王?楠（西安科技大學，西安?710054）

　　摘?要：由于量子信道的糾纏特性在量子通信方面沒有很好的發揮，本文提出了一種測量量子信息改變量的量子通信方式，該方法能夠繞過量子通信中的經典信道部分，并借助弱測量的方法使得其在試驗中有極大可能可以實現，從而實現超光速通信。

　　關鍵詞：量子糾纏；弱測量；通信

　　0 引言

　　隨著量子力學的發展，量子糾纏特性越來越成為量子信息領域中不可替代的重要資源，它己被廣泛應用于量子通訊、量子密鑰分發和量子隱形傳態等各種量子處理過程中 ^[1-2] 。量子糾纏體現出的多個量子系統之間存在非經典的特點，例如強關聯性和非定域性，是能夠區別量子領域和經典領域的一個顯著特征。由于糾纏態具有強關聯的特點，因此兩個粒子無論在空間距離上有多遠,它們互相之間都會有量子領域的聯系，如果對其中一個粒子的測量將會使另外一個粒子量子態的狀態出現塌縮 ^[3] ，即能夠確定粒子的狀態。對于這種鬼魅般的超距作用，在量子遠程通信中是很有發展前景的。

　　1 基本原理

　　在量子力學理論中，人們習慣上將半自旋粒子A和B (EPR對)的兩個態分別記為|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。它們作為一個系統處于如下的量子態(稱為EPR 態) ^[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。對其所表示的量子態系統在被測量之前，每一個粒子的自旋狀態雖然只有兩種，但都是不確定的，只能單獨地計算出其中一個粒子被測量后得到的一種結果的概率是1/2，一旦某個人測量了其中一個粒子的自旋狀態，那么另外一個粒子的自旋狀態也就立刻確定下來，即為前一個粒子相反的狀態；而且不論兩個粒子在空間上相距多遠，只要這種糾纏特性不消失，它們都處于這種相互關聯的狀態，這就是量子力學的非局域效應(non-local effect)。

　　如今根據文獻^[1]在量子通信中使用的技術是量子隱形傳態，可以從其基本原理中找到進行遠程通信的方法。然而量子隱形傳態需要經典信道，這一部分卻制約了量子糾纏在通信中的先天優勢。如果能夠克服經典通信的限制，那么會對量子通信帶來極大的發展。但我們如何才能看到“盒子里的貓”呢？

　　2 利用弱測量進行量子通信的設想

　　由于在上述量子隱形傳態中，需要傳送的是未知態粒子的全部量子信息，就只能通過提取量子信息和經典信息的方式來傳送。這對于量子保密通信是很有用的，但不能解決遠距離通信。經典信道的延遲和干擾，以及對傳統網絡的負載壓力對于追求安全準確大容量的通信方式來說無疑是短板一塊。因此，如何繞過經典信道來傳輸信息就是本文研究的主要問題。

　　而由于量子態的塌縮效應，無論測量或是觀察均會引起量子態的塌縮，使其失去量子態的各種屬性，從而產生退相干。為了避免塌縮，我們可以使用弱測量的方法，量子弱測量實質是在馮·諾依曼測量和半正定算子值測量的基礎上發展出來的一種部分塌縮測量。在兩比特量子態遭遇退相干環境之前執行前置的量子弱測量并在遭受環境后執行相對應的反饋測量能有效地保護量子態的糾纏 ^[5] 。從原理機制上看，結合前置的量子弱測量和后置的反轉測量能有效地抑制退相干的原因主要有兩點：第1，執行前置量子弱測量的作用是先降低系統激發數所占的權重，以便在遭遇噪聲環境時減少受其影響；第2，執行反轉測量的作用是使量子態與噪聲環境作用以后重新恢復激發數的權重，可以使被破壞的初始態得到概率性恢復。在量子弱測量的方案中，單次進行測量時不會出現波包塌縮的情況，并且可以保留量子系統的相干疊加性，其代價是進行一次測量得到的關于系統的信息量很小 ^[6-7] 。隨后可以將小信號進行放大，直到能夠檢測到量子系統的改變量即可，這樣就可以測得信息。

