知乎盐选会员精选文章随着我们量子列车的飞驰向前，我们刚刚见识过了量子世界的不连续和不确定性，领悟了很多有趣的概念。
那么这一节，我们又要来见识新的量子实验了。
我们即将了解的实验非常神奇，甚至可以说是量子领域的最不可思议的实验之一，号称是展现神迹的量子实验。
这个实验名字叫做「反事实量子通信」。
这个名词听起来就十分具有神秘的科幻感。
在道格拉斯·亚当斯写的科幻小说《银河系漫游指南》中有一艘神奇的飞船叫「黄金之心」号，那艘飞船用的引擎叫做「无限非概率驱动」引擎。我一直觉得这个名字的创意和反事实通信两者有异曲同工之妙。它们都是把两个很矛盾的名词拼装在了一起，比如「非概率」和「反事实」，从而呈现出一种打破宇宙规则的感觉。
事实上也的确如此，在小说里非概率驱动让飞船能出现在最不可能出现的地方，而反事实通信也能让信息用最想象不到的方式传递。
我们闲话少说，直接开始介绍吧。
这个实验的来源还是经典的杨氏双缝干涉实验，研究量子的科学家们特别迷恋这个简单的实验装置，他们在双缝实验的基础上不断地改进、变形，延伸出了很多奇特的新的实验来。当然，所有的实验都是围绕着光的波粒二象性的特点来展开的。
随着科学家对光的波粒二象性的理解逐渐加深，他们开始意识到光在不被测量的时候呈现波动状态的能力似乎不光是绕过一些障碍形成干涉这么简单，光的波函数在空间中似乎有更强的能力，于是他们做了这样一个小的实验。
首先还是原始的双缝实验，如果我们用波的概念来描绘应该是这样。
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回顾下光的双缝自干涉实验
这张双缝干涉的图大家应该都很熟悉了，我们现在用我们熟悉的虚拟视角来再把这张图示意的实验过程再描述一遍：光从光源发射器发射以后就不存在实体了，变成了一种虚拟存在的波函数。这个波函数在没有被观察以前是没有没计算的。然后按照光传播的速度应该到屏幕位置的时候，屏幕做为一个观测设备开始触发波函数的坍缩计算。
此时波函数应该按什么情况来计算呢，我们在第二节的延迟选择实验里就知道，此时波函数是按它在空间所有可能传播路径的传播情况进行概率叠加得到到达屏幕的总的波函数，最后计算出光子落点。所以，如果我们在光子落屏前一秒，在某条缝隙上加一个探测器，那么干涉条纹就会瞬间消失，这就是我们讨论过的干涉破坏实验。
这时候就有物理学家开始脑洞大开了，他并不想去观测缝隙。物理学家想，如果我们去干扰下这个波会怎么样呢，我们就远远的，在根本就不影响光波的地方干扰一下。
所谓万物讲数学，从数学上讲，概率波穿过缝隙后其实会扩散到整个空间去的，只不过呢光子随机位置主要还是集中在屏幕正中位置附近，在比较偏远的地方概率基本就为零了，观测的时候也几乎不会有光子落在那里。比如，我们挑一个边缘位置，也许观测几千亿个光子也没有一个会落到的地方，在这个地方放一个障碍物会怎么样呢？
从数学上讲，似乎会影响到屏上的波形。
就好像在池塘里，你朝水中间扔石头的波纹扩散回来的细节，和池塘远处是否有头牛站在水里肯定是有关系的，但是关联非常的细微。
从直觉上讲，似乎很难想象这其中的联系。
毕竟那么远，光子基本不会传播到哪里，传播概率差不多是零，所谓概率波到底还是感觉只是一个数学角度的说法而已。
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无处不在的概率波
那么到底有没有影响呢？
实验结果是有！真的影响到了！
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在概率波为零的地方放置障碍物也能影响干涉条纹
这个偏远的障碍物，居然真的像理论计算的那样干扰了看不见的概率波，进而还影响到了屏幕上干涉条纹的分布。
这是不是令人觉得有再一次被现实世界震撼的感觉？在一个光子根本就不会去的地方，放一个完全没有阻挡到光子的障碍物，竟然影响了远处的干涉波纹。这种作用简直就像灵异现象一样难以理解。
这样反常的现象，我们可能看到只是觉得有趣而已，可物理学家们一旦发现了这个现象，肯定不会轻易放过。他们就会想，既然我们能在一个光子都到不了的地方操纵光子的落点，那岂不是可以用来传递信息？
