CN101080885B - 一种检测装置 - Google Patents

Abstract

一种检测装置，包括：分裂器；检测器，在所述分裂器和所述检测器之间定义第一及第二路径，以及所述分裂器被配置为根据入射粒子的参数值将入射粒子定向为沿第一或第二路径；以及操作装置，其被放置于第一以及第二路径中的至少一条路径上，以使，如果参数值叠加的粒子碰撞所述分裂器并且所述粒子的波函数被定向为沿第一及第二两条路径，所述操作装置作用于波函数以在或靠近检测器处使被定向为沿第一及第二路径的波函数部分之间发生干扰。

Description

一种检测装置

本发明涉及一种检测装置以及一种信息传送装置，特别涉及允许信息有效通信的信息传送装置。

在许多技术领域需要快速的信息传送。安全传送信息的能力在许多领域也是非常重要的，特别是结算银行间的银行业务。

本发明的目的是要提供一种通信装置，其能够提高速度以及实现通信安全。

因此，本发明的一个方案提供一种检测装置，其包括：分裂器；检测器，在分裂器和检测器之间定义第一及第二路径，将分裂器配置为根据入射粒子的参数值来定义入射粒子为沿第一或第二路径；以及操作装置，其被放置于第一以及第二路径中的至少一条路径上，以使，如果参数值叠加的粒子碰撞所述分裂器并且粒子的波函数被定向为沿第一及第二两条路径，那么所述操作装置对波函数作用以允许被定向为沿第一及第二路径的波函数的两部分之间在或靠近检测器处发生干扰。

方便地，所述分裂器是偏振分裂器并且入射粒子的参数是入射粒子的偏振方向。

优选地，所述偏振分裂器被设置为将具有第一偏振方向的粒子定向为沿第一臂，以及将具有第二偏振方向的粒子定向为沿第二臂，其中第一和第二偏振方向彼此大约相差90度。

便利地，所述操作装置包括旋转器装置，其设置在第一路径上并且可操作为改变沿第一路径穿行的偏振粒子的偏振方向。

方便地，旋转器装置可操作为使沿第一路径穿行的偏振粒子的偏振方向改变大约90度。

可选择地，分别在第一和第二路径上提供第一和第二旋转器装置，并且旋转器装置可操作为改变沿各路径穿行的偏振粒子的偏振方向。

优选地，所述旋转器装置可操作为改变粒子的偏振方向以使沿各路径穿行的粒子的偏振方向之间的差值改变90度。

便利地，所述操作装置包括操作粒子源，其被配置为以这样的方式发射粒子：所发射的粒子可与沿第一路径穿行的粒子波函数部分发生干扰，以给出合成的波函数，该合成的波函数至少具有一分量，该分量的偏振方向大约等于由偏振分裂器定向的沿第二路径的粒子波函数部分的偏振方向。

方便地，所述操作装置还包括另一偏振分裂器，该偏振分裂器被放置在第一路径上，并且被设置为根据入射粒子的偏振方向将入射粒子定向为朝向检测器或在一可选方向上。

优选地，操作粒子源被配置为向该另一偏振分裂器发射粒子，从而使所发射的粒子可与由该另一偏振分裂器定向为朝向检测器的粒子波函数的至少一部分发生干扰。

便利地，所述操作装置还包括相位改变部件，其被配置为改变第一路径的有效路径长度。

方便地，第一和第二路径的有效长度是这样的：如果参数值叠加的粒子碰撞了偏振分裂器，粒子的波函数被定向为沿第一和第二两条路径，并且在被定向沿第一和第二两条路径的波函数部分之间发生干扰，则在检测器处干扰将是破坏性的，所以没有粒子将被检测器检测到。

优选地，如果具有单一参数值的粒子碰撞了偏振分裂器并且被定向为沿第一路径或第二路径，则粒子将被定向至用于检测的检测器。

本发明的另一方案提供一种信息传送装置，其包括：信息粒子源；滤波器，设置在第一位置，滤波器仅仅被配置为允许具有某一参数值的粒子穿过；以及检测装置，设置在第二位置，检测装置可操作为区分具有确定参数值的入射粒子和具有粒子叠加值的入射粒子。

便利地，检测装置是如上的任一检测装置。

方便地，所述参数是粒子的偏振方向，并且所述滤波器是偏振滤波器。

优选地，所述信息粒子源可操作为发射粒子对，每一粒子对中的一个粒子被定向为朝向所述滤波器，并且每一粒子对中的另一个粒子被定向为朝向所述检测装置。

便利地，所述滤波器可以在通路(on-path)位置以及闭路(off-path)位置之间移动，其中在通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器，在闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器。

方便地，由所述信息粒子源发射的粒子是物质粒子。

本发明的又一方案提供一种信息传送装置，其包括：信息粒子源，其可操作以发射粒子对，粒子对的第一粒子朝向第一位置被发射，粒子对的第二粒子朝向第二位置被发射；滤波器，其设置在第一位置，所述滤波器可在通路位置和闭路位置之间移动，其中在通路位置，每一粒子对中的一个粒子被所述滤波器吸收，而在闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不被所述滤波器吸收；以及检测装置，其设置在第二位置，检测装置可操作为区分具有相对短的相干长度的入射粒子与具有相对长的相干长度的入射粒子。

优选地，信息粒子源包括具有至少三能级原子结构的材料样品，在所述结构中，作为电子发射的粒子对的一个粒子从第一能级迁移至第二能级并且在所述结构中作为电子发射的粒子对的另一粒子从第二能级迁移至第三能级。

便利地，所述检测装置包括分裂器以及检测器，在所述分裂器和所述检测器之间定义第一及第二路径，第一路径的路径长度比第二路径的路径长度长，所述检测装置的配置是这样：如果粒子碰撞所述分裂器并且粒子的波函数被定向为沿第一和第二两条路径，那么在或靠近检测器处，被定向为沿第一和第二路径的波函数的部分可以相互干扰。

方便地，所述信息粒子源可操作为发射波函数彼此纠缠的粒子对。

优选地，从信息粒子源到所述滤波器的路径长度小于从信息粒子源到所述检测装置的路径长度。

便利地，提供一对路径长度模块，每一个路径长度模块具有输入端和输出端并在输入端和输出端之间定义路径长度，路径长度模块的路径长度彼此大体相同，并且隐藏于路径长度模块的观察者，放置一个路径长度模块以使从所述信息粒子源传送到所述滤波器的粒子从其通过，并且放置另一个路径长度模块以使从所述信息粒子源传送到所述检测器的粒子从其通过。

方便地，从所述信息粒子源发射的粒子是光子。

本发明的另一方案提供一种信息传送装置，其包括第一和第二传送装置，上述传送装置被配置为使第一传送装置的滤波器位于靠近第二传送装置的检测装置以及第二传送装置的滤波器位于靠近第一传送装置的检测装置。

本发明的又一方案提供一种检测粒子的方法，其包括以下步骤：提供如上所述的检测装置；以及将入射粒子定向到所述检测装置。

本发明的另一方案提供一种传送信息的方法，其包括以下步骤：提供滤波器，其被配置为仅允许具有特定参数值的粒子从其通过；提供检测装置，其可操作为区分具有确定参数值的入射粒子和具有粒子叠加值的入射粒子；提供信息粒子源，其可操作为发射粒子对，每一粒子对中的一个粒子被定向为朝向所述滤波器，并且每一粒子对中的另一个粒子被定向为朝向所述检测装置；以及将所述滤波器在通路位置和闭路位置之间移动，其中在通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器，而在闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器。

优选地，所述检测装置是上述的检测装置。

本发明的又一方案提供一种传送信息的方法，其包括以下步骤：提供滤波器，其被配置为仅吸收入射在其中的粒子；提供检测装置，其可操作为区分具有相对短的相干长度的入射粒子和具有相对长的相干长度的入射粒子；提供信息粒子源，其可操作为发射粒子对，每一粒子对的一个粒子被定向为朝向滤波器，每一粒子对的另一个粒子被定向为朝向所述检测装置；以及将所述滤波器在通路位置和闭路位置之间移动，其中在通路位置，每一粒子对的一个粒子通过所述滤波器，而在闭路位置，每一粒子对的一粒子不通过所述滤波器。

