主题：量子技术简介 -- beiba

2016年8月16日中国发射了世界第一颗量子卫星，这是一个划时代的标志。

量子技术从公开报道的文章来看，可以说乱花渐欲迷人眼。让我们避开纷繁复杂的技术细节和深奥的理论运算，去看看后面到底有什么样的事实和假设。

科学上所有进入殿堂的理论，后面都有无数事实所验证和支撑。当然我们也知道，历史上，无数的“事实”在后来都被发现，它们都不是事实，或者仅仅是更大范围内事实的一部分。

绝对真理就是没有真理，所有理论最终都会被证明是错误的，不过它们有的很有用，抱着这样的观点比较好，不要被任何理论洗脑。

量子技术不等于量子力学，实际它综合了最前沿的科学、哲学的实践探索。现在教科书里的量子力学和相对论理论，在量子技术的地位大概相当于四则运算在数学中的地位，它是基础，但远远不能涵盖全部。不过量子技术的起点确实是量子力学和相对论，前者在微观领域（激光、电子显微镜、晶体管等），后者在宏观领域（GPS）都进入民用领域，各自都很成功。

这里来看看量子力学和相对论各自的三大假设，这里不用“基本原理”、“公理”、“定律”等的说法，是为了避免被洗脑。除了上面六个假设，还有一个奥卡姆剃刀律（也是一个假设），符合事实的情况下假设越少越好。

量子力学第一个假设是概率解释，浅白的说就是“世事无绝对”。凡有科学素养的读者，赌徒或者炒股票的，都或多或少能够理解。

量子力学第二个假设是互补性原理，这就是哲学上的对立统一律。

所谓对立统一律，用掷硬币来解释比较容易。如果有人一直在掷硬币，任何时刻的结果都只出现正面或者反面其中之一，那么，可以断言他掷的只有一个硬币。对立统一律是奥卡姆剃刀定律的一个表现形式。对立统一律或者互补性原理的一个例子，物质的波粒二象性，由于任何时刻只能观测到这对立（或者互斥）两面中的一个，对立统一律指出那么它们在更高层次就是一个整体。

对立统一律有很多更朴素、更广为流传的版本。阴阳，乾坤，塞翁失马焉知非福，福祸相倚，中华传统文化植根于此。

量子力学第三个假设是不确定原理，浅白的说我们对于微观世界的认知是有极限的，到了某个微观层次想再提升分辨率是不可能的。

相对论第一个假设是相对性原理，客观的物理规律在宇宙中任意坐标系中有效，浅白的说就是有那么一组（或者至少一个）真理在宇宙中处处适用，换句话说存在至少一个绝对真理。

相对论第二个假设是等效性原理，引力和参考系的某种运动变化等效。浅白的说，我们感觉到、观察到的引力，可以等效的认为这是物体间的相互运动而不考虑引力这个神秘的东西。

所谓运动变化，其实就是体系的信息变化，这个假设其实就是说引力，其实是体系的信息变化（或者信息交换）。为什么“万有引力”呢？因为不存在绝对孤立的物体。如果有个绝对孤立的物体，和我们这个宇宙没有信息交换，它存在与否对我们毫无影响，奥卡姆剃刀律就说不用考虑它。

相对论第三个假设是光速不变原理。

以上的六个假设，互相并不完全“独立”，相互存在着对立，可以称之为表里关系。

不确定原理针对的微观，完全不确定；光速不变原理针对的宏观，完全确定。不确定原理和光速不变原理互为表里。

对立统一律（互补原理）是绝对的分割了事物的两面，两面绝对的互相排斥；而等效性原理是强调万事万物均有联系，不可分割。对立统一律和等效性原理互为表里。

概率解释说“世事无绝对”，就是不承认有任何绝对的真理；相对性原理承认至少有一个绝对真理。概率解释和相对性原理互为表里。

这三组假设，其实内在也有联系。概率解释、相对性原理这一组，是纯粹的从整体、抽象、总结性的角度做的假设，是为“天”；不确定原理和光速不变原理这一组，是纯粹的从具体的、实证的、执行层面来做的假设，是为“地”；对立统一律和等效性原理是从看待事物的方法、角度来做的假设，是为“人”。

量子力学和相对论的奠基人有过这样的对话：

“玻尔,上帝不掷骰子。”

“爱因斯坦,别指挥上帝该怎么做。”