往常传递信息，都是靠对某种信号载体的进行调制来实现的，比如用声波，电流，电磁波或者光信号（其实也是电磁波），这些通讯再怎么复杂本质上都是在操纵某种粒子直接传递信息，可是，如果我们用遮挡概率波的方法来传递信息，就没有对粒子进行任何的操纵，粒子好好地飞过去，然后就携带上信息了。从粒子的角度来看，似乎什么都没有发生，而这种用「没有发生」的事实来进行通信，就叫做「反事实通信」。
有点眩晕感了吧，为什么没有发生，还能携带信息呢？
我们还是赶快祭出我们的虚拟世界的游戏视角来重新理解一下这个事情吧。
话说，在我们的量子游戏里，有一个探险小队正在探索一个副本。
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探索副本的小队
队长跟大家说：「大家打起精神来，我听说这个副本的大 BOSS 巨龙会有几率掉落一把史诗武器。我们今天要争取得到这把武器！」
这时候，队伍里的法师说道：「队长，我也想要啊，可是听说这个副本掉落史诗武器的几率只有 1%，我们只打一次就得到的概率实在是太低了。」
队伍里的弓箭手也说道：「是啊，史诗武器只有巨龙 BOSS 才会掉落，而全副本里面只有一只 BOSS 级别的怪物，其他的小怪都只会掉落普通武器，这样我们就算打通整个副本也很难获得史诗装备。」
这时候，队伍里最聪明的牧师想了想向队长问道：「队长，那副本里面的小怪有多少呢？」
队长说：「不知道，很多吧，好像会刷新，杀不完一样。」
牧师于是笑了，说道：「那我有办法只杀一次 BOSS 就得到这把武器了！」
请问各位聪明的同学，你们猜到了牧师想的是什么办法吗？
其实牧师的办法很简单，他只需要让大家先不断地杀小怪获取普通掉落就好。当小怪掉落了 100 件普通装备以后，再去打 BOSS，BOSS 掉落史诗武器的概率就会高达 99%，而且这个几率还可以用杀小怪拿普通掉落来不断提高，不断逼近 100%。而这整个过程中，大家不用去攻击一刀 BOSS 就能轻松改变 BOSS 的掉落几率，这就是用垫小怪的方式来刷装备啊。
大家看完可能都明白了，为啥垫小怪会有用？
这是因为我们得知史诗武器对于副本来说有一个整体掉落概率，这个掉落率的分母并不是 BOSS 的掉落数量，而是整个副本所有怪物的总掉落数量，所以，我们只需要不断打小怪掉装备来增加分母，就能不断提高史诗装备的获取几率，而这整个过程我们完全不需要去碰一下 BOSS 就做到了。
再进一步想，如果我们在副本里面打了很多很多小怪以后，但是却不击杀这只巨龙 BOSS，而是把它抓起来当做宠物（好像很少有游戏能抓 BOSS 当宠物的，但我们就先假设我们的量子游戏可以吧）。然后，我们再另外再创建一个副本，进去后直接抓一只 BOSS 当宠物。那么这两只宠物看上去似乎完全一样，但是它们的内部确有巨大的区别。先抓的那只一只宠物因为垫过小怪了，所以它现在是一只几乎百分百掉落史诗装备的怪物，而后面这只没有垫过小怪的 BOSS 呢，它掉落史诗装备的概率还是 1%。
这种看起来一模一样，但是内在掉落率确不同的宠物可以干什么用？
其实大家很容易想到，也可以用来编码和传递信息啊，我们把高掉落率的 BOSS 当做 1，而低掉落率的 BOSS 当做 0，那么如果我们有很多 BOSS 就可以组成二进制数列，进而储存数据信息。然后接收方只要按顺序击杀这些 BOSS，根据掉落武器的有无就可以解码信息了。
我们制造了一队完全一样的 BOSS，竟然可以用它们的不同掉落率的排列方式来储存信息，这要是换在现实世界里是怎样的装置？
2013 年著名理论物理学家 Zubairy 的团队就提出这样一个通信实验，他们用了一系列的半透镜，全反射镜构造了一组奇妙的实验方案。
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Zubairy 的实验装置
这套实验装置分成了两个部分：蓝色框内的 A 部分和红色框内的 B 部分。
实验开始以后，光子会从最上面的发射器出发，最后被最下面的两个探测器 D0 和 D1 接收到。在发射器和接收器之间，每一条可能的路线都对应着光子的概率波，但是由于概率波之间会相互叠加、相互抵消，经过巧妙设计，实验装置 B 部分的概率波差不多都被抵消了。如果这样的实验装置有非常多组，那么 B 部分中的概率波就会无限趋向于 0。
这时如果 B 部分我们任由概率波通过的话，整套装置中的概率波就会以一种方式相互叠加和抵消，结果会导致所有的光子跑到探测器 D0 中。
