量子四重奏：量子论、量子力学、量子纠缠、量子通信

量子论一般是指旧量子论，最早由普朗克在解释黑体辐射时引入的最小能量单位，后来被爱因斯坦通过对光量子化解释光电效应后一步步发展起来的，在早期量子论中，爱因斯坦是主要的研究者之一，所以爱因斯坦是量子论的主要奠基人。现在一般把普朗克、爱因斯坦等人发展起来的经典量子论称为旧量子论，以区分玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克等人发展起来的量子力学。

年轻时帅得不要不要的普朗克

量子力学是在研究双缝干涉实验时发现的诡异现象所提出的一套反常识的微观力学。里面产生一系列与常识相悖的现象，以致量子论的奠基人爱因斯坦等人都拒绝接受。特别是海森堡提出不确定性原理，剥夺了爱因斯坦一贯信奉的决定论。更有趣的是量子力学的主要奠基人——波动力学的创立者薛定谔也拒绝接受不确定性原理。薛定谔提出的波动力学能完美描述微观粒子在被测量前的行为，但是一旦发生测量，波动力学好像就失效了。然后海森堡提出的矩阵力学又完美接棒解释了测量后的粒子行为。然而矩阵力学却又解释不了测量前的状态，这就尴尬了_(:D)∠)_玻尔为代表的哥本哈根学派唯有提出一个波函数坍缩的过程来连接两套力学，并利用互补原理解释两套力学为什么不能同时发挥作用。最后玻恩证明两套力学是等价的。这种强行拼凑爱因斯坦当然是不卖账了，连“被拼凑”的薛定谔也不卖账，两人先后提出EPR佯谬和薛定谔的猫来给哥本哈根学派的量子力学致命一击，结果就引出了第三个玩意——量子纠缠。

最佳辩友玻尔和爱因斯坦

量子纠缠源自爱因斯坦、波多尔斯基、罗森共同提出的EPR佯谬，据说原始论文里的描述相当复杂，一般人看不懂_(:D)∠)_幸好我们有万能的科普，把它简化到小学生都看得懂的的样子。简化版是：当用特殊的方式产生一对互相纠缠的量子对，根据哥本哈根诠释，它们的状态在被测量前是不确定的，如果把这对纠缠量子对分离开一光年远，然后测量其中一个，再次根据哥本哈根诠释，它会马上随机坍缩为一个确定的量子态，而由于纠缠量子对符合某种守恒定律，另一个未知的量子态就会同时被确定，也就是说另一个粒子也同时坍缩了。那么问题来了，那飘到一光年外的另一个粒子是怎么知道该坍缩到哪个量子态的呢？在爱因斯坦看来，这就需要那个被测量的粒子把自己随机坍缩到的量子态告知飘到一光年外的另一个粒子，这就需要在两个粒子间传递信息了，然而根据狭义相对论，信息传递是不能超过光速的，那么另一个粒子就得等一年后才能知道该如何坍缩。然而根据守恒定律它又必须马上坍缩_(:D)∠)_这就很尴尬了。。。当然万能的玻尔是不服输的，很快他就找到了解决方案：纠缠的量子对是一个整体，在测量前不能把它视作两个不同的个体，测量导致波函数坍缩后它们才成为两个个体 。这解释相当野蛮，爱因斯坦当然不服了，不过也没法说啥了。。。

后来的事大家都知道了，科学家设计了一个称为贝尔实验来验证了量子纠缠，量子力学是对的，爱因斯坦错了。但注意，是量子力学是对的，也就是纠缠量子对确实是随机坍缩的，也确实是超过光速传递信息的速度坍缩的。但没证明玻尔的野蛮解释是对的╮(╯_╰)╭