不要被任何假设洗脑。

这里介绍一下量子纠缠现象。

两个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。这个现象就是量子纠缠。

例如，两个做量子纠缠的光子，初始总动量已知，如果某一时刻测量其中某个光子，得知它的动量，那么另外一个光子的即刻状态翻转，动量确定。

如果用对立统一律来看，就是说上例中两个粒子始终是“一个整体”。

在实验室中量子纠缠现象多次被验证。一个术语“非定域性”，就是说量子纠缠态的粒子互相影响，无视空间间隔，即时发动。

把上面的量子纠缠例子作个比喻。一个硬币有正、反两面，不过这正、反两面在空间上相隔很远，各自都不可分割。在进行量测前，这两面虽然我们知道一为正，一为反，但是究竟如何是不确定的；量测其中一面时，另外一面虽然远隔重洋，我们也立刻一清二楚。

从上面比喻可以看到，其实是一个单位的不确定信息（一个硬币在旋转），被赋予了两个各自不可分割的载体（两面）。如果用术语说，就是一个单位的不确定信息被赋予了两个不可分割的基本粒子，也就是两个量子态上面。这两个量子态不论它们距离相隔多远，存在非定域性的超距纠缠，一旦一个被测量，另外一个就会立刻状态确定（由不确定变为确定，自动发生了状态变化）。

量子纠缠不仅存在于两粒子体系，实验室已经制备多粒子纠缠态，例如三个量子态之间的纠缠，四个量子态之间的纠缠，六个量子态之间的纠缠等等。量子纠缠的总量子态可以是质数也可以是合数。

目前的量子纠缠态只在地球上相对小范围近距离实现，在空间（太空）尺度的量子纠缠态还没有实现。第一颗量子卫星的目的就是去验证在空间尺度的量子纠缠存在性。

有人会问，这有何意义？地球在一小块看，是平的，只有在大尺度上，我们才发现它是球体。

量子纠缠跨微观、宏观两个领域，从理论上讲，研究空间尺度的量子纠缠，就是去研究前面六个假设。虽然所有的理论都是错的，不过有的理论有用，假设越少的理论越有用。

从应用上说，量子纠缠的核心应用在两个方面，量子通信和量子计算。这是盾和矛的研究。

量子通信有两个方向。第一个是量子加密通信（量子密钥），另外一个是超光速信息传输。

量子加密通信，本身仍然符合相对论要求，信息的传输在光速限制以内。它的核心是利用不确定原理的推论量子不可克隆定理，制造量子纠缠态的密钥供通信双方共享，一旦窃听者试图测量密钥，纠缠态破坏，通信双方立刻知道被窃听，该段密钥被放弃，只有绝对安全的密钥予以保留。

从理论上讲（基于前面六个假设），这是绝对安全的通信方式。

超光速信息传输，从理论上（前面六个假设中的光速不变原理），是不可能的。不过，前面六个假设，未必那么可靠，它们只是假设。从量子纠缠的角度看，通信的两端，对于传递的信息本身，无法超光速传输，即便接收到信息，编码也需要常规途径传送过来，信息内容传播仍然在光速限制以内。

不过，换个思路就不一样了。信息本身无法超光速传输，但是信息量的大小，也是一种信息，它是非定域性的，不费任何时间，超光速传播的。

举例而言，如果在地球和月球上建立两个量子通讯站，建立了三组量子纠缠态，分别是2量子纠缠态，3量子纠缠态，4量子纠缠态。如果我们事先约定，2量子纠缠态的发生代表地震，3量子纠缠态的发生代表战争，4量子纠缠态的发生代表饥荒，那么信息就可以实现非定域的即时传输了。

这个思路和无线电通信的发展很像。无线电刚被发明应用时，没办法光速传播，得一个地区一个地区的蜗牛爬过去，铺设基础设施。一旦铺好，无线通讯就是光速了。量子通信也得慢慢在宇宙中光速以下爬，不过一旦爬到位搞好基础设施，非定域性的超光速通信也就实现了。

不过，这个超光速一点也不科幻，没办法时间逆流，改变历史或者未来，就是让你知道老远处发生的事而已，和现在无线通讯的作用差不多。

这个量子通信，保密性也非常高，因为是“即时”通讯。

基于前述六个假设，理论上说，上面两种量子通信，都是绝对安全的。

以上两个方面的应用，都是第一颗量子卫星的应用验证目的。它就是要验证，空间尺度的量子纠缠态是存在的。

量子通信是盾，那么量子计算机就是矛。

什么是量子计算呢？

还是用一个比喻来解释。

一个硬币，两面分别在地球两边。如果有人说，有一个问题，就是现在这个硬币在旋转，搞不清楚东半球硬币是不是正面。要解决这个问题，他需要先走到东半球，然后停止硬币旋转。最后不确定性消失，问题解决了。

上面就是演示了一个最简单的基本逻辑电路“与门”的量子计算。输入有两个：第一个，半球位置（东半球或者西半球），第二个，硬币正反。只有当输入都是高电平（东半球和正面），输出才是高电平（肯定的答案），其余都是低电平。这是个四量子纠缠态，东西半球和正反面同时纠缠。

