基于量子糾纏弱測(cè)量的超光速通信方案探究

　　王?楠（西安科技大學(xué)，西安?710054）

　　摘?要：由于量子信道的糾纏特性在量子通信方面沒(méi)有很好的發(fā)揮，本文提出了一種測(cè)量量子信息改變量的量子通信方式，該方法能夠繞過(guò)量子通信中的經(jīng)典信道部分，并借助弱測(cè)量的方法使得其在試驗(yàn)中有極大可能可以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)超光速通信。

　　關(guān)鍵詞：量子糾纏；弱測(cè)量；通信

　　0 引言

　　隨著量子力學(xué)的發(fā)展，量子糾纏特性越來(lái)越成為量子信息領(lǐng)域中不可替代的重要資源，它己被廣泛應(yīng)用于量子通訊、量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)等各種量子處理過(guò)程中 ^[1-2] 。量子糾纏體現(xiàn)出的多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在非經(jīng)典的特點(diǎn)，例如強(qiáng)關(guān)聯(lián)性和非定域性，是能夠區(qū)別量子領(lǐng)域和經(jīng)典領(lǐng)域的一個(gè)顯著特征。由于糾纏態(tài)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，因此兩個(gè)粒子無(wú)論在空間距離上有多遠(yuǎn),它們互相之間都會(huì)有量子領(lǐng)域的聯(lián)系，如果對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量將會(huì)使另外一個(gè)粒子量子態(tài)的狀態(tài)出現(xiàn)塌縮 ^[3] ，即能夠確定粒子的狀態(tài)。對(duì)于這種鬼魅般的超距作用，在量子遠(yuǎn)程通信中是很有發(fā)展前景的。

　　1 基本原理

　　在量子力學(xué)理論中，人們習(xí)慣上將半自旋粒子A和B (EPR對(duì))的兩個(gè)態(tài)分別記為|0>和|1>，|0>表示粒子自旋方向向上，|1>表示粒子自旋方向向下。它們作為一個(gè)系統(tǒng)處于如下的量子態(tài)(稱為EPR 態(tài)) ^[4] :

　　|Ψ (A, B)>= (|0> A |1> A - |1> A |0> B ) (1)

　　這就是粒子之間的一種量子糾纏態(tài)。對(duì)其所表示的量子態(tài)系統(tǒng)在被測(cè)量之前，每一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)雖然只有兩種，但都是不確定的，只能單獨(dú)地計(jì)算出其中一個(gè)粒子被測(cè)量后得到的一種結(jié)果的概率是1/2，一旦某個(gè)人測(cè)量了其中一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)，那么另外一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)也就立刻確定下來(lái)，即為前一個(gè)粒子相反的狀態(tài)；而且不論兩個(gè)粒子在空間上相距多遠(yuǎn)，只要這種糾纏特性不消失，它們都處于這種相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，這就是量子力學(xué)的非局域效應(yīng)(non-local effect)。

　　如今根據(jù)文獻(xiàn)^[1]在量子通信中使用的技術(shù)是量子隱形傳態(tài)，可以從其基本原理中找到進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的方法。然而量子隱形傳態(tài)需要經(jīng)典信道，這一部分卻制約了量子糾纏在通信中的先天優(yōu)勢(shì)。如果能夠克服經(jīng)典通信的限制，那么會(huì)對(duì)量子通信帶來(lái)極大的發(fā)展。但我們?nèi)绾尾拍芸吹健昂凶永锏呢垺蹦兀?/p>

　　2 利用弱測(cè)量進(jìn)行量子通信的設(shè)想

　　由于在上述量子隱形傳態(tài)中，需要傳送的是未知態(tài)粒子的全部量子信息，就只能通過(guò)提取量子信息和經(jīng)典信息的方式來(lái)傳送。這對(duì)于量子保密通信是很有用的，但不能解決遠(yuǎn)距離通信。經(jīng)典信道的延遲和干擾，以及對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力對(duì)于追求安全準(zhǔn)確大容量的通信方式來(lái)說(shuō)無(wú)疑是短板一塊。因此，如何繞過(guò)經(jīng)典信道來(lái)傳輸信息就是本文研究的主要問(wèn)題。