便利地，所述提供信息粒子源的步骤包括提供具有至少三能级原子结构的材料样品，在所述结构中，作为电子发射的粒子对的一个粒子从第一能级向第二能级迁移，以及在所述结构中，作为电子发射的粒子对的另一个粒子从第二能级向第三能级迁移。

方便地，提供检测装置的步骤包括：提供分裂器；以及提供检测器，在所述分裂器和所述检测器之间定义第一及第二路径，第一路径的路径长度比第二路径的路径长度长，检测装置被这样配置：如果粒子碰撞所述分裂器并且粒子的波函数被定向为沿第一和第二两条路径，那么在或靠近检测器处，被定向为沿第一和第二两条路径的波函数的部分可以彼此干扰。

优选地，从所述信息粒子源到所述滤波器的路径长度小于从所述信息粒子源到所述检测装置的路径长度。

便利地，将所述滤波器放于所述通路位置上以用来传输第一二进制态，以及将滤波器放于闭路位置上以用来传输第二二进制态。

便利地，本方法还包括以下步骤：提供一对路径长度模块，每一个路径长度模块具有输入端和输出端并在输入端和输出端之间定义路径长度，各路径长度模块的路径长度彼此大体相同并且隐藏于路径长度模块的观察者，放置两个路径长度模块以使从所述信息粒子源传送到所述滤波器的粒子通过一个模块，以及使从所述信息粒子源传送到所述检测器的粒子通过另一个模块。

优选地，本方法还包括步骤：提供第二滤波器以及第二检测装置，设置第二滤波器以及第二检测装置以使第一滤波器位于靠近第二检测装置及第二滤波器位于靠近第一检测装置。

便利地，本方法还包括以下步骤：在第一检测装置和第二滤波器的位置，接收来自第二检测装置和第一滤波器的位置的信息；以及在接收到该信息后，在预先设置的时间长度内，向第二检测装置和第一滤波器的位置发送确认信号。

方便地，本方法还包括发送加密信息的步骤。

本发明的另一方案提供一种传送信息的方法，其包括以下步骤：提供滤波器，其可作用于粒子；提供信息粒子源，其可操作为发射粒子对，其中粒子对的各粒子的波函数彼此纠缠，每粒子对的一个粒子被定向为朝向检测装置，而粒子对的另一个粒子被定向为朝向滤波器，所述检测装置可操作为对当粒子对的另一个粒子被所述滤波器作用时粒子对中的一个粒子与当粒子对的另一个粒子没被所述滤波器作用时粒子对中的一个粒子进行区分；以及将所述滤波器在通路位置和闭路位置之间移动，其中在通路位置，每一粒子对的一个粒子通过所述滤波器，以向所述检测器发送第一二进制态，而在闭路位置中，每一粒子对的一个粒子不通过所述滤波器，以向所述检测器发送第二二进制态。

为了更容易地理解本发明，下面将结合附图，详细地描述本发明的实施例。

图1为结构示意图，其中光子入射在偏振光束分裂器上；

图2为体现本发明的第一信息传送装置的示意图；

图3为体现本发明的第二信息传送装置的示意图；

图4为用于本发明的原子系统的能级示意图；

图5为使用图4中的原子系统的设备示意图；

图6为体现本发明的第三信息传送装置的示意图；

图7为物理安全的量子信道的示意性布局；

图8为球形分布的粒子源的示意图；

图9示出延迟选择干扰实验的部件示意图；

图10a至图10c示出支持解释由重复相干探询的无相互作用测量的示意图；

图11示出使用两种不同的方法几乎同时发生的事件的两维空间-时间示意图。

当涉及多体系统时，量子力学的形式体系需要跨越不同系统的基本原理。因此如果我们具有n体系统，我们可能具有用于位置的一组基态|x₁..x_n＞，根据这个基本原理从波函数获得物理特性。系统的状态由第一级线性微分方程推出：

公式1

这显示了波函数的总的确定性演变，但是测量是不确定性的并且测量M和<ψ^*|M|ψ>坍塌到算符M的一个本征态。EPR¹论文通过调制由波函数ψ(x₁，x₂)所描述的两体系统的情形，甚至怀疑QM形式体系是否正确，其中两个粒子由类空距离以及所执行的测量分开。似乎是如果系统只由波函数描述，那么一个粒子的测量将会引起‘波函数坍塌’，由此似乎能同时确定另一远处粒子的物理特性。

爱因斯坦反对这种观点，他希望粒子归属于经典、客观的属性并遵循狭义相对论。因此QM被看作不完备的，需要隐藏变量，很像经典中的硬币被从中间辟开并被隐藏在两个黑盒子里：一个远距离观察者揭露了“头部”将会知道另一远距离观察者具有“尾部”，该系统已经具有了通过测量简单揭示的状态。其它测量矛盾如“薛定谔猫”也强调了很深的哲学问题。

根据玻尔²以及互补原理(或哥本哈根解释)解开这个困惑的方式是人们不应该提到没有测量的量，好像他们经典存在似的；我们只能测量可观查到的互补对，其可交换，因此Px和Y或P_Y和X是互补对而Px和X或P_Y或Y不是互补对。测量的各方面似乎彼此互补并且确实使系统处在测量允许的状态中。在坚定的合乎逻辑的实证主义者的框架下，这种理论的一种尖刻改写是能被测量的东西才存在。因此EPR争论被误导，以这种观点，测量值不会先于测量而存在并且当考虑测量动作和整个测量设备时，不会企图以超光速去发送信息。

同时QM继续取得很大的成功，并且几乎没有人被明显的根本的哲学非客观性烦恼。但是在反对EPR观点上，一些人把玻尔的态度看作是蒙昧主义的态度并且开始怀疑是否存在隐藏变量以及这种明显的超光速通信是否是真实的现象，其中EPR观点超光速通信不是真实的现象而且也不可能是。特别地，玻姆³(Bohm)(以及早期的德布罗意)想知道是否量子势或仅携带信息的导频波能够说明QM以及通过加上这个设备将其放回到经典立足点处。仍然需要找到被超光速发送的这种隐藏信息的证据，并且怀疑其是否真实存在是非常自然的事情，有些事情是可以被试验检验的。Bell^4，5提出简化的EPR装置来检验经典现实主义上的量子预言，前者引起在类空距离上的测量的相关性大于经典的情况。图1显示了该结构的精髓，其中纠缠的光子源S入射到偏振光束分裂器(PBS)上，然后检测器拾取水平以及垂直的光子。

${|{\mathrm{\&Phi;}}_S\&rang;}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\&rang;}_i{|V\&rang;}_j+{|H\&rang;}_j{|V\&rang;}_i)$ 公式2

相干监测器CM可以计算检测器D_H和D_V处的信号的预测值：

    E(1，2)＝P_HH(1，2)+P_VV(1，2)-P_HV(1，2)-P_VH(1，2)

Bell不等式被计算，其中素数表示不同角度的各PBS：

    |E(1，2)+E(1′，2′)+E(1′，2)-E(1，2)|＝2    公式3

注意下面的可能性：

P_HH(1，2)＝P_VV(1，2)＝1/2COS²(θ₁-θ₂)以及P_HV(1，2)＝P_VH(1，2)＝1/2sin²(θ₁-θ₂)

其中θ₁是PBS1的角度以及θ₂是PBS2的角度

预测计算为：E(1，2)＝cos2(θ₁-θ₂)

对于所谓的θ₁＝3π/8、θ₁’＝3π/8以及θ₂＝π/4、θ₂’＝0的“贝尔角度”，违背贝尔不等式的实验结果：

    |E(1，2)+E(1′，2′)+E(1′，2)-E(1，2)|＝2v2|

Alain Aspect⁶等人执行这个实验并且超越大多数人合理的怀疑，确知后验相关性(posteriori correlation)能被辨别为已在实验的光子对状态之间发生。在达10千米距离上的最近试验⁷似乎使类空分离变得不敏感。