而“非门”逻辑电路，就是二量子纠缠态。

事实上，基于非门和与门，可以构建所有的逻辑电路，换言之，理论上可以构建所有逻辑电路的纠缠态。和现有计算机本质的区别是，现有的计算机计算时间很长，而量子技术计算没有时间，任何难题，只要构建好纠缠态，一瞬间就解决。

量子计算机和现有计算机相比，本质的差异就在于，它不消耗计算时间。这使得量子计算机成为最尖锐的矛，任何问题都可以搭建纠缠态然后瞬间暴力破解。

本质上，量子计算机就是堆积信息量，堆到足够高的信息量的量子纠缠态，任何难题或者密码保护（所谓的逻辑难题或者保密，无非是增加了不确定的信息量），只要保护方的信息量没有破解方堆起来的大，就会被破解。量子计算机要么堆的纠缠态信息量不够大无法破解，要么就是一瞬间破解。

从这个意义上说，所谓绝对保密的两种量子通信方式，根本就是靶子，对手无非是要堆积资源来构建足够强大的量子纠缠态而已。

量子技术和现有通讯方式、计算机有恰恰反过来的特点。

现有通讯方式，网络信息传播是多级、由点扩散到面的，成本在于扩散信息；量子通信是直接全网络通信，成本在于屏蔽信息。

现有计算机，在处理难题时，构建解法的时间成本很低，完全可以写好一个固定的程序，然后新的更强大硬件替换之后，然后复制过去慢慢计算。量子计算机没办法这样，基础设施间只要是互联是可以叠加的，老的设备一样可以使用不必淘汰。所以量子计算机很可能是建立一个中央厨房式的超级计算机，各个终端随时调用各种现成算法。分布式的量子计算机比较浪费资源，毕竟基础设施是通用的，建设成本昂贵。当然，这个中央和分布式并不是指地理位置，而是从连接方式，隔得老远如果能并网进入资源堆积，也算中央，放在隔壁但是信息通路上隔绝，就是分布式。

这个意义上看，量子计算机就是一个学习型的超级大脑，各个终端就是身体各个部分和大脑的神经接口。不过，量子计算机最麻烦的是得非常耐心、非常的人性化的让它学习。它非常长时间内就和婴儿一样，完全没有任何经验，能力也真的弱小得和婴儿差不多。成长之后它就是我们的倍增器，不论是能力还是品性，将以无法想象的倍数放大我们的能力和缺陷。

一定会有人恐惧生活被一个强大的“意识”控制。这就是怎么去看待事物的问题了。到底这样的人工智慧有没有自己的“意识”？它怎么看待我们？回到人类的大脑，脑细胞和身体细胞其实很平等。有两个很重要的现象我们注意到：第一，大脑本身没有“痛觉”，脑细胞就算被杀死它也绝不反抗，也不对外发出相关信息；第二，人类疾病中也有脑肿瘤，极其偶然的情况下脑细胞也搞突变，脑细胞也有人类全部的基因，所以这是正常现象。

从中医的观点，大脑就是一个“不存在”的器官。所有的问题，所有的情绪、神志，都是五脏六腑身体各器官各部分的表达。大脑更像是身体所有细胞、器官一起争吵、斗争、协调的一个公共场合。对于量子计算机的恐惧，和对于人自己的大脑恐惧是一样的，我倒没见过哪个人恐惧自己大脑太有智慧。

量子技术应用方面的局限，就在于其基础理论，也就是六个假设。

以对立统一律为例，我们能够看到，一个硬币除了正面、反面，还有非常容易让人忽略的侧面，事实上就是侧面才支撑和连接起正面和反面。侧面是未知的一面。看待事物不能用纯粹的对立统一律思路，而是应该看到事物的三面性，正面（好的一面）、反面（坏的一面）和未知的一面。真正推动事物发展的，恰恰是这未知的一面。一个人、一个文明是否有潜力、有生命力，就是看他和看它未知的一面有多大。为什么我们觉得儿童潜力大、生命力强？他不确定、未知的一面比老人多得多了。

量子技术的理论，还有太多要走的路。

不过，任何理论或者应用方面的局限，都不是量子技术真正的局限，技术可以创新，理论可以发展。它的真正局限还是在于使用者自身。如果完全依赖了量子技术或者任何科技，例如电、内燃机、蒸汽机，而放弃了自身，那么人就成了技术、工具的奴隶。人必须独立思考，也必须有独立生存的能力。

人类为什么要睡觉？当大脑休息时，身体仍然正常的运转，当然此时是一种修养生息的模式，各个细胞、身体器官也放松、愉快的过着自己的生活。有什么人能一直不睡觉吗？每个细胞不是大脑的奴隶，它们也不想奴役大脑。

