用量子粒子來發(fā)送信息近來是一個非常熱門的研究課題，在最新的兩篇論文中，物理學家表示，只需使用一個單光子——構成光的粒子，就能讓兩個人同時向對方傳送信息。這項壯舉依賴于量子力學的奇異特性——疊加，即粒子可以同時有效地占據兩個地方。
一般來說，通訊（或交流）是指從發(fā)送者向接收者傳遞信息的一個過程。然而，在一篇新刊登在《物理評論快報》的論文中[1]，維也納大學的物理學家 Flavio Del Santo 和奧地利科學院的 Borivoje Daki? 表示，在量子世界中，信息可以同時向兩個方向傳播——而這種現象在信息只會從發(fā)送者單向傳輸給接收者的經典物理世界中是不可能存在的。
在經典通訊中，無論是電子郵件、短信還是電話，都是將信息嵌入一個信息載體，再進行通訊的。這些載體可以是一次只能朝一個方向傳播的粒子或信號。若要讓同一個信息載體能進行反向的通信操作，就必須等到這個信息載體（如粒子）在抵達接收端之后，再由接收者將其傳送回給發(fā)送者。換句話說，通過使用單個粒子在單次交換中進行雙向通信是一件不可能的任務。
然而，新的研究使這種不可能變?yōu)榱丝赡?，其中的的關鍵就在于“量子疊加”這一概念：若要完成這項操作，我們需要一個處于量子疊加狀態(tài)的粒子，這意味著這個粒子能“同時存在”于不同的位置上。因此，這兩個位置上的粒子能夠同時將它們的信息編碼成單個量子粒子——又一件對經典物理學來說不可能完成的任務。
那究竟是如何做到的呢？我們可以想象如下情景：
Alice 和 Bob 兩人各自處于相隔一定距離的兩處不同位置。在標準的經典物理學中，Alice 和 Bob 要擁有各自的光子，才能同時向對方發(fā)送信息，其中每個光粒子所傳輸的單比特要么為0，要么為1。
○ 如果一個單載波（速度不超過光速）在Alice和Bob之間進行多于一次的傳播所需的時間，比通信所允許的時間τ要長，那么它只能單向的將信息從Alice傳給Bob（藍箭頭）或者Bob傳給Alice（紅箭頭）。| 圖片來源：[2]
但是，如果Alice 和 Bob 擁有同一個處于疊加態(tài)的光子，他們都可以對這個光子進行編碼（0或1），在編碼之后再將其發(fā)送回給對方。而他們各自操縱光子的方式決定了誰最終能接收到這個光子：如果 Alice 和 Bob發(fā)送的是相同的比特（都是0或者都是1），那么光子會被 Alice 收到；如果發(fā)送的比特不匹配，那么光子會被 Bob 收到。由于他們各自清楚自己編碼的是0還是1，因而便能瞬間知道對方編碼的是0還是1。
○ 量子疊加中的信息載體能克服這種限制，并進行雙向通信。| 圖片來源：[2]
為了表明這種理論是可行的，維也納大學的實驗物理學家 Philip Walther 和 Del Santo、Daki? 與他們的同事一起對論文[1]中提到的情境進行了實驗演示，并將這一技術發(fā)表在另一篇論文中[2]。
Walther 和他的同事們需要在兩個端口—— Alice 和 Bob 之間的中間位置設計一個裝置，來實現例如分束器概念所能達到的效果：當攜帶信息的粒子撞擊這個裝置時，能確定它要么會被反射給 Alice，要么給 Bob。
○ 粒子在位置A和B處處于疊加。在時間t = 0時，Alice和Bob編碼它們的粒子并將其發(fā)送給對方。在傳送途中，粒子遇到整體裝置后，以相干的方式被“半反射”和“半透射”。
○ 粒子在位置A和B處處于疊加。在時間t = 0時，Alice和Bob編碼它們的粒子并將其發(fā)送給對方。在傳送途中，粒子遇到整體裝置后，以相干的方式被“半反射”和“半透射”。| 圖片來源：[1]