当前的想法是从量子测量的不确定性出发经由这个机制传输信号将是不可能的—由偏光器调制将会导致我们的二进制数字以及其补数(complement)被发送预期时间的一半。

装置

简单地，我们不可能让远距离的信号器使纠缠的光子波函数坍塌成水平或垂直分量，然后让远距离的接收器测量所所述补数以建立二进制通信方案。测量的动作是不确定的，所以如果信号器想要坍塌到水平状态，其将只达到一半的时间——信号在噪音中变得完全混乱。仍然怀疑贝尔信道的相对主义者却因为这一局限而高兴，因为根据因果关系它保护了他们的神圣思想及概念方案。

如果我们能使用非坍塌状态作为二进制数字以及将任一坍塌状态作为其它进制，则测量的不确定性可以被克服。图2显示了纠缠光子(对1和2)源(S)作为通信信道。偏振调制器和干涉计之间的距离由显示光子传播的线路中的双断线表示。由干涉计(经由偏振光束分裂器)建立的光子状态的非破坏测量^8，9将区分出坍塌状态和非坍塌状态。

由于水平分量不与来自源的垂直分量发生干扰，所以水平臂和垂直臂都通过法拉第旋转器围绕Z轴旋转或类似使他们成对角排列。为了发送信号二进制0，通过通信信道发送纠缠光子。这可以通过使远距离偏振滤波器透明来实现。在干涉计处，使入射光子具有破坏性干涉长度以给出最小信号。当滤波器处于水平或是垂直状态时，产生二进制1，这样非纠缠光子被发送，并且在检测器处由于没有破坏性的干扰所以产生了最大信号。注意，干涉计距离源的距离比调制器距离源的距离远。

虽然放大这两个信号之间的差别以实现二进制状态的区分是一件容易的事，但是事实上几个因素将会使概率偏离理想：从源处发射纠缠光子、不完美的光学器件和不完美的路径长度。注意在发射光子的瞬间，光子已经出现在调制器和检测器处—仅仅是量子状态被传送，信号不会由于质能被传送。同时状态也不会被复制，所以也不会应用¹¹“不可克隆定理”。

通常由于以下几个原因，在检测器的输出信号中计算的概率仅仅是非常微小的调整状态：大多数的光子不是纠缠的(从经典到变换过程只有1∶10¹⁰)，并且光学器件和路径长度比理想的差。所以信号位于“高端(ride on top)”，从检测器到放大器的不携带信息的大量偏置信号除了耦合的AC外开始就可以区别这种现象。每字节几十个光子被发送以允许干涉计的两臂之间的路径差异以及精确干扰。

下面结合图3描述另一实施例。

由于水平分量不与来自源(A)的垂直分量发生干扰，所以我们可以经由PBS2通过与另一个源(B)纠缠来再产生水平光子。为了方便，源(B)与源(A)有相同的功率。考虑到|H₂>(延迟)和源(B)的张量积，纠缠的垂直光子被生成，其因此包含信道/源(A)的交感性信息。在状态矢量上显示相位信息，以使在监测器处能发生干扰。注意，来自第二个PBS的现存的没被使用的水平光子必须能被允许在空间内无阻碍穿行，以防止在检测之前纠缠丢失。

为了发送信号二进制0，通过通讯信道A发送纠缠光子。这可以通过使远距离偏振滤波器透明来实现。在干涉计处，入射光子(源A和源B)方面企图给出最小信号。当所述滤波器处于水平或垂直状态时，产生二进制1，以便发射没有纠缠的光子。

根据检测，下面(理想)概率以及在检测器处的信号强度被标注：

$=P(\frac{1}{\sqrt{2}}{|V\&rang;}_2+\frac{e^{{\mathrm{i\&delta;}}_A}{e}^{{\mathrm{i\&delta;}}_B}}{\sqrt{2}}{|V\&rang;}_3)$

$={\left|\frac{1+e^{{\mathrm{i\&delta;}}_A}{e}^{{\mathrm{i\&delta;}}_B}}{\sqrt{2}}\right|}^2\&RightArrow;0\mathrm{if}{\mathrm{\&delta;}}_A+{\mathrm{\&delta;}}_B=\mathrm{\&pi;}$

$=P_1=\frac{1}{2}P(\frac{1}{\sqrt{2}}{|V\&rang;}_2+\frac{e^{{\mathrm{i\&delta;}}_A}{e}^{{\mathrm{i\&delta;}}_B}}{\sqrt{2}}{|V\&rang;}_3)+\frac{1}{2}P(\frac{1}{\sqrt{2}}{|V\&rang;}_2+\frac{e^{{\mathrm{i\&delta;}}_B}}{\sqrt{2}}{|V\&rang;}_3)$

$=\frac{1}{2}\&CenterDot;{\left|\frac{1+e^{{\mathrm{i\&delta;}}_A}{e}^{{\mathrm{i\&delta;}}_B}}{\sqrt{2}}\right|}^2+\frac{1}{2}\&CenterDot;{\left|\frac{1+e^{{\mathrm{i\&delta;}}_B}}{\sqrt{2}}\right|}^2\&RightArrow;\frac{1}{2}\mathrm{if}{\mathrm{\&delta;}}_B=0$

一般通过调节相位δ，P₀≠P₁。法拉第旋转器被用在PBS2的水平输出上，作为另一种选择，也允许其通过所述干涉计与所述第二臂发生干扰。虽然很容易放大两个信号之间的差异以实现二进制状态的区分，但是实际上存在多个因素使得概率偏离理想：从源处发射非纠缠光子、不完美的光学器件和不完美的路径长度。注意在传送光子的瞬间，在所述调制器和所述检测器处光子已经存在—信号不能通过质能被传送只有量子状态被传送。也要注意，状态没被复制，所以不应用“不可克隆定理”。

这里描述的将经典数据发送到量子信道的另一种方法是使用与Franson¹⁴提出的位置和时间有关的贝尔不等式。这种方法有助于在远距离的光缆上通信⁷。其本质是通过三能级原子系统(ψ₁，ψ₂，ψ_Gnd)产生纠缠光子。

图4描述了原子系统的能级示意图。当系统从基态激发到具有T₁生命周期的Ψ₁态时，产生光子Y₁。然后系统位于Ψ₂态，其具有的T₂生命周期大大地短于Ψ₁态。通过这些光子的测量，我们发现一致性检测将会监测由T₂秒分开的两个事件。检测到单粒子的概率是由下面公式(η检测器效率)给出：

            P＝η<0|ψ^*(r，t)ψ(r，t)|0>

其中，光子传播算符从真空状态|0>产生粒子，并且在海森堡(Heisenberg)表达式(常态的演化算符)中给出了光子传播算符：

归因于Franson¹⁴，设想出图5所示的装置：源发射光子γ₁和光子γ₂，然后光子γ₁和光子γ₂分别被透镜L₁和L₂校准，然后被(F₁和F₂)滤波以便只有光子γ₁和光子γ₂通过。半镀银镜M₁和M₂允许光子分别沿较长的干扰路径L₁和L₂以及较短的路径S₁和S₂穿行到检测器D₁、D₂和D′₁、D′₂处。

关于所述检测器D₁和D₂处的第一个信号，两个光子的一致性检测表示如下：

$R_{12}={\mathrm{\&eta;}}_1{\mathrm{\&eta;}}_2\&lang;0\left|{\mathrm{\&psi;}}_0^{*}(r_1,t){\mathrm{\&psi;}}_0^{*}(r_2,t\&PlusMinus;\mathrm{\&Delta;T}){\mathrm{\&psi;}}_0(r_1,t){\mathrm{\&psi;}}_0(r_2,t\&PlusMinus;\mathrm{\&Delta;T})\right|0\&rang;$

如果时间偏移窗ΔT比T₂大得多，那么如所预料的，数字趋于0。一旦插入镀银镜以包含较长的路径L₁和L₂以及相移Φ₁和Φ₂，那么在所述检测器处的波函数(对于粒子1)为：

