施非常齐全的豪华实验室几乎可以完成任何实验。国王给Alice的难题是，允许他将一个银原子制备到任意状态，然后国王命令下属在Pauli X, Pauli Y和Pauli Z这三个测量基矢中任意选择一个来测量这个原子的自旋，但是此时并不告诉Alice选择的是哪一个测量基。之后，国王把原子交还给Alice并允许他进行任何实验操作，但是，只有在这个任意操作结束以后，国王才会把之前选择的测量基矢告诉Alice，并且要求她直接说出正确的测量结果，否则就将她处死！

这样一个看似不可能完成的任务，结果却令国王大失所望，物理学家欣然接受了这个挑战！而且，国王大为不解的是，无论重复多少次，物理学家总能给出正确的答案，完全无法用运气来解释呀！那么，物理学家Alice到底怎么做到的呢？其实，这里她就是巧妙运用了量子纠缠态的神奇特性来逃过一劫。

上述的小故事就是著名的Ming King’s Problem（以下简称MKP）。MKP的思想实验最早源自1987年Vaidman等提出的理论，后来经过M. Revzen和A. Kalev等的发展，将其系统的希尔伯特空间的维度大大拓展，并衍生出包括Tracking the King Problem（以下简称TKP）在内的变体版本。

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在MKP中，刻薄的国王只告诉Alice自己选择的测量基矢，让Alice自己说出正确的测量结果，这是这个量子回溯问题最初的形式，但是，提供给物理学家测量的基矢信息似乎还不够“刻薄”，于是有了条件更为严苛的TKP问题，在这个衍生的思想实验中，国王并不告诉Alice自己选择的测量基矢，而让Alice自己去“猜”。解决这样一个量子回溯问题的理论方案早在2013就被提出过并发表在《物理评论快报》上。

近日，上海交通大学的金贤敏教授研究团队第一次在实验上演示了这样一个量子回溯的思想实验（图1-图2）。

图1  量子回溯思想实验的实验方案

图2  量子回溯思想实验的装置图

Alice端通过自发参量下转化产生双光子最大纠缠态，将其中一个光子发送到King端，King在隔离环境下选择无差基{X, Y, Z}中的一个对收到的光子做极化态测量，然后将光子还给Alice。Alice随后对双光子系统通过C-NOT门做联合测量，从而回溯出King所选择的测量基。

图3的结果则显示了Alice对King选择的基矢信息的回溯：其中彩色的柱体部分直观的展示出了Alice通过联合测量回溯出的信息。实验结果和理论基本一致，从而首次在实验上演示了TKP问题的解决，对量子测量机制的研究提供了实验参考。

图3  Alice对King选择的基矢信息的回溯

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在经典力学的世界里，一次不记录测量结果的测量不能提供任何信息。试想在宏观世界里有这样一个情景，有一个未知质量和体积的物体，有人测量了它的质量或者是体积，但是却不告诉你测量的结果，只告诉你测量的是哪一个维度（质量或者体积），你就能知道测量的结果（该物体多重或者多大），这听起来可能吗？但是，在量子力学的世界里，类似的事情的确可以做到，因为任何对量子系统的测量，都会不可避免的留下“作案痕迹”，从而为试图回溯者提供线索。

这样就提供给我们一个反直觉量子信息传递的可能性。简单来说，既然Alice可以回溯出King所使用的测量基矢，那么King反过来也可以把要发送给Alice的信息通过测量基矢的选择来编码，从而达到和Alice传递消息的目的。图4展示了King利用上述方法进行编码，Alice通过联合测量回溯信息的结果：

图4  Alice通过联合测量回溯信息的结果

由于编码的信息隐藏在量子测量中，这种信息的传递将具备一定的隐蔽性和安全性，其安全性还有待进一步研究来证明。

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金贤敏，上海交通大学教授，博导，2008年获中国科学技术大学博士学位，博士论文入选全国百篇优秀博士论文奖。2010年赴牛津大学做博士后，2012年同时获得欧盟授予的玛丽居里学者和牛津大学沃弗森学院学者。2014年11 月开始在上海交大组建光子集成与量子信息实验室。2019年7月破格升为长聘正教授，2019年12月成立上海交大集成量子信息技术研究中心并担任中心主任。先后获上海千人计划、国家青年千人计划、曙光学者、上海青年科技英才奖、上海青年科技启明星等支持。长期致力于光量子芯片的设计和制备，以及量子计算、量子通信和量子存储的芯片化集成化的研究和研发。已发表论文60余篇，包括Science 2篇，Science Advances 3篇，Nature Photonics 6篇，Nature Physics 1篇，Nature Communications 3篇，PRL 12篇，National Science Review 2篇，Advanced Materials 1篇，NPJ Quantum Information 1篇，OPTICA 2篇，SCI引用2000多次，获得国家发明专利5项。担任Photonics Research（OSA）副主编，IET Quantum Communication（IET）副主编，PhotoniX（Springer Nature）编辑和Advanced Intelligent Systems（WILEY）国际编委。