2011-09-29 15:19:44
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王国文：谈谈对无作用测量和反事实量子密码术的认识
[摘要]在量子物理中引入初包的含峰片、峰外片、不含峰片概念能无佯谬地解释双缝干涉、量子隧穿、量子纠缠和量子-经典过渡。有了以空波为特征分量的不含峰片，无作用测量的真相赫然在目。同样，惠勒延迟选择效应、量子路径信息擦除效应、阿哈罗诺夫-玻姆效应等的真相也暴露无遗。还有，量子非定域性的荒诞、量子退相干纲领的谬误、量子隔空传输巫术、多光子纠缠魔术、量子密码绝对安全神话，也都统统昭然若揭。这里论证，无作用非无，反事实不反，反事实量子密码术并不具有无条件的安全性。量子通信专家常说，量子密码的无条件安全性为量子力学的基本原理所保证，量子密码派也常特意用这句话来与现代密码派博弈，可惜此话查无实据，纯属假大空话。看来，现时不该稀里糊涂投巨资去搞大规模量子密码工程，应先去切实认识有关的物理规律。
自从2009年韩国物理家卢泰坤（Tae-Gon Noh）发表文章“反事实量子密码术”[1]以后，我们国内有多个研究组很快跟进，国外尚少见。反事实量子密码术，也称N09协议，是根据1993年以色列物理学家厄黎策（A. C. Elitzur）和维德曼（L. Vaidman）提出的“无作用测量”概念建立的。这两位发表的文章的题目为“量子力学的无作用测量”[2]。然而，人们的普遍经验是，凡测量皆需要物理作用，难道量子测量不是这样的吗？他们认为在某些情况下测量仅仅需要“作用的可能性”。无作用测量看似反事实的，所以，反事实量子密码术也就是无作用量子密码术。“无作用测量”这个名称颇受争议，例如，帕维希（M. Pavicic）在文章“共振无能量交换探测和‘哪条路径’实验”中写道：“但是我们用名称无能量交换实验以强调这个事实，即被探测物体要与测量仪器发生作用，甚至无能量子hv转移给它。”[3] 他指的是如玻尔强调的非力学作用。相比之下，带有哲学意味的“反事实测量”这个名称则容易蒙混。它是指，在某些情况下，从测量可以得到可能会发生过什么的信息，但什么也没有真正发生过。搞反事实量子密码术者几乎都说，它具有无条件的安全性，为量子力学的原理所保证。郭光灿等于2010年7月发文“反事实量子密码术的安全性”[4]，称他们考虑它与纠缠提取协议过程的等价性证明了N09协议的无条件安全性。潘建伟等于2011年7月发文“反事实量子通信的实验演示”[5]，称他们已取得反事实量子通信的忠实而圆满的实现，在其过程中信息载体似乎没有走过量子通道。后面要指出，无作用非无，反事实不反，N09协议并不具有无条件的安全性，谬误出在对量子力学的错误理解上。
厄黎策和维德曼的论证是用马赫-曾德尔干涉仪，它由两个半反半透分束镜，两个反射镜和两个探测器组成。在这种干涉仪中，一个光子的波被第一个分束镜分成两个成分，它们分别经过光路a和b在第二个分束镜上再联合，最后光波在探测器上被假设坍缩成光子。而光子则被认为是只经过一条光路进入某个探测器的。这种认识符合玻尔的互补原理，即光子是“波或粒子”，不是“波和粒子”。因此，假如在一条光路b上放一枚单光子吸收触发灵敏的炸弹，如果进入干涉仪的一个光子在这条光路上碰到它并被吸收，它就爆炸。如果这时在某个探测器（D2）上测到一个光子，炸弹未被触发爆炸，那么这个光子一定是走了另一条光路a。然而，干涉仪原先（也是通常）是这样安排的，当炸弹未放前，不管经过哪条光路的光子由于自干涉，均进入探测器D1，无一进入D2。因此放炸弹后在D2上测到的光子必定是经过光路a到达的。于是他们做出结论，未有光子碰到炸弹，也能测到炸弹存在的信息。这好比在黑暗中看到了东西。在这个意义上他们称之为“无作用测量”。再者，如果D1和D2（假想有100%量子效率）上都未测到光子，炸弹也未爆炸，那么那一定是个哑弹。
现在来解释他们的这个思想实验。我们知道量子物理中的许多基本问题与“粒子”这个概念相关，如果我们能够用纯波建立的模型说明一切像粒子的性质，则量子现象解释中的佯谬自然不复存在。好在现在已经发现，在相对论框架内能建立一个由无数潜波等权相加而成的不发散波包，它的特征分量就是我们熟知的波函数，即能建立一个综合波粒二象性的微观粒子模型--初级波包（简称初包）。[6] 这种波包不会发散，是因为其中的潜波只有一个成分--特征分量--与粒子的动量和能量相关。由此类特征分量组成的波包是次级波包，像德布罗意波包和光脉冲，要发散是其特征，因为其中的波成分各与不同的动量和能量相关。冯·诺伊曼和其他许多人证明在量子力学中凡波包皆发散，那都是所述的次级波包，其中的成分是熟知的普通波，而不是假设的潜波，对潜波的频率和波矢，爱因斯坦-德布罗意关系式一般不适用，仅适用于特征分量。很自然，用初包的含峰片、峰外片、不含峰片概念能无佯谬地解释双缝干涉、量子隧穿、量子纠缠和量子-经典过渡。[7-10] 有了以空波为特征分量的不含峰片，无作用测量的真相赫然在目。同样，惠勒延迟选择效应、量子路径信息擦除效应、阿哈罗诺夫-玻姆效应等的真相也暴露无遗。还有，量子非定域性的荒诞、量子退相干纲领的谬误、量子隔空传输巫术、多光子纠缠魔术、量子密码绝对安全神话，也都统统昭然若揭。这个无作用测量概念来自对“不含峰片”这种准实体缺少意识，所以必然忽视它在这干涉仪中对那个炸弹的作用，尽管它无触发炸弹爆炸的功能。鉴于这种准实体的存在，“无作用测量”应改为“准作用测量”，而且说明反事实不反。