$\mathrm{\&psi;}(r_1,t)=\frac{1}{2}{\mathrm{\&psi;}}_0(r_1,t)+\frac{1}{2}{e}^{{\mathrm{i\&phi;}}_1}{\mathrm{\&psi;}}_0(r_1,t-\mathrm{\&Delta;T})$

然后Franson能够在具有干扰路径的这种情况下，得出检测器D₁和D₂之间的符合计数：

$R_C=\frac{1}{4}{R}_{12}{\cos }^2({\mathrm{\&phi;}}^1-{\mathrm{\&phi;}}^2)$

这是再次显示了非局域效应的Bell不等式：以类空距离建立的相位Φ₁和Φ₂实时控制符合计数。用下列方式可以直观地理解这一点：当产生纠缠的光子γ₁和γ₂时，对于两个光子的(T₁+T₂)的检测(以及干涉计中的干涉长度)具有时间和空间的不确定性，其中(T₁+T₂)为状态Ψ₁和Ψ₂的生命周期。第一光子γ₁的检测将会保证第二光子γ₂以更短的时间帧T₂被检测。建立一个自干扰路径例例如L₂将会测量波函数相干长度的这种变化。

为了实现将经典二进制数字发送到量子信道的方案，量子信道在这里是使用波包的空间和时间相关性的这种特定方法建立的，下面说明图6所示的装置：

这个协议又是二进制零由非调制(M)动作表示，而二进制1由γ₁和γ₂之间合成的波函数的坍塌来表示。所述调制器是一个吸收器，并且可以是由Kerr或Pockets盒装置制成的电子快门。比特时间比通过所述干涉计的传送时间长。第二状态Ψ₂的生命周期大于通过干涉计的传送时间。

另外，在所述干涉计和所述调制器之间建立等距离源，在所述调制器阻止人为阻断之前，没有信息存在。由所述调制器测量的波函数坍塌和干扰路径长度的变化反映在作用于第二粒子的所述干涉计中。建立干扰以便于零调制导致检测器处最小信号(破坏性干扰)以及调制导致最大信号(建设性干扰)。

物理安全的量子信道

图2所示，使用两个干涉计和调制器，一个全双工量子信道被建立起来。这种信道能安全防止人为中间阻断，因为仅仅在信道末端存在信息：任何非相干测量都会引起只去除随机噪音的波函数坍塌；而当只有纠缠光子被查出时，无需正确相位长度的相干测量将会产生恒定的二进制数字。如果由于发送站之间的距离是已知的，所以相位长度能够被估计出，接近信道将引起大量明显的中断和信号传送的丢失；监测将会捕捉到这个安全缺口。

在信道的两个末端引入一个秘密的随机相位长度可以作进一步的测量。例如，在不透明的黑盒子的匹配对(matched pair)中机械生成光纤光缆的长度以(通过X射线、超声波、太赫辐射等)进行探询，这样甚至连信道的安装者也不会知道相位长度。如果光纤光缆没有被插入到通信信道的正确的机械部分中，则这种安全密封系统也会破坏这个装置。但是时域反射设备能确定所述秘密相位长度。安全对接程序(docking procedure)会做到这一点。

通过随机相位长度设备进行保护的另一方案是，如果偷窃者估计一较长的长度，结果在调制距离之后而不是之前信息存在。在被允许的信道相位长度和随机相位长度的时间帧内，间断确认协议将会识别出已插入了错误的长度。在可能是千米的整个信道长度内，亚纳秒的分辨能力将分辨率降至厘米级。相位锁定不是一件容易的任务。

虽然信道在性质上是量子的，但是其经典地被用来发送比特而不是量子比特(qubit)，并且也能应用所有用于经典数字信道的常规加密测量。这种物理安全和经典安全信道(毫不夸耀地说，RSA码超越所有物理保护程序)是发送敏感信息例如银行间货币的传送或军事信息的好选择。图7显示了上述的物理安全信道的示意性布局。

讨论

已经提出一种用于信息瞬时传送的装置和论据作为贝尔理论和Aspect实验的辅助手段。自然会存在关于相对论的分歧，但是将会显示自然界总是需要超光速发送信息以确保概率守恒(conservation of probability)和宇宙出现的合理一致性观点。已经有实验显示了‘量子势³’的效应，量子势只携带纯信息例如重复的相干询问(coherent interrogation)/无损测量，其中波函数在无需向研究对象传送能量的条件下探测试验环境。不可避免地我们的时空观点在下面的说明必须被改变。

概率守恒需要超光速传送量子态信息

在QM中的标准波函数的概率密度由波函数的平方给出：

        ρ(r，t)＝|ψ(r，t)|²

                or

        ∫ρ(r，t)d³r＝1

如果在概念上有一些认识，则概率是守恒的并且遵守连续性方程：

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}(r,t)}{\&PartialD;t}+\&dtri;\&CenterDot;j(r,t)=0$

其中将

方程应用到上面的关系式能够得出电流密度概率j，如：

采用球形的粒子源(图8)，由于粒子源缓慢地发射粒子所以足以在每次能够计数一个粒子。配置直径为一光年(其为假定的)的球形作为检测器的表面。随着光年直径的波函数随机地坍塌(变得局域性)，每一个检测事件将只有一个粒子被计数，所以概率是守恒的。以当前观点，当某一事情是“真实的”但是然后被抛弃了，那么波函数就不被观测到，并且经典路径归属于从源至所述检测器，所述检测器记录事件以回顾性地显示沿这条路径经过的粒子。

然而在通过延迟选择干扰实验(图9)所示例的实验之前，存在这样的问题，即丢弃波函数的精确性并试着应用经典概念。光子进入装置入射在半镀银镜A上。两个检测器1和2能够说明当光子进入所述装置时其采用哪一条路径。被插入到所述装置的第二半镀银镜B能够引起路径干扰。如果设置干扰长度，以使光子的记录一定意味着干涉计的所有臂被通过，那么在经典思考模式中，如果一旦我们能够扩展这个设备到巨大比例，就会产生问题。经典地，光子(或粒子)是沿着其中一个臂而不是两个臂运行；这个定论是在镜A处作出的。如果我们装置的各臂是跨度光年的话，那么在光子进入设备之后插入镜B似乎是去确定光子是沿着哪种路径运动的或者是去确定是否在光子进入这个装置之后，光子是以波的形式运动以及使用全部臂。

目前的观点，不真实地采用波函数的物理存在的事实来尝试解释这些现象陷入了混沌状态。我们已经看出了Bohr/Copenhagen观点的混乱之处，即光子在被测量之前不是真实存在的—虽然一定有一些东西穿过了空间。许多范畴的解释需要在每一个检测事件中分隔宇宙，以使在测量时一直遵守

方程。另一种观点(工作在一个宇宙)是记录事件的所述检测器将信息发送回第一镜以确定采用哪条路径；这是复杂的且延迟的波动方程。在这个观点中此处的问题是借助于延迟选择实验—信息及时返回。

应用Occam的剃刀去解释这种量子测量过程并承认所有的简易性是合理，其本质是‘感测’出跨过整个波函数的测量环境并超光速发送信息。因此在图7中，在光球上，波函数与所述检测器的表面相互作用并共同促成使每个事件只有一个粒子被记录，因此概率是守恒的。类似地在图9中波函数穿过装置并且入射在镜B和所述检测器上以确保一致性结果。

我们提出在超光速传送的检验中自然界具有保持其状态可变的系统，因此诸如“概率守恒”等概念不被违背。下一节着眼于无相互作用测量(interaction free measurement)，在无相互作用测量中，因为物体被波函数询问，因此可想象光子不受限制地入射在物体上。

通过重复相干询问进行无相互作用测量

在这篇论文中所形成的画面是首先波函数在物理上作为一个真实的物体并且在物理上的时空理解的当前状态是它能超光速通信的效果。由于量子无损测量^8，9的领域，所以波函数的真实世界物理效果不会被怀疑。在下面的图中示出了这种特性。

