[论文解读] Do the laws of physics prohibit counterfactual communication

Hatim Salih, Will McCutcheon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Quantum Mechanics and Applications参考文献 19被引用 14

一句话总结

本文提出了一种使用后选择量子粒子的反事实通信协议，证明了爱丽丝发送的光子从未到达鲍勃，却仍能传达他的信息。通过弱测量和一致历史理论，该方案实现了向鲍勃传递比特的近乎完美保真度，实验性地同时关闭了两个漏洞，并挑战了长期以来认为反事实通信在物理定律上根本不可能的猜想。

ABSTRACT

It has been conjectured that counterfactual communication is impossible, even for post-selected quantum particles. We strongly challenge this by proposing exactly such a counterfactual scheme where---unambiguously---none of Alice's photons that contribute to the message from Bob have been to Bob. We demonstrate counterfactuality experimentally by means of weak measurements, as well as conceptually using consistent histories---thus simultaneously closing both loopholes. Importantly, the fidelity of Alice learning Bob's bit can be made arbitrarily close to unity.

研究动机与目标

• 挑战长期以来认为反事实通信在物理定律上根本被禁止的猜想。
• 在使用后选择量子粒子的方案中，同时关闭探测漏洞和反事实通信漏洞。
• 从实验和概念上证明，信息可以在没有任何物理粒子从发送者传送到接收者的情况下实现传输。
• 仅通过反事实手段，实现向爱丽丝传递鲍勃的经典比特的任意高保真度。
• 通过弱测量和一致历史形式化方法验证该方案，确保其在概念和实验上的稳健性。

提出的方法

• 设计一种量子通信协议，其中制备在叠加态的光子经过后选择，使得携带信息的爱丽丝光子实际上从未到达鲍勃。
• 实施弱测量，以间接观测光子是否存在于通往鲍勃的路径上，同时对系统扰动极小。
• 应用一致历史理论，为反事实通信提供一个概念框架，确认其在逻辑上的一致性。
• 利用后选择筛选掉光子与鲍勃发生相互作用的路径，确保仅反事实路径对信息传递有贡献。
• 校准协议，通过调节测量强度和后选择条件，使爱丽丝获知鲍勃比特的保真度任意接近1。
• 开展实验实现，以验证通信的反事实性质和高保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 反事实通信是否可能在没有任何物理粒子从鲍勃传送到爱丽丝的情况下实现？
• RQ2 使用后选择量子粒子是否能够实现无漏洞的反事实通信演示？
• RQ3 弱测量与一致历史理论能否共同在实验和概念框架中验证反事实通信？
• RQ4 反事实通信的保真度在多大程度上可以任意接近1？
• RQ5 是否可能在一个协议中同时关闭探测漏洞和反事实通信漏洞？

主要发现

• 所提出的协议明确展示了反事实通信，因为携带信息的爱丽丝光子从未实际到达鲍勃。
• 爱丽丝获知鲍勃比特的保真度可被调节至任意接近1，证实了无需粒子交换即可实现高保真度信息传输。
• 弱测量成功提取了关于鲍勃比特的信息，且未显著扰动系统，证实了通信的反事实性质。
• 一致历史理论为反事实方案提供了概念上的验证，确认其在逻辑上的一致性。
• 实验同时关闭了探测漏洞和反事实通信漏洞，增强了对真正反事实通信的可信度。
• 结果挑战了主流猜想，即反事实通信在物理定律上根本被禁止。