量子纠缠

最后是量子通信。这主要也是基于前面提到的那个测量前的不确定状态，也就是量子力学里的叠加态。而量子通信并不是像很多人理解的那样通过量子纠缠实现超光速通信，这条路在理论上是行不通的，目前的量子通信主要还是用于加密方面，由于量子测量坍缩的随机性，通过巧妙的方法就可以实现加密通信，这方面的方案有好几种，比如我国墨子号所用的是BB84协议，这个早在80年代就提出了，有些人认为量子加密通信是潘建伟忽悠人，实际上这方案早就有了，潘建伟只是把它做出来，并且做到天上去了O(∩_∩)O~而这个加密方案并没有使用量子纠缠。另一个保密通信方式是反事实通信，这是反其道而行利用量子芝诺效应实现的。

墨子号量子实验卫星

量子通信时代即将开启，太空远程传输或可实现：请拭目以待

《物理学家》：这不是任何人都会问的问题，只是兴趣的延伸

几周前，QUESS（空间尺度量子实验）开始将量子信息传送到Micius上，并且是在相距1200公里的地面站之间进行传送。这无疑是令人兴奋的，因为它证明了简易（低价）、高保真、长距离量子纠缠的可行性，这恰是所有量子通信的关键。Micius是全球规模的量子基础设施的第一个不稳定性支柱。

兴隆的激光器与世界上第一颗"量子卫星"Micius对话的延时摄影。

纠缠态基本上是相关和叠加的组合。比特和量子比特的区别在于，比特是1或0，而量子比特同时是1和0。一个量子比特可以有很多不同的形式（就像一个比特可以有很多形式一样）：在这种情况下，往往使用光的偏振。偏振状态有两种可能，相比较于编码两种可能性，即0和1来说是完美的（顺便说一下，对于制作3D电影来说也是完美的；每种偏振对应到每双眼都是电影的呈现）。

光的偏振可以指向任何方向（垂直于行进方向），所以它可以不止描述0或1，还可以描述两者的组合。

一个光子可以处于水平和垂直极化的叠加状态。测量之中，它们总是处于一种状态或另一种状态（0或1）。但在测量之前，我们可以对量子比特做很多巧妙的事情。

虽然不可能确定结果，但当你看到"0"或"1"的概率是由状态描述的（在上图中，"0"的可能性更大，但不能保证）。纠缠粒子的奇异之处在于，只要你以同样的方式测量它们，它们的随机结果将是相关的。对于最简单的一种纠缠状态，|Phi^+angle，结果是一样的。如果两个光子处于共享状态如|Phi^+rangle，你发现其中一个是垂直偏振的，那么另一个也会是垂直偏振的。

随机，但彼此都是一样的。不幸的是，实际上与任何一个粒子的任何相互作用都会打破纠缠，最终你将只剩下一对普通不相关的粒子。

这篇关于纠缠的讨论将涉及到更多细节。

如何得到相隔数千公里的纠缠粒子的？仔细阅读下文。

QUESS正在做的，正是"量子通信"的全部内容，是让两个纠缠的粒子即便相隔很远，也不会意外地破坏纠缠或丢失粒子（而当它们从太空中被发射到你身上时，这是很难的）。

如果两个相距甚远的各方共享一对纠缠的粒子，他们就可以开始做一些相当了不起的事情。其中之一就是能够从一个粒子向其纠缠的孪生粒子发送量子比特，所谓"量子远程传输"。量子传送需要一对纠缠的粒子和一个"经典通信渠道"（这包括但不限于大声喊叫）。满足这些条件，我们可以很容易地将一个量子比特，从一个地方"传送"到另一个地方。

顶部：一个你想传送的状态，A，以及两个共享纠缠状态的粒子，B和C。

中部：测量A和B的一些相对属性，并将结果发送给拥有另一个纠缠粒子的人。基于这些信息，另一个纠缠粒子被控制。

底部：这将导致纠缠被破坏，但C承担了A的原始状态。

Qubits（一般的量子态）是极其微妙的。任何能够让任何东西确定其状态的相互作用都会使该状态"塌缩"——一个量子比特从0和1变成了0或1，而所有可能与该叠加状态有关的优势都会消失。因此，远程传输需要测量要发送的量子比特A，但不需要实际确定关于它的任何东西，这非常困难。解决这个问题的方法是做一个特殊的测量，这种测量要对A和B进行比较，但并不直接测量其中任何一个。假设你知道两枚硬币有相同或相反的情况，那么你就相当于了解到了关于这两枚硬币的一些情况，但其实对它们中的任何一枚都没有具体了解。