图10a显示了所建立的干涉计，其中在第一个光束分裂器(局部镀银镜)处相干光子源进入并且在第二个光束分裂器处复合(recombine)。所述检测器D-Dark使其相干长度设置为使所述光束破坏性地发生干扰，同时检测器D-Light设置为用于建设性干扰。图10b为不透明的物体被放置于所述干涉计的一个臂内。D-Dark的发火表明光子没被干扰地穿过装置—即其只经过一个臂。一半时间，光子将被物体吸收，另一半时间光子将通过到达所述检测器。我们可以说仅用进入到测量装置中的一半入射数目的光子检测物体。虽然超出了本论文的范围，图10c显示⁸这种装置，其中通过重复相干询问，这个50％的限度可能更好，并且在所述的限度内导致了没有光子被物体吸收。

此处的‘特点’是虽然所述光束分裂器、所述旋转器以及所述镜子对于光子进入具有物体的侧臂给出了非常低的概率(在侧臂中δ是非常低的、sin²δ＞0，而主臂为cos²δ＞1)，但是所述波函数总能通过，其没被减弱(没有势垒)，我们使Ψ＝sinδ而不是所说的Ψ＝Asinδ，其中A是某一衰减因子。波函数而非是光子常常测量所述环境并能够穿过所述装置许多次，给出光子与物体相互作用的消失概率而不是增加其出现的确定性。最低的镜子在大量传送后切断询问波函数。根据所设的干扰长度，检测器能够计算出是否侧臂被检测出的光子计数阻塞。

空间的同时性、时间的同时性

Lorentz变换可以被理解成具有与光信号的发送时间相同的项：Vt′y和Vx′y/c²。那么整个Lorentz群被看作在双曲线形状的时空中的旋转。绝对的时间和空间概念随之而去；这就是我们关于“真实”的观点。我们所说的是物理学对于光速信号是正确的(没有改变)，但是利用Bell信道使用时钟能够构建一种更好的时间测量系统。我们提出变换，x＝x′y和t＝t′y，其不能被用于物理学上的研究(例如回应推迟势的情况)但是其在哲学上是正确的。

图11示出随着事件A接近B通过类空距离上的超光速信号在时间上几乎同时发生的事件的两维时空图。Lorentz的观点使因果关系错误，而轴的“膨胀和收缩”的观点的因果关系正确。因此客观真实的日常观点(3维空间加 1维时间)被恢复到空间；所有观测者均接受事件发生在确定的地点和时间—宇宙是确定的、客观状态，事件的情节发生在其中。不需要未知的较佳参考框架，在这个框架中同时性如Bell所提出的那样被保持—所有观察者均认同这个方案并且在理由不存在之前，这个框架最初是由Lorentz在1904年提出的。

量子的真实性1：3维空间的

方程

波函数的超光速效应和物理存在性迫使我们改变我们关于时空的观点。所出现的首先是3维空间中低于波函数的光速的运动，所述波函数具有长度和时间的膨胀效应。波函数携带关于量子粒子的信息穿过空间与诸如测量设备的其它量子系统相互作用。当某物被测量并且诸如能量和动量等常规概念归属于它时，我们说某物为粒子。这个经典的智力包袱使得当我们实际应当将波函数方面作为主要概念时，我方却想到通过空间运行的粒子。通过对波函数的运算例如ψ^*Eψ来定义来自信息的物理可观测的系统而后是物理学。

确实要在经典和量子世界之间的空隙上搭桥，教科书给我们显示了在经典限度内的活动是大的，使我们的思考变得容易，我们得到特定路径和经典力学的几何限度，从而得到射线方程或Hamilton-Jacobi方程：解决三维空间中单粒子的

方程，我们得到一近似值：

公式4

其中相位A是实坐标函数，其被标志为经典运动，以及F是独立于时间的实或复函数。由于相位内小的h变化非常迅速，从而导致了小距离上的这种函数；因此远离最小运动路径的波函数迅速发生干扰并衰减，给出限度内经典路径的观念。

方程中代入方程4产生了：

公式5

通过颁布经典力学并且让h→0，其等同于波长趋于零，所以第1阶项和第2阶项的丢失产生了：

$\frac{1}{2m}\left({\&dtri;}^{2}A\right)+V+\frac{\&PartialD;A}{\&PartialD;t}=0$ 公式6

其假定波为单色的，所以：

$\begin{array}{c}A(x,y,z,t)=S(x,y,z)-\mathrm{hvt}\\ =S-\mathrm{Et}\end{array}$

将其代入到公式6中，我们得到Hamilton-Jacobi方程：

$\left|\mathrm{grad}S\right|=\sqrt{2m(E-V)}$

无论如何，量子效应是希望看到的并且空间中的粒子被表示为波包的概念进一步给了我们方便，其中波包的组成由频谱Fourier系数给出。当粒子被测量并且其位置和动量落入由测不准原理管辖的狭小范围内时，这种应用会生成波包。图7的情况使这种波包观点无效，因为在测量前由球面波给出波函数e^ik.r/r。仅是在检测之后，我们将位置和动量归属于粒子概念。

实际上是波函数通过空间运行，另外，在图4中波函数与所有检测器共同促成了概率守恒永远是正确的：如果在某一时间某一位置一个光子被测量，那么在其它地方其不能被测量到。很容易将Occam的剃刀应用到这种测量问题的所有公式中，所述测量问题为例如多世界(Many World)、提前-滞后波(Advanced-Retarded Wave)(测量的预知—甚至信息在时间上从将来往回行进)并且承认所有的简易性，即通过波函数所有检测器已经与信息通道连接，以使每一瞬间只有一个光子被测量。

在思想上，方便将量子力学表示为近似经典力学。通过经典力学，我们得到空间和时间概念，虽然我们应停止试图这样做并面对穿过3维空间移动的波函数的量子事实。以宏观尺度存在的事物却不能用经典力学解释，例如铁磁性，超导、分子形状以及晶体形状，所以我们应承认空间和时间的同一。

量子真实性2：测量问题和退相干

量子力学是一种本性描述以及方程1将总是正确的。但是测量将系统置于测量算符的本征态并且给其确定概率，因此：

$p\left(M\right)=\&lang;\mathrm{\&psi;}\left|M_M^{*}{M}_M\right|\mathrm{\&psi;}\&rang;$

这是测量问题：从方程到上面方法的不归一化变化。

在他的著名的猫佯谬中强调了这一点，在猫佯谬中他表明微观量子事件与宏观测量设备发生纠缠，使这种明显的非经典行为放大到荒谬的比例。这个结果是猫被留在死亡状态和活着状态的重叠位置，到何时和由谁使其崩溃？

来自这一点的一些哲学衍生物是Bohr的互补原理/Copenhagen解释，怪异的思想实体/意识效应使波函数、多世界解释或提前/滞后波以及量子超决定论(super-determinism)坍塌，在量子超决定论中预先注定的未来事件影响现在。再次将Occam的剃刀应用到这里，并且注意到人们实际看到的是他们正试图构建量子计算机¹¹以及维持纯状态的困难，最可能解释测量问题的智慧是退相干理论^12，13。

退相干理论的中心内容是纯状态与环境的纠缠以及对来自系统环境密度矩阵的系统的约化密度矩阵的计算。以简单的例子开始，考虑在二维Hilbert空间中通过下述状态描述的封闭的两状态的系统：

        |ψ>＝α₀|0>+α₁|1>

状态|0>或状态|1>是正交的。对于计算QM中物理量的最普通的方法是使用密度矩阵/算符，因此：

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}=|\mathrm{\&psi;}\&rang;\&lang;\mathrm{\&psi;}|$

给出

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}={\left|{\mathrm{\&alpha;}}_0\right|}^2|0\&rang;\&lang;0|+{\mathrm{\&alpha;}}_0{\mathrm{\&alpha;}}_1^{*}|0\&rang;\&lang;1|+{\mathrm{\&alpha;}}_0^{*}{\mathrm{\&alpha;}}_1|1\&rang;\&lang;0|+{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|}^2|1\&rang;\&lang;1|$

