趣说量子世界 / 第5章
垫小怪也有用?
一次光子没有被目标吸收的记录,怎样携带关于目标的信息?反事实通信在理论与实验中又有哪些限制?
从一个有暗端的干涉仪出发,我们计算光子被吸收、落在明端和落在暗端的概率,再比较原书的游戏类比、嵌套通信协议和中国结图像实验。关键是看清成功事件、损耗和关于光子路径的不同判据。
开始阅读 ↓尚未标记已读没有撞上,怎么知道有障碍?
假设一个光学装置中有两条可能路径,在适当调节下,光沿两路到达某个探测器的振幅恰好相互抵消。这个探测器称为暗端:理想情况下它不会响。如果在其中一条路径放入吸收障碍,原来的两路干涉条件改变,暗端就可能响起。只要装置校准良好,一次暗端响铃就给出了障碍存在的证据,尽管这一成功事件中障碍并未吸收该光子。
这称作无相互作用测量的一种理想例子。“无相互作用”说的是选出的那次成功事件没有发生目标吸收,并不是说整个实验不需要光源、路径、仪器或物理过程。其他试次可能被障碍吸收,也可能出现无法判断的结果,必须计入总账。
原书先用双缝和远处障碍描述这个想法,并声称在振幅严格为零的地方放置障碍仍会影响条纹。必须区分“很小”和“严格为零”:如果一个局域障碍在有关演化期间作用区域内的波函数始终严格为零,单凭它不会改变结果;实际影响要看波如何到达该处、边界及具体装置。原书没有提供足够细节证明其极端例子,不能将此作为普遍实验结论。
先算一遍:成功、失败和损耗
用一个对称干涉仪说明概率:单光子经过第一个 50:50 分束器,两路振幅在第二个分束器重合;没有障碍时,相位调到理想暗端概率为零,另一端概率为一。现在让其中一路有一个完美吸收障碍。
有一半的入射试次在障碍处被吸收;另一半到达第二个分束器,再以相等概率到两个探测器。于是每个入射光子的结果为:吸收 1/2、明端 1/4、暗端 1/4。暗端响铃能确认障碍存在而该次没有吸收;明端响铃则与无障碍的情况也相容,不能凭它确定障碍是否存在。
这些是无损元件、理想对称分束器及完全吸收障碍的示例,不是原书嵌套通信装置的成功率。有限效率、背景计数和不完美干涉都会改变数值;暗端并非实际永不误响。判断可靠性还要测量这些误差,以及把所有发出的光子与没被记录的试次一并统计。
暗端点击确认障碍且该次未被吸收;明端不能单独确认。
“垫小怪”说明什么,不说明什么
原书用游戏讲述:巨龙原本以 1% 的概率掉落装备,玩家先击败大量小怪,设想系统的共同计数规则让巨龙掉落概率升高;于是可以用两种不同掉落率作为编码。这是作者构造的游戏规则,不是通常随机抽奖的普遍规律。
如果每次巨龙掉落都是固定 1% 且与其他掉落独立,那么之前击败多少小怪都不会改变下一次巨龙的 1% 概率;若某游戏确有保底或共享计数,才需要根据具体规则重新计算。仅凭“小怪掉了 100 件”不能推出下一次概率 99%,更不能将这个数字套给光学实验。
在干涉仪中,障碍影响的是整个装置的物理演化及各输出端的概率幅,不是给某个探测器加一个神秘的全局保底。类比能让人追问远处装置设置怎样改变可观测结果,但它本身不能计算结果,也不能证明宇宙是一套游戏程序。
从一次检测到通信协议
通信需要两个参与者:发送方 Bob 通过设置一段路径为阻挡或不阻挡来编码,接收方 Alice 制备和检测光子,再根据协议指定的探测结果推断比特。简单的暗端方案只在部分试次明确发现障碍,并不能用一次探测可靠无误地读出两种选择。
2013 年 Salih、Li、Al-Amri 与 Zubairy 提出了嵌套、链式干涉仪协议。多个小角度步骤与反复的路径限制构成量子芝诺效应:在适当条件下,频繁检查或等效的强耦合可以抑制特定演化。它不是“任何测量都让系统永远静止”;有效性依赖装置、初态、检查方式和次数。
原协议讨论的是理想渐近极限:当所需循环参数按协议取极限且装置理想时,成功概率可以接近一,并在其判据下讨论传输信道中没有粒子的事件。有限次数并非无穷次,成功、失败、吸收以及不同编码值的路径分析必须分别报告;不能把“趋近一”写成每次必然成功,也不能由一条探测记录直接断言所有可能路径都没有振幅。