卢泰坤的“反事实量子密码术”使用的装置是厄黎策和维德曼所用装置的变型。他把马赫-曾德尔干涉仪中两个分束镜合二为一和用法拉第反射镜折叠光路，这样前者变成迈克尔孙干涉仪。并把炸弹换成一个开关，关时相当于放入炸弹。整个装置位于通信双方的一方，称艾丽丝方，只是用光纤连接的开关位于通信的对方，称鲍勃方。装置中还附加一些实验运行必要的器件。其中随机用两种入射光子，水平极化的和垂直极化的，为的是用来随机编码0和1。这样一来，当在艾丽丝区的探测器D2H（测水平极化光子）或D2V（测垂直极化光子）测到一个光子时，她知道在鲍勃区的那个开关一定是关上的（相当于放入炸弹），这时“光子”是经光路a到达D2H或D2V，未走出艾丽丝区。惊人的是，“光子”未出艾丽丝区竟能探测到了鲍勃方的开关状态的信息。这样，艾丽丝随机选择入射光子的极化和鲍勃通过操作开关来随机选择表示他的比特值的两种极化之一，从这些探测器获得的比特信息就可以用来编制密码串。从前述的初包模型看，关闭光路b（即连接鲍勃方的光路）就挡住了光子初包的不含峰片，破坏了干涉效应，导致这光子有1/2几率（总几率的1/4）进入D2H或D2V。注意这是最大的有效几率，因为，如果第一个分束镜的反射率降低，则出现无效几率，当反射率趋于零时，有效几率趋于零，再也探测不到鲍勃方的开关状态的信息。因此，探测到鲍勃方的信息并不是无载体的，那个不含峰片就是它的载体。如果对这种不含峰片缺少意识，那就以为信息的传输可以脱离载体。假如在这过程中真无载体，窃听者就无法截获-重发任何信息，从而可达到绝对安全的加密，可惜这只是一个神话。
这里发生一个问题，不含峰片能否被窃听者截获和重发。虽然做起来非常的难，答案是肯定的，因为在合适的增益媒质中，对不含峰片的单独放大（克隆）原则上并无限制。塞莱里（F. Selleri）和他人讨论过空波放大的可能性和实验检验的可行性[11]。至于那个未知量子态不可克隆定理，其推导思路看起来很合理，其实是错误的，涉及输入态的未知或已知的主观因素更无道理。所有物理学家都知道量子态叠加原理与量子测量结果（包括量子克隆）间存在着微妙的关系，而这个定理纯粹是从叠加原理形式地推导出来的。我们知道激光形成是依据光放大，有什么好的理由能认定光放大不等于光子被精确克隆？再者，对单独的不含峰片，原则上可以利用两个光子间的互干涉观察它。我们知道两个独立无线电台发出的电磁波是会干涉的，可以推论独立光束也会干涉。1963年马扎尔（G. Magyar）和曼德尔（L. Mandel）的论文“两个独立激光束叠加产生的干涉的条纹”[12]和1967年普费立高（R. L. Pfleegor）和曼德尔（L. Mandel）的论文“独立光子束间的干涉”[13]中报告的实验结果都证明了这一点。他们的结果可以解释为一束中一个光子的含峰片与另一束中光子的不含峰片发生了干涉。所以原则上我们可以利用这种互干涉间接观察一个光子的不含峰片。按照上面的论证，“反事实量子窃听术”能够对付“反事实量子密码术”，准确地说，“准事实量子窃听术”能够对付“准事实量子密码术”。由此看来，N09协议在原理上并非无条件地安全。
作为提出无作用测量概念的先驱者，1960年任宁格（M. Renninger）发表文章“不扰动物体的观察”，提出“阴性结果测量”概念[14]，1981年狄克（R. H. Dicke）发表文章“无作用量子测量：一个佯谬？”，提出“无作用测量”概念[15]。他们和后来厄黎策和维德曼报告的事实，都有深刻含义，催人对量子实体概念、量子力学诠释和量子测量问题的深思。量子力学的确意味着有像“鬼”一样的东西存在，它可以携带信息，这个鬼就是初包的不含峰片。对这种鬼东西，无法绕开它，只好承认它，接纳它。可以说，没有初包的不含峰片就没有量子世界和量子力学。量子力学的潜波变量理论能够重现量子力学一切预言的事实直接证明贝尔不等式和贝尔定理是伪的。这个潜变量理论也自然地解决了所谓的量子测量问题。量子通信专家常说，量子密码术的无条件安全性为量子力学的基本原理所保证，量子密码派也常特意用这句话来与现代密码派博弈，可惜此话查无实据，纯属假大空话。看来，现时不该稀里糊涂投巨资去搞大规模量子密码工程，应先去切实认识有关的物理规律。
在我国，反事实量子密码术跟进之快、参与者之多，说明我国的科研跟踪能力越来越强，但也至少部分地反映出中国科协名誉主席周光召院士的担忧：“我们科研跟踪的速度是越来越快了，国际上出了新成果，我们半年或一年就能跟进，可为什么我们不能率先突破、开辟一个新领域呢？”“我现在特别忧虑的就是社会上急于求成的浮躁状态。有的弄虚作假，有的为追求论文数量而不管质量、效果，结果就是只跟着别人走。”
参考文献：