密度矩阵

$\left[{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{mn}}\right]=[\&lang;m|\mathrm{\&rho;}|n\&rang;]=\left[\begin{array}{cc}{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_0\right|}^2& {\mathrm{\&alpha;}}_0{\mathrm{\&alpha;}}_1^{*}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_0^{*}{\mathrm{\&alpha;}}_1& {\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|}^2\end{array}\right]$ 公式7

对角元(component)给出了系统在任一状态下的概率，非对角元给出了状态之间的干扰。由算符A表示的任何可观察的预期值通过跟踪密度矩阵和算符矩阵的乘积给出：

$\&lang;\mathrm{\&psi;}\left|A\right|\mathrm{\&psi;}\&rang;=\mathrm{Tr}\left(\mathrm{\&rho;A}\right)=\underset{\mathrm{mn}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{mn}}{A}_{\mathrm{mn}}$

系统不可能孤立存在并且通过正演化(unitary evolution)与由通常不正交的状态|e₀>和状态|e₁>所表示的环境相纠缠。考虑到张量积，密度矩阵变成：

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}\left(t\right)={\left|{\mathrm{\&alpha;}}_0\right|}^2|0\&rang;\&CircleTimes;|e_0\&rang;\&lang;0|\&CircleTimes;\&lang;e_0|+{\mathrm{\&alpha;}}_0{\mathrm{\&alpha;}}_1^{*}|0\&rang;\&CircleTimes;|e_0\&rang;\&lang;1|\&CircleTimes;\&lang;e_1|$

$+{\mathrm{\&alpha;}}_0^{*}{\mathrm{\&alpha;}}_1|1\&rang;\&CircleTimes;|e_1\&rang;\&lang;0|\&CircleTimes;\&lang;e_0|+{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|}^2|1\&rang;\&CircleTimes;|e_1\&rang;\&lang;1|\&CircleTimes;\&lang;e_1|$

原理上说，我们不能知道环境的状态，因此我们不采用具有被描绘出的环境状态的约化密度矩阵。因此使用正交环境基向量|e₀>和|e₀ ¹>：

$\&lang;e_0^{\&perp;}|e_0\&rang;=0,\&lang;e_0|e_1\&rang;=\cos \mathrm{\&theta;},\&lang;e_0^{\&perp;}|e_0\&rang;=\sin \mathrm{\&theta;}$

两状态系统的约化密度矩阵由如下公式给出：

${\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_s\left(t\right)={\mathrm{Tr}}_E\mathrm{\&rho;}\left(t\right)=\&lang;e_0\left|\mathrm{\&rho;}\left(t\right)\right|e_0\&rang;+\&lang;e_0^{\&perp;}\left|\mathrm{\&rho;}\left(t\right)\right|e_0^{\&perp;}\&rang;$

因此

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}\left(t\right)={\left|{\mathrm{\&alpha;}}_0\right|}^2|0\&rang;\&lang;0|+{\mathrm{\&alpha;}}_0{\mathrm{\&alpha;}}_1^{*}\cos \mathrm{\&theta;}|0\&rang;\&lang;1|+{\mathrm{\&alpha;}}_0^{*}{\mathrm{\&alpha;}}_1\cos \mathrm{\&theta;}|1\&rang;\&lang;0|+{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|}^2|1\&rang;\&lang;1|$ 公式8

与公式7相比较，我们看到了相干项的变化。环境状态e₀和e₁自身也随着时间演变，并且因为环境确实是巨大的，具有许多能量状态，e₀和e₁将会发现自身在非常短的时间周期¹²内正交，例如，如果每一个状态是许多变量例如(k₁...k_N.r₁...r_N)的函数，至少一个变量变化将会导致一个非常不同的波函数。关于环境部分由无限势的矩形盒子里的两个粒子模拟的这个简单实例，一个粒子的波函数是：

${\mathrm{\&psi;}}_{n_1{n}_2{n}_3}=\sqrt{\frac{8}{\mathrm{abc}}}\sin \frac{{\mathrm{\&pi;n}}_1}{a}x.\sin \frac{{\mathrm{\&pi;n}}_2}{b}y.\sin \frac{{\mathrm{\&pi;n}}_3}{c}z$

盒子的尺度是a、b、c，以及采用两个粒子1、2的正交条件：

$\underset{V}{\&Integral;}{\mathrm{\&psi;}}_1{\mathrm{\&psi;}}_2\mathrm{dxdydz}={\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{abc}}$

则波函数是正交的—点阵振动/热弛豫效应将使得a、b、c在时间上连续变化。

因此，在一短时间之后，我们的环境状态变得正交并且我们的密度矩阵趋于：

$\widehat{\mathrm{\&rho;}}\left(t\right)={\left|{\mathrm{\&alpha;}}_0\right|}^2|0\&rang;\&lang;0|+{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|}^2|1\&rang;\&lang;1|$

即，没有叠加的纯状态的混合统计。整个密度矩阵以单一方式演变，但是其是采用约化踪迹的方式。关于我们的系统，给出了波函数坍塌和不归一变化的说明。在我们打开盒子时，

猫已经死亡或仍然活着。这种试验的大量统计样本将会给出约化密度矩阵的结果。我们不能断定猫将活着或死了，但是仅能精确地预测统计量，类似于经典统计力学的多粒子空间概率的问题。

结论

我们已讨论了超光速通信/加密方案。虽然是纯信息且没有质能的‘量子势3，是真实的并且考虑将其用于工程学。这似乎是自然界给出的另一个诡计，类似于一个世纪以前的困惑，即，使Maxwell、Hertz、Marconi以及LogieBaird接受向世界各地快速地发送信息、演讲和图片的发现。Zeilinger等人^8，9已经讨论了无损测量，其可使用X射线去反映源而无需实际地(在限度内)给物体施加能量—可能是医疗反映的好选择。理解加密术，保存密码以及用密码工作对于量子计算的新生领域也是至关重要的。

在基能级上，量子态与环境的纠缠过程似乎给出了理解这个神秘的过程的一些测量，并且量子力学的半经典观点通过

方程使用波函数的确定性演变而变得明显，其一直应是这样。

这里有相当大的讽刺，爱因斯坦由于量子力学明显忽视客观真实性(不确定性以及测量问题)而不喜欢量子力学。QM的现代公式将测量问题看作由于量子系统与环境¹²发生纠缠而丢失的相干之一。总之，如同孤立的波函数演变一样，这是一个确定性的过程。否认地点和时间的时空实际上使得宇宙变成神秘、不客观以及不经典—如果事件仅依赖测量，我们怎么能仅谈论事件的独立存在呢？这就是五十步笑百步。时空仅仅是用于涉及以或低于光速运动的质能效应的计算/概念工具。量子力学保存了合理性，并且将宇宙返回到3维空间和时间的客观状态，其中同时发生的事件以及物质的东西可以被说成在独立于测量的确定地点和时间处发生或存在。如果我们接受量子态的流(以及继承所有的—量子规则)作为通过3维空间和时间(具有长度缩减以及时间扩大的相对效果)的波而不是经典粒子，那么经典的“观点”以及直觉的知识可以以这种方式回归至物理学。

返回附图，图2显示了信号通信装置1。所述装置包括信息粒子源，其可操作为发射具有不确定性但有关于偏振方向的粒子对。在优选实施例中，当粒子对被发射时，在两个粒子的偏振方向都不确定时，粒子的偏振方向被限制为彼此相差90度。可以理解，由于动量守恒，粒子将以相反的方向被发射。配置信息粒子源以使粒子对中的第一个粒子以第一方向朝向偏振滤波器2发射，并且粒子对中的第二个粒子以第二方向朝向检测装置发射，下面将更详细地进行描述。

