輕鬆穿越地球,可聯繫外星生命,中微子通訊能否超越量子通訊?

美國費米實驗室在歷史上首次成功使用中微子實現通訊。科學家利用一個試驗裝置，將信息編碼成中微子束，發射穿過240米厚的巖石，帶寬為0.1bps（位/秒），誤碼率百分之一，結果發表在2012年現代物理快報（Modern Physics Letters A）[1]。由於中微子可以幾乎不受阻擋地直線穿過物質，這種通訊不會受海水和地層的阻擋，也無法幹擾、攔截和破解。也許有一天，它能變成實用的通訊方式。

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什麼是中微子

中微子是一種神秘的基本粒子，不帶電，質量極小，與其他物質的相互作用十分微弱，在自然界廣泛存在。太陽內部有弱相互作用參與的核反應產生大量中微子，暢通無阻的從太陽流向太空。每秒鐘會有1000萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體，它能自由地穿過人體、牆壁、山脈乃至整個行星。由於中微子難以捕捉和探測，因而被稱為宇宙中的「隱身人」。

構成世界的基本粒子。粒子物理研究表明構成物質世界的最基本的粒子有12種： 6種夸克（上、下、奇、粲、底、頂，每種夸克有三種色，還有以上所述夸克的反夸克），3種帶電輕子（電子、μ子和τ子）和3種中微子（電子中微子，μ中微子和τ中微子）。每一種中微子都有與其相對應的反物質。中微子是1930年奧地利物理學家泡利為了解釋β衰變中能量似乎不守恆而提出的，1933年正式命名為中微子，1956年才被觀測到。

夸克，圖片來自百度

中微子的速度

2011年9月，位於義大利格蘭薩索國家實驗室（LNGS）的OPERA實驗在英國《自然》雜誌宣布，對μ子中微子的研究發現移動速度比「比光速快6公裡」。 然而，2012年2月，研究人員發現連接GPS和電腦光纖的接頭鬆動造成了中微子超光速的假象，同時另一個與GPS信號同步的振蕩器故障又可能導致低估中微子的速度。2012年5月，由諾貝爾獎得主卡洛·魯比亞領導的團隊ICARUS重新測量了中微子速度，發現並沒有超過光速。

量子通信已實現，中微子理論上也可用於通信

量子通信目前已經實現。來看一些實例。2019年4月12日，山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室自主研發的量子保密通信開通儀式在校圖書館一層大廳舉行。10時40分，一個量子加密視頻電話從山西大學接通到光大銀行太原分行。黃桂田校長與光大銀行太原分行行長王琳進行現場視頻通話,他們互相問候並祝賀這一系統成功開通。整個通話過程信號穩定、傳輸流暢，充分展示了量子保密通信技術良好的效果。

山西大學實現量子視頻通話，來源山西大

中微子理論上也可以用於通信。由於地球是球面，加上表面建築物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛星和地面站。而中微子可以直透地球，並且發生損耗極小，例如用高能加速器產生10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減千分之一，因此從南美洲可以使用中微子束髮送信息穿透地球直達北京，無需昂貴而複雜的衛星或微波站。但是，中微子通信可能性仍然非常低，雖然美國費米實驗室（FermiLab）已經實現了中微子通信，但是要實際應用，仍然困難重重。

中微子通信較難實現的原因

原因有以下幾點：

1、中微子neutrinos與物質的弱相互作用

中微子與物質的相互作用非常微弱。每一秒鐘都有數十億顆流星穿過你的身體，沒有任何互動。這使得很難檢測或引導它們沿著所需的路徑(如導線)移動。

2、中微子產生過程的輻射及信息寫入方式

中微子通常在放射性反應中產生(例如，在核反應堆的裂變過程中)。因此，生產它們並不困難，但要做到沒有副作用(即輻射)是相當困難的。此外，儘管我們可以很容易地產生數十億個這樣的粒子，但要在其中編碼信息是很困難的，因為它們與物質的交互並不多，也就是說，無法把信息寫進它們裡面。

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3、發送路徑不受限制

由於它們並不與物質發生真正的相互作用，因此很難將它們置於我們所希望的任何路徑上。人類可以把電子放在電線裡，把光子放在光纖裡，但是卻無法真正限制中微子的路徑。這意味著，如果想要交流，很可能必須把中微子發射器和探測器排成一條直線。在無法看到的情況下，是很難在長距離中實現的。

4、中微子探測器

中微子不帶電荷，因此它們不與物質發生電磁作用。有幾種方法可以檢測到它們;最常用的方法是測量當中微子與物質發生相互作用時產生的切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）。由於中微子只參與弱相互作用，一般探測器需要建造得夠大，以接收到足夠數量的中微子訊號。 中微子探測器一般會選擇建造在地底深處，以屏蔽宇宙射線以及其它背景輻射。當有便捷小巧的手機時，巨大的探測器對通訊而言用處很小。

目前世界上的中微子探測器：

神岡探測器（日本），啟用於1983年。 超級神岡探測器（日本），1990年代在神岡探測器的基礎上擴建。 薩德伯裡中微子觀測站（加拿大），啟用於1999年。 IceCube中微子觀測站（美國），啟用於2010年。 巴克三中微子觀測所(前蘇聯)，啟用於1977年。

美國IceCube探測器，圖片來自網絡

5、背景噪音過大

正如前面提到的，每秒鐘有數十億的中微子穿過人的身體。因此，背景噪音是巨大的。像IceCube這樣的中微子探測器必須放置在地下，並進行適當的校準，以消除背景噪聲，以便檢測任何信號。中微子的信噪比對於任何實際應用來說都太低了。

6、中微子振蕩導致可能無法檢測到同一粒子

中微子有三種，每一種中微子都對應一種帶電的輕子——電子中微子對應電子，μ中微子對應μ子，同理，τ（希臘字母，普通話念「濤」）中微子對應τ子。飛行過程中它們會在不同微子間振蕩，這意味著人類甚至不能可靠地確保它們會被接收為想要發送的同一種粒子。

總之，使用中微子進行通信極難實現，隨著科技的發展，或許中微子探測能力大大提高，或者發現新的物理現象。目前來說，還是量子通訊應用價值更高。

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參考文獻 [1] STANCIL, D. D., ADAMSON, P., ALANIA, M., et al. DEMONSTRATION OF COMMUNICATION USING NEUTRINOS. Modern Physics Letters A, 2012, 27(12), 1250077.

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