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白话量子信息科技

我们发现了若干量子现象，我们用量子动力学来解释和预测，但是请记住：这个解释还不完善，这个解释也必将不是最终的。

但是。。。

先白话白话“量子”

 量子究竟是个什么东东？

量子的对应英文是Quantum，英文释义为：a discrete quantity of energy proportional in magnitude to the frequency of the radiation it represents.翻译成中文：一个表征辐射能量的离散量，大小与辐射频率成比例。

量子在日文中也写作“量子”，即书写相同发音不同，由于众所周知的原因，推测：“量子”这个中文词汇是直接使用的日文，配上了中文发音。日语中，量子解释为能量子，一粒一粒的能量，一份一份的能量，也就是离散的能量。

从量子的定义，我们可以有这样一些推论：

（1）因为辐射频率是离散量，所以辐射能量也是离散量。

（2）还是因为离散量的原因，某个确定的辐射能量，即频率一定，细分到只有一份，也就是量子，再往后就不能再细分了，换句话说，量子是特定辐射的最小能量单元。

（3）量子这个最小的能量单元，有许多不同的取值，分别对应于不同的频率，不同的辐射。例如：可见光就是一种辐射，红光有自己的量子，就叫红量子吧，红光由大量的红量子组成，这个红量子不能再细分了，再分就不能保持原有的性质了。

（4）量子不是某个具体的物质组成单元，与分子、原子、质子、中子、电子、基本粒子不同，虽然大家都有个“子”字，也就是说量子不是粒子，是能量子，光有光量子，微波有微波量子。

（5）我们知道，微观世界的“存在”具有“波粒二相性”，既有波的特性又有粒子的特性，量子也不例外，那份最小的能量像粒又像波！千万不要用宏观的“沙子粒”和“水波”套用在微观粒子头上，也包括量子。要用抽象后的“沙子粒”和“水波”去理解微观世界。

（6）稍稍扩展一下。量子，是在保持某种特性的前提条件下，研究对象/物质/系统的最小组成单元。不可分是在这种特性不变的前提条件下来讲的，从这个意义上来说，与我们现在常用的“元”字一样。如：元数据、元模型、元分析、meta……

blablabla......

好了，回到量子现象。

白话三个量子现象：真随机、叠加态、纠缠态。

好吧，先讲纠缠态和隐形传态，知道大家最感兴趣这个神而又神，神神秘秘的隐形传态，其实三个现象中，最本质的现象是真随机！

1、量子纠缠

 你是风儿我是沙，缠缠绵绵绕天涯~ 

量子纠缠是一种量子力学现象，描述了复合系统（有两个以上成员的系统）的一类特殊量子态现象，此量子态无法分解为成员各自量子态的张量积。或者从成员个体的角度来描述，两个粒子相互纠缠，即使相距遥远距离（没有发现已知的力启作用），一个粒子的行为将会影响另一个的状态，当对其中一个进行量子测量而状态发生改变时，另一个也会即刻发生相应的状态改变。

看图说话。EPR源是用来产生纠缠光子对的。EPR是什么意思？啰嗦两句，听不听懂关系不大。EPR（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），是三个人名的首字母，爱因斯坦、波尔、罗森，他们三个提出了一个微观物理世界的悖论，大家称之为EPR悖论，也叫做定域（局域）实在论。

定域实在论提出了两个假设：

（1）实在性：微观物体拥有实在性质，可以决定量子测量结果。

（2）局域性：在任意区域的实在性质不会被遥远区域进行的测量所影响。

后来，BELL，一个大牛人，提出了一个不等式，自然就叫贝尔不等式了，能够用来判别EPR悖论，因此证明了贝尔定理。

没有任何局域隐变量理论能够复制所有量子力学预测。

不懂？没关系，推论好理解：上面的两个假设至少有一个不正确。要么实在不局域，要么局域不实在，还有干脆既不局域也不实在。隐形传态就是一个“实在不局域”的案例，白话：可以观测但不能局限在特定范围。