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没有障碍物光子落到 D0
但如果我们在 B 部分的光路上放上无穷多个障碍物，拦住其中一部分概率波（虽然这部分概率波的幅度等于 0），剩下的概率波就会以另一种方式相互叠加和抵消，产生另一种结果，最后导致所有的光子跑到探测器 D1 中。
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放置障碍物后光子会落到 D1
于是，实验就得到了这样一个神奇的结果：虽然不论 B 是否放置障碍物，都不会有光子从那条路上路过，但是，只要 A 发射一个光子，然后看看是 D0 还是 D1 接收了光子，就能反推出 B 是否在半路上放了障碍物！也就是说，A 和 B 之间没有任何粒子通过，仅凭「未发生的事情」（光子并没有通过 B 的地盘/并没有在 B 的地盘被障碍物挡住），就成功地从 B 向 A 传输了信息（障碍物不存在/存在）。已经发生的事情就是事实，在英文中叫作 factual。而「未发生的事情」就是事实的反面，所以彭罗斯将这种通信方式叫作反事实（counter-factual）通信。
大家看，这个实验是不是和刚才的副本掉落模型非常的相似？
实验中的 A 部分对应的就是副本里的巨龙 BOSS，而 B 部分则是副本里的小怪们，探测器 D0 意味着 BOSS 没有掉落史诗装备，而 D1 意味着必定掉落史诗装备。当我们什么都不做的时候，BOSS 的掉落率很低，所以光子基本会跑到 D0 去，而在 B 的路径上放置大量障碍物其实就是在大量击杀小怪。所以 B 部分的障碍物越多，光子跑到 D1 的概率就越大，只要这个实验装置的组数足够的多，也就是小怪数量足够多的话，我们就能让 BOSS 无限接近 100% 的史诗装备掉落率，令光子必定跑到 D1 去。
我们就一直这样在 B 区域增加障碍物，虽然 A 区域没有任何改变（我们没有碰 BOSS 一下），但是 BOSS 的掉落率还是越来越高，这就充分证明了这两个区域之间的一定有某种看不见的联系。
2017 年，中国科学家们还改进了 Zubairy 的实验装置，借助量子的芝诺效应，用比较少量的器件就成功的实现了反事实通信，并成功传递了一张中国结的图片。
中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、陈宇翱等和清华大学马雄峰合作，在国际上首次实验实现了反事实直接量子通信，在实验中演示了图像的反事实传输，相关成果最近以 「Direct counterfactual communication via quantum Zeno effect」为题，发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上 [PNAS 114, 4920 (2017)]。
……Zubairy 等人的原始方案要求有无穷多个干涉仪，这显然是不可能实现的。潘建伟团队通过对原始方案的仔细分析和改进，使得反事实直接量子通信得以实现。一方面，通过使用可预报单光子源和后选择，在较少的干涉仪数目下也可以得到完全的反事实性；另一方面，用被动筛选光子到达时间的策略替代原方案中的高速主动光开关等。整个实验装置如图 2 所示。研究团队实现了技术突破，使用先进的相位稳定技术，首次实现了复杂的嵌套、级联的单光子干涉仪，并成功传输了一张 100×100 像素的中国结图片，传输正确率达到了 87%，如图 3 所示。该方案还可以进一步发展，用于无相互作用成像等领域。
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实验设计
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潘建伟等教授设计的反事实通信实验
这种通信技术甚至比现在最火热的运用量子纠缠的通信技术的安全性能还要好，我们利用量子纠缠特性通信（关于纠缠问题我们后面再讲到）只是能识别出通信是否被第三方窃听，而反事实通信因为不传递任何粒子，窃听者无法截取到任何东西，所以根本无从窃听。
但，这种通信方式究竟是怎么实现出来的呢？