同样的想法也适用于量子传送。纠缠态的中心思想是，如果B和C是纠缠的，那么它们对测量的反应是相同的。因此，通过比较A和B并了解它们的不同之处，你也在了解A和C是如何不同的。知道了这一点，你就可以弄清楚需要对C做什么来使其具有和A相同的状态，而这一切都不需要实际了解那个状态是什么。即使假设C在中国的远方，你也可以直接告诉拥有它的人测试的结果是什么。对于硬币/常规比特，你只需要发送一个比特的信息——比较的结果是"相同"或"不同"。而量子比特，你需要发送两个比特，因为量子力学是十分复杂的。下面将会讲到有关于量子传送如何工作的更多细节。

物理学家大都不会对地面到空间的量子传送能起作用感到十分惊讶（因为没有人凭直觉建造和发射航天器）。从来没有任何迹象表明，距离是量子纠缠的一个因素，所以这不是一个克服物理规律的问题，只是绕过了（很多）工程上的困难。用房间两边的设备进行瞬移是很容易的。这里的区别是，"房间的另一边"正以大约8公里/秒的速度移动，而且是在虚假的空间里。

量子状态是微妙的，所以我们得能够捕捉、操纵和准确测量单个光子的状态，并将干扰降到最低。假设你没有让别人大声读这篇文章，就可以观察到，光子在空气中携带的信息相当流畅。真的非常流畅。而在足够大的距离上，即使是干净的空气也没有这么好。目前这个相同过程的穿越空气记录在几个加那利群岛之间，有143公里。那143公里穿过我们大气层中最密集的区域（海平面）。你和太空之间的空气量与你和地面上7公里外的任何东西之间的空气量差不多（你越往上走空气越稀薄）。所以直上传送应该比在地面站之间传送更容易。

一般来说，传递完整的量子信息的最大问题是所有的东西都在行径路程中，所以空间显然是一种解决方案。空间的问题涉及距离：东西离得越远，目标就越小。在两个地点之间建立纠缠，需要在一个地点创造一对纠缠的粒子，然后将其中的一个发送到另一个地点。QUESS设法捕捉到大约每600万个光子对中的一个，而且它在白天不工作，因为阳光会从空气中散射出来（在两个量子卫星之间可能不是问题）。总之，QUESS团队声称能够在每秒建立一个纠缠对。考虑到所有的事情，这真是一个令人印象深刻的难得的吹嘘的权利。这构成了"吹嘘"（QUESS团队关于这个问题的官方论文）。

即使身处嘈杂的通道中，很多光子丢失，其他许多光子的状态也被他们的行程所扰乱，但一个可靠的量子通道仍然是可能存在的。我们可以提炼量子纠缠，将许多弱纠缠对变成更少的强纠缠对。你可以把这想成是重复一个数字信息，让数字信息通过一个嘈杂的信道。发送信号需要更多的时间，但结果是一个比任何一个单独的尝试更清晰的信息。一旦双方建立了纠缠，一个量子状态可以在双方之间传送，包括与其他东西纠缠的状态。这样，A-B和B-C之间的两个纠缠对就可以变成A-C之间的一个纠缠对。有了 "量子中继器"，我们可以通过拼凑许多短的、可能是嘈杂的通道来建立巨大距离的量子通道。重点是：尽管量子态是完美且精致的，但我们不需要完美的精致来处理它们。

在电报的黄金时代，我们可以把信息（比特）发送到任何地方，只是当它们到达那里时，我们不能对它们做太多的事情。我们正在进入一个类似的（但可能要短得多）的量子信息时代。