规律的、定期的休养生息、回归原始，这是人类自身的发展历史告诉我们过去的成功之路。未来呢？这是需要探索的，但是不休息肯定是不行的。

无论如何，人类迈出了这关键的一步，我们开始走向宇宙。

如何确定两个量子是纠缠的，它们距离那么远，如何判定？

首先；什么样的量子会纠缠？

其次；如何制备？

再次；如何分发？

其实关于量子通讯，现在像样的科普文章大把，要搞明白是很简单的

但是似乎很多人都还被这些量子伪科普来调戏。

简单的判定，任何一个人向你说量子通讯是超光速通讯，你就可以判定此人对量子通讯一无所知。

用量子计算来破解量子通信？

哈哈哈哈

量子计算可能适用于目前的非对称加密所依据的大数分解，而量子密钥如果真是做到了一次一密，密钥与明文等长，那么在数学上是不可破译的，计算能力再强也没有用。

当光激发某些晶体时，有小概率产生一对偏振互相垂直的纠缠光子对。由于能量守恒，纠缠的光子的波长比激发光的波长更长，所以可以用滤镜将其分离出来。纠缠的光子的方向也不同于入射光子的方向，而且两个纠缠的光子以入射光的方向为轴相互对称，偏离入射光子的方向，所以也可以根据其出射方向分离出来。如果有两个光纤以入射光的方向轴对称布置，那么一旦一个纠缠的光子进入其中一个光纤，另一个纠缠光子必定进入另一个光纤。这以后你可以按普通光子将两个光子分别传送到两地。

如果能买到相应的晶体，配合上合适的激光源，整套东西可以自己DIY的。这里有NIST（美国国家标准技术研究所）下面一个实验室自己搭的光源，很简单的 https://www.nist.gov/information-technology-laboratory/entangled-photon-pair-sources

如果自己不会搭可以买现成的，这种东西有商业成品

上面的光路可以用下面这张1967年Kocher等人产生纠缠光子对的原理图来解释。当时他们用的是含Ca原子的晶体，用一个H2弧光灯产生深紫外光，通过一个227.5nm的滤镜作为激发光，激发Ca原子后小概率产生一对422.7nm/551.3nm的纠缠光子对，被垂直于入射光的镜头收集，然后用光电倍增管分析。现在几十年过去了，晶体升级换代了，比如用BBO晶体，光源也升级成激光光源，但是光路还是大同小异。

克服了许多困难，历程艰辛， 的确是个伟大的成就。

对话潘建伟：欢迎基于科学实验的严肃质疑

外链出处

两个纠缠的光子是如何实现通讯的？速度多少？潘建伟认为他现在无法理解，HAL9000 兄有什么看法吗？

我以前写过一点点：HAL9000:不懂就不要乱嚷嚷

如果硬要套大家比较熟悉的概念，你可以把纠缠光子对想象成一对“阅后即焚”的密钥，那么制备纠缠光子对的过程就是“密钥生成”，将纠缠光子对应用于通讯的过程相当于“加密”和“解密”。无论是密钥的生成，还是加密和解密，都不是“通讯”，“通讯”是一个另外不相关的过程，密钥生成、加密、解密这些只能称之为“运算”。“运算”和“通讯”是完全不同的两个概念。说量子通讯是两个纠缠光子之间的通讯，就好比根据一个公钥能解开通讯传送的用私钥加密的密文，就说这一对公钥私钥之间存在“通讯”，是错误的。

当纠缠的光子对中的一个状态改变时，另外一个的状态也“即刻”发生了变化。那么这“即刻”是多少时间呢？一个光子是如何“知道”另外一个光子的状态发生了变化？

首先是理论上的需要。一个量子系统一旦被测量，波函数就塌缩为测量的某个本征态。就是如果两个纠缠的粒子，测量了其中一个粒子波函数塌缩，但是如果这个时候另一个粒子不同时塌缩的话，那么系统会有一小段时间违反某些原则性的规律，比如违反一些守恒定律。为了理论上的自洽，这个塌缩必须在同一时刻出现在另一个粒子处。

实验测量也能证实这一点。潘建伟等人还真的测量过这个过程的时间尺度外链出处。在这个实验中，如果假定这个塌缩的传导存在一定的速度，那么在实验测量中这个速度超过光速的1000倍。

我们常见的系统是量子力学描述的系统的一个子集，在这些系统中我们总结出来的某种直觉在量子力学描述的系统里面未必是成立的，而未必成立的东西里面就包括了定域性。如果要解释量子力学为什么是这个样子的，你必须有一个高于量子力学的理论，而这样的理论还没有出现。

生物我觉得也是神奇的不可理解的现象。我猜测两者之间有某种关系。按现有的物理观测，生物这种负熵物质应当是一种不会出现的东西。量子纠缠带来了物理解释生物的一点曙光。