我们思考一下就会发现，我们在游戏中做到这点靠的是已知副本中具有一个全局的整体概率变量在约束内部各个怪物的总掉落比例，从而让我们有办法通过间接方式改变到了巨龙 BOSS 的掉落率。
但是现实中，我们是怎么做到这点的呢？
我们只能承认，现实中的概率波就起到了游戏中的全局概率变量的相同作用。
在实验中，虽然光子并没有跑到 B 部分，B 部分完全没有实际的粒子存在，概率波也几乎为零，但是 B 部分的障碍物却真真切切的影响到了光子的最后落点，这只能说明概率波这种数学概念并不是只存在于我们的理论假设里，而是真实的存在于现实物理世界中！
这如果从虚拟世界视角来解释其实很容易。
用我们之前的思路，我们可以知道，光子在发射后其实就不存在实体了，系统也不会去实时进行路径计算，系统只会等待探测事件的发生。当系统通过发现波函数即将被观测的时候，这时候才会将波函数所有可能到达的路径上的情况进行叠加结算，在实验装置的 B 部分，虽然几率波接近于零，但并不完全等于零，所以依然会被叠加计算到最终的总概率函数里，从而影响到了光子最后坍缩后的落点。
放到游戏里的确人人都能理解，但是在现实世界对我们来说的确是很难接受的事实，这种看不见的概率波究竟是什么呢？这只能说是我们还需要更深刻的认识粒子的非实在性才能理解几率波的含义。
而且，我们如果进一步思考，在这个实验中我们并没有阻挡光子就影响到了光的概率波，进而还影响到了光子的落点，那假如我们再反过来想，是不是等于说我们不需要用光子照射物体，就能感知到是否有物体存在？
有没有突然有石破天惊，晴天霹雳的感觉？
这是什么意思？这就等于说，我们居然可以用不存在的概率波去探测现实物体！
而且这还并不是脑洞开出的幻想，这就是目前还在理论中的几率波量子雷达的基本原理。
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几率波量子雷达的系统构想
是不是有一种将数学武器搬进现实的感觉？
这种先进的量子几率波雷达如果制造出来了，意味着我们只需要用单光子信号就可以探测目标，而且还不需要探测目标的回波。大家可以想象一下，假如这种雷达真的用于军事领域，那不管现在多么厉害的隐身战机，五代机也好，未来的六代七代机也好，都将在这种雷达的几率波下无所遁形。
因为传统的飞机隐身技术都是设法用尽量减少对电磁波的反射或者吸收掉电磁波的方法来躲避雷达探测，可是这对于几率波雷达来说毫无作用。因为几率波雷达可以不对目标发射任何电磁波或者粒子，仅仅依靠目标对几率波的微弱影响就能感知到目标的存在，而目标所在位置甚至连几率波几乎为零都会被发现。
至于这个几率波到底是什么，这恐怕连现在最厉害的物理学家都说不出来，那更谈不上如何防范几乎为零的几率波了。
这就像量子游戏里的那只巨龙 BOSS，怎样才能防止在连玩家都没有见到的情况下，自己体内的掉落率无缘无故地升高呢？如果你不能看到系统的底层代码，你根本无法理解此事，更谈不上如何干预。这相当于要在现实系统底层作弊啊，那得是什么样的神级黑客技术才行。
所以如何才能防止几率波的探测，或者对几率波如何隐身，这恐怕未来会成为下一代先进战机先进导弹将要面临的巨大挑战吧。
人类战争早已经发展到核武器阶段，没有人可以否认核武器是现在人类拥有的最厉害的武器，但是也许未来我们可以使用数学概率武器，在无声无息中将核子的分裂概率置零，令敌国的核子武器全部失效，而且还无法用常规方式防范。
而且，也许我们还能从概率维度去干扰雷达回波的坍缩结果，影响激光陀螺的输出精度，破坏航空器的导航计算…… 这才是真正的用高维度技术碾压对手。
在科幻小说里想象得那些宇宙大战，那些超级文明似乎都要建造巨大的太空战舰，使用毁灭星球甚至整个星系的能量。但会不会宇宙中真正的超级文明的战争，只是在无声无息中用数学或者逻辑规则互相较量而已。
真正的超级文明级别的对决，也许并不是比谁动用的能量和物质更多，而是谁掌握的物理规则更加底层，拥有更高的技术维度。这种超级大战也许连一艘我们能理解的实体战舰都不会出现，但是可能无数星系的命运都已经被规则武器给彻底改变了。
我们的脑洞又开的过大了，好了，我们还是回到我们的量子列车上，列车又要继续隆隆向前了。我们这章再次见识到了现实世界和虚拟世界的相似之处，也见识了不通过物质也能传递信息的神奇实验。
下一站，我们还将继续前行，见识量子不确定性带来的另一个不可思议的现象——量子隧穿。