示意协议任务;有限设备不能保证每次成功,探测器对应须由具体方案定义。
实验里的中国结:结果和分母
原书介绍 2017 年中国科学家团队的实验:研究者利用可预报单光子、嵌套干涉及量子芝诺效应,逐位传输一幅 100×100 像素的中国结单色图像。这个结果展示了复杂干涉装置可以把发送方两种设置与接收端统计关联起来,不是把整幅图像无损地一次送出。
论文报告的平均误码率是 12.7%,即已记录的比特约 87.3% 正确;这是后选择的成功探测数据中的准确度,不是每个发射光子都成功到达并正确解码的概率。论文还报告总信道损耗 52 dB,许多比特没有成功探测,Alice 为同一比特重复发送并向 Bob 反馈,然后再推进下一比特;图像传输约用 5 小时。损耗、重发和反馈是实验过程的重要部分。
论文在它采用的统计与后选择判据下估计,所选探测事件中约 98.6% 的光子没有通过信道,另约 1.4% 被视为泄漏;这既不是所有发射试次的比例,也不自动排除其他路径判据下的弱痕迹。实验使用了物理光路、相位稳定和反馈;“反事实”不等于没有任何物理资源或交互。
两项数值分母与含义不同;正确率不是每次发射成功率。
路径、弱痕迹和“绝对安全”
判断一个量子粒子在未直接测量时“在哪里”,需要先说清采用什么操作判据。某些分析用成功探测与吸收事件来界定反事实;另一些研究用微弱耦合留下的可测痕迹分析信道。不同定义对某些嵌套干涉方案会得出不同结论,相关问题仍有研究争论。不能把某一判据下的结论扩大成所有意义上的“从来没有光子或物理影响”。
2023 年的一项后续实验研究了改进方案,并按弱痕迹判据报告成功事件中的信道痕迹低于实验噪声;论文也指出丢失的光子及稳定装置中的光等问题。这说明讨论必须带着装置和筛选条件,而不应将一条路线图视为对所有实验的最终裁决。
原书说由于没有粒子传递就“根本无从窃听”,这个结论过强。真实系统可能有泄漏、损耗、探测器缺陷、稳定光及反馈等侧信道;安全必须针对具体协议、攻击模型和实际设备证明,不能从名称或一项实验自动推出。它也不能据此证明可以超光速发送消息。
从探测猜想到现实边界
原书进一步设想利用类似思想探测目标,甚至想象可穿透一切隐身手段的雷达、概率武器及对宇宙规则的控制。它的探测问题值得提出:能否设计一种装置,让一部分成功事件在目标没有吸收探测光子的情况下提示目标存在?无相互作用测量正是对这种受限问题的研究。
但从受控干涉实验到远距离雷达,还需要光路、相干、背景、目标反射或吸收、损耗、噪声、检测率和误报率等具体工程与实验证据。论文中的演示不能证明能无条件发现任意隐身目标,更不能证明可以操控核反应或任意修改自然规律;这些是原书的想象。
反事实通信的真正启发是:一次没有发生吸收的成功记录,也可能携带关于装置设置的信息。要理解它,需要将振幅、输出统计和筛选条件放在一起,而不是把“没有被吸收”扩大为“什么都没有发生”。
回到核心问题
本篇的关键结论
- 暗端点击可以在理想条件下提示障碍存在,成功事件没有被目标吸收;失败和吸收试次仍需计入。
- 嵌套协议中的理想极限、有限试次和后选择统计是不同概念,不能把趋近一说成必然。
- 2017 年图像实验的正确率以记录结果为分母;路径判据、安全和实际损耗仍有条件。
理解的边界
- 简单干涉仪概率只适用于所述理想模型,不是嵌套协议的成功率。
- 原协议的反事实判据及理想极限与有限设备、后选择和不同路径判据须区分。
- 通信安全和是否可探测目标需针对具体设备、损耗、威胁模型与实验数据验证;原书对绝对安全和概率武器的推断未获实验支持。
理解与迁移
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原书:趣说量子世界:“上帝”的游戏 · 阿布大树
对应物理PDF页码:87–102。