　　上文提到的弱測量已經在實驗室中實現，R. Vijay領導的小組完成了名為《量子位的量子反饋控制》的弱觀測實驗報告 ^[8] ，這是一個基于頻率的測量。其中設計的反饋控制環路能夠產生反饋來修正系統觀測所帶來的影響，從而測量并記錄了能夠連續跟蹤和使用反饋的量子態，能夠使用超導回路在不破壞量子態的前提下進行量子測量，并且已經證明了：一個連續的模擬反饋方案能夠穩定地在超導量子比特回路下進行振蕩，并使他們獨立持續地存在。

　　其具體的實驗方法是：搭建一個量子系統，如圖1，一種由一個電容并聯的約瑟夫森結實現的非諧振蕩器，彌散耦合于一個三維微波腔中。使用兩個最低能級（ω01/2π=5.4853 GHz）形成一個量子比特。在基態的量子比特的諧振腔的諧振頻率是ωc/2π=7.2756 GHz。強耦合的輸出端口設置的諧振譜線寬度13.4 GHz，而控制和測量信號通過弱耦合輸入端口注入。量子位腔耦合導致了在腔輸出字段的一個狀態依賴相移(0.687 GHz)，其中的狀態信息包含在一個正交信號上。腔的輸出發送到附近的一個無噪聲的相位敏感的參量放大器（結）以促進相關正交電路到與經典電路相適應的水平。該參量放大器輸出被進一步放大和零差檢測，以使得擴增的正交（Q）包含了最終的測量信號。

　　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到只傳送部分量子態，進而測量前一次傳送和后一次傳送的改變量即可。例如，若設第一次傳送的狀態為|0>，第二次傳送的狀態為|1>，則可判斷為一次改變，記為1；若第二次仍為|0>，則記為0。由于量子態的糾纏性，在發送端進行一次前置弱測量，就會改變量子系統的狀態。

　　而具體的通信過程，可以分為通信部分和測量部分,它們是相互交織的。我們可以定義時隙T，初始狀態設為未知量x，接受端先進行一次弱測量，記錄下此時的狀態x’，在T時間后發送端進行一次弱測量，此時只進行前置弱測量，即改變發送端量子態，接收端進行一次完整弱測量，記錄下此時的狀態x 1 ’，若在T時隙內在發送端不進行后置反饋測量，則x’一定與x 1 ’不同（此處可設定閾值），此T時隙即發送“1”；若在T時隙內在發送端進行后置反饋測量，則不改變量子態，即x’與x 1 ’相同，此T時隙即發送“0”,如圖2。由于發送一位編碼需要兩個時隙，所以時隙不可間斷，且由于碼字只與此時隙和上一時隙有關，所以此系統抗干擾能力強。時隙的大小可以決定系統的傳輸速率，在同一個傳輸系統中，時隙應該設定為同一個數值。從而能夠實現同步。若沒有后置反饋測量回路，則最終會破壞糾纏關系，所以在0和1的編碼設置上有待改進，從而延長系統糾纏有效時間。

　　3 結論

　　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成為現實，將對信息技術行業乃至太空探索都有絕對的重要性。而就目前來說，本文所提的方法實現困難，造價高昂，因此還需進行理論完善和實驗，且具體實現方法均有待改進。

　　參考文獻

　　[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絡技術研究[D].湖北:華中科技大學,2014.

　　[4] 蘇曉琴,郭光燦.量子隱形傳態[J].物理學進展,2004,24(3).

　　[5] 何娟.量子弱測量及量子關聯相關問題研究[D].安徽大學,2015.

　　[6] 玉素甫·吐拉克.量子弱測量理論及其應用[D].北京:中國科學院研究生院,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.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第8期第58頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處