解決“Tracking the King”量子回溯問題的理論方案雖然在2013就被提出，並發表在《物理評論快報》上，但是近期上海交通大學金賢敏團隊才首次實現了這一問題的實驗演示，有望為量子信息傳輸提供新思路。該研究成果以“Experimental Test of Tracking the King Problem”為題，發表在Research（DOI: 10.34133/2019/3474305）上。
01
物理學家Alice坐船擱淺在一座島上，而這座島由一位性情古怪的國王統治。這位國王是個愛貓狂人，有一次，當他聽說了“薛定諤的貓”的遭遇之後，深感氣憤，認為物理學家對貓太不友好，國王因此十分討厭他們。所以，當物理學家Alice落到他手裡的時候，國王決定要給貓報仇！他決定以其人之道還治其人之身，於是想出了一個自以為絕妙的辦法來懲罰物理學家Alice。
國王把物理學家帶到他的皇家實驗室，這個設施非常齊全的豪華實驗室幾乎可以完成任何實驗。國王給Alice的難題是，允許他將一個銀原子製備到任意狀態，然後國王命令下屬在Pauli X, Pauli Y和Pauli Z這三個測量基矢中任意選擇一個來測量這個原子的自旋，但是此時並不告訴Alice選擇的是哪一個測量基。之後，國王把原子交還給Alice並允許他進行任何實驗操作，但是，只有在這個任意操作結束以後，國王才會把之前選擇的測量基矢告訴Alice，並且要求她直接說出正確的測量結果，否則就將她處死！
這樣一個看似不可能完成的任務，結果卻令國王大失所望，物理學家欣然接受了這個挑戰！而且，國王大為不解的是，無論重複多少次，物理學家總能給出正確的答案，完全無法用運氣來解釋呀！那麼，物理學家Alice到底怎麼做到的呢？其實，這裡她就是巧妙運用了量子糾纏態的神奇特性來逃過一劫。
上述的小故事就是著名的Ming King’s Problem（以下簡稱MKP）。MKP的思想實驗最早源自1987年Vaidman等提出的理論，後來經過M. Revzen和A. Kalev等的發展，將其系統的希爾伯特空間的維度大大拓展，並衍生出包括Tracking the King Problem（以下簡稱TKP）在內的變體版本。
02
在MKP中，刻薄的國王只告訴Alice自己選擇的測量基矢，讓Alice自己說出正確的測量結果，這是這個量子回溯問題最初的形式，但是，提供給物理學家測量的基矢信息似乎還不夠“刻薄”，於是有了條件更為嚴苛的TKP問題，在這個衍生的思想實驗中，國王並不告訴Alice自己選擇的測量基矢，而讓Alice自己去“猜”。解決這樣一個量子回溯問題的理論方案早在2013就被提出過並發表在《物理評論快報》上。
近日，上海交通大學的金賢敏教授研究團隊第一次在實驗上演示了這樣一個量子回溯的思想實驗（圖1-圖2）。
圖1 量子回溯思想實驗的實驗方案
圖2 量子回溯思想實驗的裝置圖
Alice端通過自發參量下轉化產生雙光子最大糾纏態，將其中一個光子發送到King端，King在隔離環境下選擇無差基{X, Y, Z}中的一個對收到的光子做極化態測量，然後將光子還給Alice。Alice隨後對雙光子系統通過C-NOT門做聯合測量，從而回溯出King所選擇的測量基。
圖3的結果則顯示了Alice對King選擇的基矢信息的回溯：其中彩色的柱體部分直觀的展示出了Alice通過聯合測量回溯出的信息。實驗結果和理論基本一致，從而首次在實驗上演示了TKP問題的解決，對量子測量機制的研究提供了實驗參考。
圖3 Alice對King選擇的基矢信息的回溯
03
在經典力學的世界裡，一次不記錄測量結果的測量不能提供任何信息。試想在宏觀世界裡有這樣一個情景，有一個未知質量和體積的物體，有人測量了它的質量或者是體積，但是卻不告訴你測量的結果，只告訴你測量的是哪一個維度（質量或者體積），你就能知道測量的結果（該物體多重或者多大），這聽起來可能嗎？但是，在量子力學的世界裡，類似的事情的確可以做到，因為任何對量子系統的測量，都會不可避免的留下“作案痕跡”，從而為試圖回溯者提供線索。
這樣就提供給我們一個反直覺量子信息傳遞的可能性。簡單來說，既然Alice可以回溯出King所使用的測量基矢，那麼King反過來也可以把要發送給Alice的信息通過測量基矢的選擇來編碼，從而達到和Alice傳遞消息的目的。圖4展示了King利用上述方法進行編碼，Alice通過聯合測量回溯信息的結果：
圖4 Alice通過聯合測量回溯信息的結果
由於編碼的信息隱藏在量子測量中，這種信息的傳遞將具備一定的隱蔽性和安全性，其安全性還有待進一步研究來證明。
04
金賢敏，上海交通大學教授，博導，2008年獲中國科學技術大學博士學位，博士論文入選全國百篇優秀博士論文獎。2010年赴牛津大學做博士後，2012年同時獲得歐盟授予的瑪麗居里學者和牛津大學沃弗森學院學者。2014年11 月開始在上海交大組建光子集成與量子信息實驗室。2019年7月破格升為長聘正教授，2019年12月成立上海交大集成量子信息技術研究中心並擔任中心主任。先後獲上海千人計劃、國家青年千人計劃、曙光學者、上海青年科技英才獎、上海青年科技啟明星等支持。長期致力於光量子芯片的設計和製備，以及量子計算、量子通信和量子存儲的芯片化集成化的研究和研發。已發表論文60餘篇，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，獲得國家發明專利5項。擔任Photonics Research（OSA）副主編，IET Quantum Communication（IET）副主編，PhotoniX（Springer Nature）編輯和Advanced Intelligent Systems（WILEY）國際編委。
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