　　而由于量子態(tài)的塌縮效應(yīng)，無(wú)論測(cè)量或是觀察均會(huì)引起量子態(tài)的塌縮，使其失去量子態(tài)的各種屬性，從而產(chǎn)生退相干。為了避免塌縮，我們可以使用弱測(cè)量的方法，量子弱測(cè)量實(shí)質(zhì)是在馮·諾依曼測(cè)量和半正定算子值測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種部分塌縮測(cè)量。在兩比特量子態(tài)遭遇退相干環(huán)境之前執(zhí)行前置的量子弱測(cè)量并在遭受環(huán)境后執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的反饋測(cè)量能有效地保護(hù)量子態(tài)的糾纏 ^[5] 。從原理機(jī)制上看，結(jié)合前置的量子弱測(cè)量和后置的反轉(zhuǎn)測(cè)量能有效地抑制退相干的原因主要有兩點(diǎn)：第1，執(zhí)行前置量子弱測(cè)量的作用是先降低系統(tǒng)激發(fā)數(shù)所占的權(quán)重，以便在遭遇噪聲環(huán)境時(shí)減少受其影響；第2，執(zhí)行反轉(zhuǎn)測(cè)量的作用是使量子態(tài)與噪聲環(huán)境作用以后重新恢復(fù)激發(fā)數(shù)的權(quán)重，可以使被破壞的初始態(tài)得到概率性恢復(fù)。在量子弱測(cè)量的方案中，單次進(jìn)行測(cè)量時(shí)不會(huì)出現(xiàn)波包塌縮的情況，并且可以保留量子系統(tǒng)的相干疊加性，其代價(jià)是進(jìn)行一次測(cè)量得到的關(guān)于系統(tǒng)的信息量很小 ^[6-7] 。隨后可以將小信號(hào)進(jìn)行放大，直到能夠檢測(cè)到量子系統(tǒng)的改變量即可，這樣就可以測(cè)得信息。

　　上文提到的弱測(cè)量已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，R. Vijay領(lǐng)導(dǎo)的小組完成了名為《量子位的量子反饋控制》的弱觀測(cè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 ^[8] ，這是一個(gè)基于頻率的測(cè)量。其中設(shè)計(jì)的反饋控制環(huán)路能夠產(chǎn)生反饋來(lái)修正系統(tǒng)觀測(cè)所帶來(lái)的影響，從而測(cè)量并記錄了能夠連續(xù)跟蹤和使用反饋的量子態(tài)，能夠使用超導(dǎo)回路在不破壞量子態(tài)的前提下進(jìn)行量子測(cè)量，并且已經(jīng)證明了：一個(gè)連續(xù)的模擬反饋方案能夠穩(wěn)定地在超導(dǎo)量子比特回路下進(jìn)行振蕩，并使他們獨(dú)立持續(xù)地存在。

　　其具體的實(shí)驗(yàn)方法是：搭建一個(gè)量子系統(tǒng)，如圖1，一種由一個(gè)電容并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)的非諧振蕩器，彌散耦合于一個(gè)三維微波腔中。使用兩個(gè)最低能級(jí)（ω01/2π=5.4853 GHz）形成一個(gè)量子比特。在基態(tài)的量子比特的諧振腔的諧振頻率是ωc/2π=7.2756 GHz。強(qiáng)耦合的輸出端口設(shè)置的諧振譜線寬度13.4 GHz，而控制和測(cè)量信號(hào)通過(guò)弱耦合輸入端口注入。量子位腔耦合導(dǎo)致了在腔輸出字段的一個(gè)狀態(tài)依賴相移(0.687 GHz)，其中的狀態(tài)信息包含在一個(gè)正交信號(hào)上。腔的輸出發(fā)送到附近的一個(gè)無(wú)噪聲的相位敏感的參量放大器（結(jié)）以促進(jìn)相關(guān)正交電路到與經(jīng)典電路相適應(yīng)的水平。該參量放大器輸出被進(jìn)一步放大和零差檢測(cè)，以使得擴(kuò)增的正交（Q）包含了最終的測(cè)量信號(hào)。