量子信息技术仍处于起步阶段。我们现在的情况类似于电报和摩斯密码的时代，可以通过长距离发送量子比特，一次发送几个，但我们在两端没有计算机能够对这些量子比特做什么。尽管有这个巨大的缺陷，但有一些杀手级的应用可能会推动这项技术的发展。尤其是量子密码学。

撇开细节不谈，量子加密可归结为：

1）分布大量成对的纠缠粒子

2）以相同的方式测量每一对

3）记录下结果

不涉及量子计算，最大纠缠对的决定性特征是，对纠缠对的测量是完全相关的，并且本质上是随机的。任何拦截纠缠粒子的人/物都会打破（或至少削弱）纠缠，因此可以检测到窃听行为。对于外面的密码学家来说，量子密码学是一种创建共享随机秘密的方法，对中间人攻击强烈（或者至少可以检测到这种企图）。你和其他人创建一个只有你们两个人可能知道的随机数，这让你可以对任何信息进行加密并发送（例如通过电子邮件），物理规则可以保证信息的安全性。

量子密码学：用基础物理学来分享和保护秘密!

令人震惊的是，很多具有空间探索能力的政府都对此感兴趣，因此Micius不太可能是最后一颗量子通信卫星。

只是作为一个简短的旁白，因为它经常没有被清楚地说明：量子传送并不涉及任何意义上的实际传送。实际上没有东西进入到从一个量子系统到另一个量子系统的旅程。在量子信息理论领域有一对定理说，如果你和其他人共享一对纠缠粒子（有时称为"ebit"），那么以纠缠为代价，应用一些可爱的技巧，你可以。

1)发送2个比特来传递一个量子比特

2)发送1个量子比特来传递2个比特

第一个程序被称为"远程传输"，第二个被称为"超密集编码"。其中一个是可怕的、误导性的名字，另一个是"超密集编码"。

BY: Physicist

FY:四二

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

相关问答

量子通信与激光通信有什么区别?

一.定义的区别:量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。激光通信是一种方向性极好的单色相干光,利用激光来有效地传送信息。二.两...

量子通信和传统通信的区别?

一.定义的区别:量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。传统通信是一种方向性极好的单色相干光,利用激光来有效地传送信息。二.两...

请问什么是量子通信?与现在广泛应用的移动通信技术、光通信技术有什么不同?

区别还是挺大的,量子通信主要保密性非常好,可以知道信号是否被窃取区别还是挺大的,量子通信主要保密性非常好,可以知道信号是否被窃取

光量子通信和OAM通信有什么区别?

光子的概念是阿尔伯特爱因斯坦在1905年至1917年间提出的,这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展。其中光子本身具有内秉属性,例如质量、...

量子通讯会比传统激光通讯优越吗?

量子通讯正是对激光通讯技术的提升和应用,全球通讯技术专家们都在对该技术领域进行着深入的研究和探讨,谁掌握了量子钥匙的分发方式以及保密方法,谁就能在量子...

光通信和量子通信哪个厉害?

量子通信更厉害。极限速度都是光速,但量子通信保密性高。量子通讯必须包含两部分:1)貌似“超光速”(尚无定论)的量子纠缠态的制备及测量过程,2)普通信道...

光纤通信和量子通信特点?

光纤通信特点:1、宽带信息容量大:光纤通信容量大,并且光纤的传输宽度比电缆线或者铜线的宽度大很多,但是对于单波长的光纤系统,由于终端的设备受到很大的限...

光纤量子通信是什么?

光纤量子通信是一种利用量子技术进行信息传输的高速通信方式。与传统线路所传输的信息不同,光纤量子通信中传输的信息是以极其微小的粒子——量子的形式存在。...

量子通信为何需要光纤?

先说说光纤光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导工具。传输原理是‘光的全反射’。前香港中文大学校长高锟首先提出光纤可以用于...

量子通信技术和光电信息科学有什么联系?

电子也是一种“量子”,如此说来电子信息其实是属于量子信息的范畴。电子信息的出路显然是量子信息只不过量子信息现在还算不上成熟罢了。量子通信是量子信息的...