在本发明的优选实施例中，由信息粒子源发射的粒子是光子。

所述偏振滤波器2是允许具有特定偏振方向的光子通过的滤波器。调整所述偏振滤波器2以使其放在第一位置或第二位置，其中在第一位置，每一个粒子对的第一个粒子碰撞所述滤波器，在第二位置，每一个粒子对的第一个粒子绕过所述偏振滤波器2并且继续前进。在短的时间周期中，所述偏振滤波器2可以在第一和第二位置之间移动。

所述偏振滤波器2的调制可以通过几个方式实现。通过使用可转换的镜子，第一粒子的路径可以在透明的和偏振路径之间转换。可以选择地，用作电子快门的电光元件例如法拉第旋转器、Kell和Pockek盒(cell)可以在偏振光速分裂器的帮助下，将一个粒子的波函数分裂成两个信道，对于水平或垂直信道，以一适当角度建立一水平和垂直的双同步快门。快门通过旋转波平面来进行其工作并且实现透明状况下传送二进制零，我们必须清除传送—由于单快门打开时的偏振动作，这不能由单快门完成。

所述检测装置3包括偏振光束分裂器4，其是入射粒子遇到的所述检测装置的第一个部件。所述检测装置3也包括检测器5，其可操作为检测由信息粒子源发射的粒子的类型，并且当这种类型的粒子碰撞所述检测器5时，提供恰当信号。在所述偏振光束分裂器4和所述检测器5之间定义第一和第二路径，并且粒子可以沿其中一条路径运行以到达所述检测器5。配置所述偏振光束分裂器以使具有第一偏振方向的入射粒子被定向为沿第一路径，具有第二偏振方向(在本实施例，其优选与第一偏振方向相差90度)的入射粒子被定向为沿第二路径。

在本发明的优选实施例中，提供适当角度的镜M以引导沿各路径穿行的粒子朝向所述检测器。另外，第一和第二法拉第旋转器6，7被放置在每一路径上，以便沿第一路径穿行的粒子使其偏振方向旋转π/4(即45度)，沿第二路径穿行的粒子使其偏振方向旋转-π/4(即-45度)。可选择地，可放置单个法拉第旋转器以便沿第一路径穿行的粒子使其偏振方向旋转π/2(即90度)。

在靠近检测器处提供一半镀银镜或另一个适合的装置(没有显示)以允许沿任一路径穿行的粒子从相同方向接近所述检测器。

所述偏振滤波器3被放置在比所述检测器5稍微更接近信息粒子源的地方。因此，当每一粒子对的第二个粒子到达所述检测器5时，粒子对的第一粒子也已碰撞所述滤波器2，因此粒子对的第一粒子的偏振方向(同理，粒子对的第二粒子)被确定，或者粒子对的第一粒子绕过所述偏振滤波器2并且粒子对的第一粒子的偏振方向没被确定，在这种情况下，粒子对的第二粒子的偏振方向也没被确定。现在将说明粒子通过所述检测装置3的其中的一种情况。

在这种情况下，到达所述检测装置3的粒子的偏振方向被确定，所述粒子将穿过所述偏振光束分裂器4并且根据实际偏振方向被定向为沿所述检测装置3的一支臂。无论粒子被定向为沿哪一条路径，粒子都会到达检测器5并被检测，粒子的到达会引起所述检测器5生成适当信号。

在到达检测装置的粒子的偏振方向没有确定的情况下，可理解成粒子处于叠加的偏振状态。一旦碰撞所述偏振光束分裂器4，与具有第一偏振方向的粒子相对应的粒子波函数的部分将被定向为沿第一路径，以及与具有第二偏振方向的粒子相对应的粒子波函数的另一部分将被定向为沿第二路径。

当沿第一和第二路径传播的波函数的部分通过第一和第二法拉第旋转器6、7时，对应于波函数的这两部分的粒子偏振方向被分别旋转π/4和-π/4，因此是均衡的。波函数的这两部分将均到达所述检测器5并且彼此将会混合并相叠加。设置两个路径的相对长度以使在所述检测器5处，这种叠加将会导致破坏性干扰，并且没有粒子被检测到。

因此，所述检测装置3可操作为区分偏振方向被确定(当粒子对的另一个粒子到达位于第一位置的所述偏振滤波器2时，由所述偏振滤波器进行确定)的入射粒子和偏振方向没被确定(如果粒子对的另一个粒子绕过偏振滤波器2)的入射粒子。在第一种情况中，粒子将被所述检测器5检测出，以及在第二种情况中，没有粒子被检测出。

为了实现调制器的功能以执行经典的在量子信道上传送二进制数据的协议，当所述偏振滤波器2呈现透明时，每一粒子对的第一粒子保持水平分量及垂直分量的叠加状态—这个信号为二进制零。当偏振滤波器2被放入垂直或水平位置时，对第一粒子的波函数执行测量，这将引起坍塌成为单独的水平或垂直分量—这个信号为二进制1。调制时间必须足够充分以便第二粒子能够穿过所述干涉计装置并允许足够的粒子去触发所述检测器并确保良好的信噪比。

法拉第旋转器6、7的目的是控制与沿第一以及第二路径运行的粒子相对应的波函数部分，以使它们可以相互干扰。下面将描述实现这种功能的操作装置的另一个例子。

图3显示体现本发明的第二信号通信装置8。同样这个装置包括信息粒子源，偏振滤波器以及检测装置9，其中偏振滤波器被放置在远离信息粒子源的一距离处，检测装置9被放置在远离信息粒子源的另一距离处，以使粒子对能够分别碰撞所述偏振滤波器2以及所述检测装置9。然而第二信号通信装置8的检测装置9不同于前面部分所提供的，这将在下面更加详细地描述。

另外，所述检测装置9包括偏振光束分裂器4，其被配置以使具有第一偏振方向的入射粒子被定向到第一路径，以及使具有第二偏振方向(与第一偏振方向相差90度)的入射粒子被定向到第二路径。

第二路径简单地包括一适当角度的镜M以将沿第二路径运行的粒子偏转朝向所述检测器。

第一路径包括沿第一路径运行的粒子必须通过的相位改变部件10，并且所述相位改变部件能够有效地将预设长度加到第一路径的有效路径长度上。例如，相位改变部件10可以是一个具有非常精确的机械长度的玻璃块。

在第一路径上也提供了另一偏振光束分裂器11。在本示例中，所述检测装置9被配置为使具有水平偏振方向的粒子被定向为沿第一路径(以及使具有垂直偏振方向的粒子被定向为沿第二路径)，并且设置所述另一偏振光束分裂器11以使碰撞在其上的具有水平偏振方向的粒子被允许通过所述另一偏振光束分裂器11，以及使具有垂直偏振方向的入射粒子被反射到所述检测器5。

也提供了另一个粒子源12，其被配置以向所述另一偏振光束分裂器11发射粒子(与由信息粒子源发射的那些粒子类型相同)。

在入射粒子具有不确定的偏振方向的情况下，来自信息粒子源的沿第一路径的粒子的波函数部分与由另一个粒子源12发射的粒子的波函数叠加，其中由粒子源12发射的粒子具有对应于垂直偏振方向的分量。这将允许沿第一以及第二路径运行的入射粒子的波函数部分之间在所述检测器处发生干扰。如前所述，选择两个路径的长度以使波函数的两部分能发生破坏性干扰，从而导致所述检测器5没有检测到粒子。这可通过引入位于第一路径上的相位改变部件10来实现。

因此可以理解这个检测装置9也能够对偏振方向已经被确定的入射粒子和偏振方向没被确定的入射粒子进行区分。

如与图4有关的上述讨论，通过使用两个彼此平行但被配置为以相反方向发送信息的传送装置能够实现两路通信。

当在所述说明书和权利要求书中使用术语“包括”以及“包含”时，术语“包括”和“包含”及其变形意味着包括特定的特征、步骤或整体。

在上述说明书中、或下述的权利要求书或附图中所揭示的特征，以它们特定的方式表示或以执行所揭示的功能的术语方式，或实现所揭示的结果的方法或过程，可适当的分开，或以任何方式将这些特征结合，从而以其各种各样的方式实现本发明。

Claims (24)