　　在此思路上，提出了基于量子信息改變量的量子通信方式，即：可以從傳送完整的量子態(tài)到只傳送部分量子態(tài)，進(jìn)而測(cè)量前一次傳送和后一次傳送的改變量即可。例如，若設(shè)第一次傳送的狀態(tài)為|0>，第二次傳送的狀態(tài)為|1>，則可判斷為一次改變，記為1；若第二次仍為|0>，則記為0。由于量子態(tài)的糾纏性，在發(fā)送端進(jìn)行一次前置弱測(cè)量，就會(huì)改變量子系統(tǒng)的狀態(tài)。

　　而具體的通信過(guò)程，可以分為通信部分和測(cè)量部分,它們是相互交織的。我們可以定義時(shí)隙T，初始狀態(tài)設(shè)為未知量x，接受端先進(jìn)行一次弱測(cè)量，記錄下此時(shí)的狀態(tài)x’，在T時(shí)間后發(fā)送端進(jìn)行一次弱測(cè)量，此時(shí)只進(jìn)行前置弱測(cè)量，即改變發(fā)送端量子態(tài)，接收端進(jìn)行一次完整弱測(cè)量，記錄下此時(shí)的狀態(tài)x 1 ’，若在T時(shí)隙內(nèi)在發(fā)送端不進(jìn)行后置反饋測(cè)量，則x’一定與x 1 ’不同（此處可設(shè)定閾值），此T時(shí)隙即發(fā)送“1”；若在T時(shí)隙內(nèi)在發(fā)送端進(jìn)行后置反饋測(cè)量，則不改變量子態(tài)，即x’與x 1 ’相同，此T時(shí)隙即發(fā)送“0”,如圖2。由于發(fā)送一位編碼需要兩個(gè)時(shí)隙，所以時(shí)隙不可間斷，且由于碼字只與此時(shí)隙和上一時(shí)隙有關(guān)，所以此系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。時(shí)隙的大小可以決定系統(tǒng)的傳輸速率，在同一個(gè)傳輸系統(tǒng)中，時(shí)隙應(yīng)該設(shè)定為同一個(gè)數(shù)值。從而能夠?qū)崿F(xiàn)同步。若沒(méi)有后置反饋測(cè)量回路，則最終會(huì)破壞糾纏關(guān)系，所以在0和1的編碼設(shè)置上有待改進(jìn)，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)糾纏有效時(shí)間。

　　3 結(jié)論

　　如果本文提出的量子通信方法行之有效，那么信息的超光速傳輸將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，將對(duì)信息技術(shù)行業(yè)乃至太空探索都有絕對(duì)的重要性。而就目前來(lái)說(shuō)，本文所提的方法實(shí)現(xiàn)困難，造價(jià)高昂，因此還需進(jìn)行理論完善和實(shí)驗(yàn)，且具體實(shí)現(xiàn)方法均有待改進(jìn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Bennett C H，G Brassard，C Crepeau, et al. Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels[J].Physical Review Letters,1993,70:1895.

　　[2] Nielsen M A. Quantum Computation and Quantum Information[M]. Cambridge University Press, Cambridge, England,2000.

　　[3] 葛華.量子安全直接通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[D].湖北:華中科技大學(xué),2014.

　　[4] 蘇曉琴,郭光燦.量子隱形傳態(tài)[J].物理學(xué)進(jìn)展,2004,24(3).

　　[5] 何娟.量子弱測(cè)量及量子關(guān)聯(lián)相關(guān)問(wèn)題研究[D].安徽大學(xué),2015.

　　[6] 玉素甫·吐拉克.量子弱測(cè)量理論及其應(yīng)用[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2012.

　　[7] Aharonov Y, Albert D Z, Vaidman L. How the Result of a Measurement of a Component of the Spin of a Spin-1/2 ParticleCan Turn Out to be 100[J]. Physical Review Letters, 1988, 60(14):1351-1354.

　　[8] Vijay R, Macklin C, Slichter D H, et al. Quantum Feedback Control of a Superconducting Qubit: Persistent RabiOscillations[J]. Physics, 2012.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第8期第58頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處