[1] Noh, T. G., Counterfactual quantum cryptography, Phys. Rev. Lett. 103, 230501[4 pages] (2009).
[2] Elitzur, A. C. and Vaidman, L., Quantum mechanical interaction-free measurements, Found. Phys. 23, 987-997 (1993).
[3] Pavicic, M., Resonance energy–exchange–free detection and 'welcher Weg' Experiment, Phys. Lett. A 223, 241-245 (1996).
[4] Zhen-Qiang Yin, Hong-Wei Li, Zheng-Fu Han, Guang-Can Guo, Security of "Counterfactual quantum cryptography"
http://arxiv.org./PS_cache/arxiv/pdf/1007/1007.3066v1.pdf[5] Yang Liu, Lei Ju, Xiao-Lei Liang, Shi-Biao Tang, Guo-Liang Shen Tu, Lei Zhou, Cheng-Zhi Peng, Kai Chen, Teng-Yun Chen, Zeng-Bing Chen, Jian-Wei Pan, Experimental demonstration of counterfactual quantum communication http://arxiv.org./PS_cache/arxiv/pdf/1107/1107.5754v1.pdf[6] Wang Guowen, Ultrashort light pulse and the concept of the photon, Proc. SPIE, Vol. 1032, pp. 428-431 (1988).
[7] Wang Guowen, Heuristic explanation of quantum interference experiments
http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0501/0501148v1.pdf[8] Wang Guowen, Realistic solution to the tunneling time problem
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0706/0706.3510v1.pdf[9] Wang Guowen, Locality of quantum entanglement
http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0512/0512195v1.pdf(10)Wang Guowen, Finding way to bridge the gap between quantum and classical mechanics
http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0512/0512100v1.pdf[11] Selleri, F., Quantum Paradoxes and Physical Reality, (Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1989), section 4.4: Quantitative empty wave amplification.
[12] Magyar, G. and Mandel, L. Interference fringes produced by superposition of two independent maser light beams, Nature 198, 255-256 (1963).
[13] Pfleegor, R. L. and Mandel, L., Interference of independent photon beams, Phys. Rev. 159, 1084-1088 (1967).
[14] Renninger, M., Messungen ohne St"{o}rung des Mess objekts (Observations without disturbing the object), Z. Physik 158, 417-421 (1960).
[15] Dicke, R. H., Interaction-free quantum measurements: A paradox?, Am. J. Phys. 49, 925-930 (1981).
（王国文，北京大学物理学院，2011年9月26日）