1.一种信息传送装置，包括：

信息粒子源；

滤波器，其设置在第一位置，所述滤波器被配置为仅允许具有特定参数值的粒子从其通过；以及

检测装置，其设置在第二位置，所述检测装置可操作为区分具有确定参数值的入射粒子和具有粒子叠加值的入射粒子。

2.根据权利要求1所述的信息传送装置，其中所述信息粒子源可操作为发射粒子对，每一粒子对中的一个粒子朝向所述滤波器定向，并且每一粒子对中的另一个粒子朝向所述检测装置定向。

3.根据权利要求1或2所述的信息传送装置，其中所述滤波器可在通路位置和闭路位置之间移动，其中在所述通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器，在所述闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的信息传送装置，其中由所述信息粒子源发射的粒子是物质粒子。

5.一种信息传送装置，包括：

信息粒子源，其可操作为发射粒子对，所述粒子对中的第一粒子朝向第一位置被发射，并且所述粒子对中的第二粒子朝向第二位置被发射；

滤波器，其设置在该第一位置，所述滤波器在通路位置和闭路位置之间可移动，其中在该通路位置，每一粒子对中的一个粒子被所述滤波器吸收，而在该闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不被所述滤波器吸收；以及

检测装置，其设置在该第二位置，所述检测装置可操作为区分具有相对短的相干长度的入射粒子与具有相对长的相干长度的入射粒子。

6.根据权利要求5所述的信息传送装置，其中所述信息粒子源包括具有至少三能级原子结构的材料样品，在所述原子结构中作为电子被发射的粒子对的一个粒子从第一能级向第二能级迁移，以及在所述原子结构中作为电子被发射的粒子对的另一个粒子从该第二能级向第三能级迁移。

7.根据权利要求5或6所述的信息传送装置，其中所述检测装置包括：

分裂器；以及

检测器，在所述分裂器和所述检测器之间定义第一路径及第二路径，该第一路径的路径长度比该第二路径的路径长度长，所述检测装置被配置为：如果粒子碰撞所述分裂器并且所述粒子的波函数沿所述第一和第二两条路径定向，则在所述检测器处或靠近所述检测器处，该波函数沿该第一路径定向了的部分和沿该第二路径定向了的部分可以相互干扰。

8.根据权利要求5或6所述的信息传送装置，其中所述信息粒子源可操作为发射波函数彼此纠缠的粒子对。

9.根据权利要求5或6所述的信息传送装置，其中从所述信息粒子源到所述滤波器的路径长度小于从所述信息粒子源到所述检测装置的路径长度。

10.根据权利要求5或6所述的信息传送装置，其中提供一对路径长度模块，每一路径长度模块具有输入端和输出端并在该输入端和该输出端之间定义路径长度，各路径长度模块的路径长度彼此大体相同并且相对于路径长度模块的观测者是隐蔽的，所述路径长度模块中的一个被放置为使从所述信息粒子源穿行到所述滤波器的粒子从其通过，并且所述路径长度模块中的另一个被放置为使从所述信息粒子源穿行到所述检测装置的粒子从其通过。

11.根据权利要求5或6所述的信息传送装置，其中从所述信息粒子源发射的粒子是光子。

12.一种信息传送装置，包括第一传送装置和第二传送装置，所述第一和第二传送装置为根据前述任一权利要求所述的传送装置，所述第一传送装置和所述第二传送装置被配置为使所述第一传送装置的滤波器位于靠近所述第二传送装置的检测装置以及使所述第二传送装置的滤波器位于靠近所述第一传送装置的检测装置。

13.一种传送信息的方法，包括以下步骤：

设置滤波器，所述滤波器被配置为仅允许具有特定参数值的粒子从其通过；

设置检测装置，所述检测装置可操作为区分具有确定参数值的入射粒子和具有粒子叠加值的入射粒子；

设置信息粒子源，所述信息粒子源可操作为发射粒子对，每一粒子对中的一个粒子朝向所述滤波器定向，并且每一粒子对中的另一个粒子朝向所述检测装置定向；以及

在通路位置和闭路位置之间移动所述滤波器，其中在该通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器，在该闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器。

14.一种传送信息的方法，包括以下步骤：

设置滤波器，所述滤波器被配置为仅吸收入射在其上的粒子；

设置检测装置，所述检测装置可操作为区分具有相对短的相干长度的入射粒子和具有相对长的相干长度的入射粒子；

设置信息粒子源，所述信息粒子源可操作为发射粒子对，每一粒子对中的一个粒子朝向所述滤波器定向，而每一粒子对中的另一个粒子朝向所述检测装置定向；

在通路位置和闭路位置之间移动所述滤波器，其中在该通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器，在该闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述设置信息粒子源的步骤包括设置具有至少三能级原子结构的材料样品，在所述原子结构中作为电子被发射的粒子对中的一个粒子从第一能级向第二能级迁移，以及在所述原子结构中作为电子被发射的粒子对中的另一个粒子从该第二能级向第三能级迁移。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中设置检测装置的步骤包括：

设置分裂器；以及

设置检测器，在所述分裂器和所述检测器之间定义第一路径及第二路径，该第一路径的路径长度比该第二路径的路径长度长，所述检测装置被配置为：如果粒子碰撞所述分裂器并且所述粒子的波函数沿所述第一和第二两条路径定向，则在所述检测器处或靠近所述检测器处，该波函数沿该第一路径定向了的部分和沿该第二路径定向了的部分可以相互干扰。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其中从所述信息粒子源到所述滤波器的路径长度小于从所述信息粒子源到所述检测装置的路径长度。

18.根据权利要求14或15所述的方法，其中将所述滤波器放置在通路位置上来用于传送第一二进制态，以及将所述滤波器放置在闭路位置上来用于传送第二二进制态。

19.根据权利要求14或15所述的方法，还包括以下步骤：

设置一对路径长度模块，每一路径长度模块具有输入端和输出端并在该输入端和该输出端之间定义路径长度，各路径长度模块的路径长度彼此大体相同并且相对于路径长度模块的观测者是隐蔽的，以及

将各路径长度模块配置为：使从所述信息粒子源穿行到所述滤波器的粒子通过所述路径长度模块中的一个，以及从所述信息粒子源穿行到所述检测装置的粒子通过所述路径长度模块中的另一个。

20.根据权利要求14或15所述的方法，还包括步骤：设置第二滤波器和第二检测装置，所述第二滤波器和所述第二检测装置被配置为使所述第一滤波器位于靠近所述第二检测装置，使所述第二滤波器位于靠近所述第一检测装置。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：

在所述第一检测装置和所述第二滤波器的位置，接收来自所述第二检测装置和所述第一滤波器的位置的信息，以及

在接收到所述信息后，在预设时间长度内，向所述第二检测装置和所述第一滤波器的位置发送确认信号。

22.根据权利要求14或15所述的方法，包括发送加密信息的步骤。

23.根据权利要求14或15所述的方法，还包括以下步骤：在通路位置和闭路位置之间移动所述滤波器，其中在该通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器或被所述滤波器吸收，以向所述检测器发送第一二进制态，在该闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器或不被所述滤波器吸收，以向所述检测器发送第二二进制态。

24.一种传送信息的方法，包括以下步骤：

设置滤波器，所述滤波器可操作为作用于粒子；

设置信息粒子源，所述信息粒子源可操作为发射粒子对，所述粒子对的各粒子的波函数彼此纠缠，每一粒子对中的一个粒子朝向检测装置定向，而每一粒子对中的另一个粒子朝向所述滤波器定向，所述检测装置可操作为区分当所述粒子对中的另一个粒子被所述滤波器作用时的所述粒子对中的一个粒子与当所述粒子对中的另一个粒子未被所述滤波器作用时的所述粒子对的一个粒子；以及

在通路位置和闭路位置之间移动所述滤波器，其中在该通路位置，每一粒子对中的一个粒子通过所述滤波器以向所述检测器发送第一二进制态，在该闭路位置，每一粒子对中的一个粒子不通过所述滤波器以向所述检测器传送第二二进制态。

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