EPR源产生的纠缠光子对，一个发给张三，另一个发给李四（老外说是Alice和Bob）。张三对自己的光子做贝尔测量（BSM，Bell states measurement），结果瞬间改变了李四的光子状态，这就是“隐形传态”。注意：李四不知道变没变，不知道什么时间改变，也不知道变成什么状态。所以，张三要将贝尔测量的结果通过经典通信方式传递给李四，李四再根据这个信息对自己的光子做酉正变换，获得了光子改变后的状态。（庆祝一下，成功了！）

别高兴！仔细想一想，测来测去、变来变去、传来传去，我们在做什么？我们能利用这个现象做什么？

首先，说说“隐形传态”。张三对自己光子的测量，同时改变了李四光子的状态。这就是吃瓜群众大呼神奇之处。但是，但是……，李四苦着脸：“我啥也不知道！”李四是真的冤枉。到此为止，从通信角度来看，状态确实可以从张三传递到李四，且这个过程目前没有发现物质和能量转移，坑人的是：可以传输任意未知态！绕口，烧脑，不说不能传输，他说能够传输任意未知态。你传输个未知态，咋用？所以，要实现有意义的通信，必须有后面的步骤，经典信道传输一份配套的信息。正是因为这个原因，结论：信息没有超光速传递，纠缠量子态可以超光速改变。对照相对论进行检查，没毛病！没冲突！

然后，说说这个过程的真真正正的有用之处——保密通信！

在前面白话的通信过程中，我们定义：光子对“远程传递”纠缠态的途径为量子信道；传输贝尔态测量结果的途径为经典信道。量子信道不在我们当前认知的时空里，作用机理尚不清楚，假说很多，都没证据。设定：张三利用量子信道传递“密钥”，利用经典信道传递“密文”，还“谨小慎微”地实施“一次一密”，密钥绝不使用第二次。那么，理论上可以证明：能够无条件安全通信。资深窃密人士王五（老外说是Eve）只剩两个选择：要么啥也窃取不到；要么破坏信道，我王五得不到你李四也别想得到。无论如何，王五是窃取不到信息了！

原理讲完了，看看现在量子信息科技做到了什么程度，以下都是公开报道。目前光纤通信限制：1000公里距离上直接传递信息，速率是500年传递一个光子。（哈哈，你是否想起了那首歌？）采用量子中继，500公里内不计成本通信，速率每秒1个光子。但是，目前还不能用量子中继的方式来做无条件安全通信，中继本身就是安全漏洞。

2、真随机

 就是这么任性，尔等凡人怎能摸清我的性情？

说真随机是更本质的量子现象，还是因为贝尔不等式。随机和局域这两个迥异的概念是密切联系的。真随机允许非局域性产生，但不引起通信。真随机现象是这样描述的：一个光子的自然量子态是完全随机的，例如：光子的水平偏振和竖直偏振，出现的概率是相同的，因此测量一个光子的偏振态，结果是水平偏振的情况是真随机的。在量子世界里，存在真正的随机现象，可以是有限范围内的真随机，还能够是无限范围内的真随机。不同于计算机数值模拟的伪随机数，量子世界的真随机是纯粹的自然造物。

真随机现象，最大的用途是保密，即加密和解密。图灵、香农等密码大师，孜孜不倦、矢志不渝追求的随机函数算法，完全可以从自然量子随机现象中提取，生成随机数序列。当前采用量子随机数生成方式获得的随机数序列，已经通过了最严格的随机数检验标准，实验证明是真随机的。

前面白话的保密通信，实际应用时必须有两个环节：传输环节无条件安全，加密环节无条件安全，二者缺一不可。采用量子纠缠可以解决传输环节的无条件安全，采用量子随机数生成可以解决加密环节的无条件安全。

3、叠加态

 猫死，还是猫活？

前面白话了量子的真随机现象和纠缠现象，说明了隐形传态，还介绍了应用这两个量子现象的“量子保密通信”应用。下面，再白话白话另一个量子现象及其应用，这就是量子态叠加和量子计算模拟应用。还没吸引你的眼球和注意力，“Quantum Supermacy 量子霸权”。其实，这个翻译不传神，译成“量子争霸”贴切些，但是“量子霸权”抓眼球呀！现在不是流行语不惊人死不休吗？

先说“量子态”。不用公式，白话量子态真的很难！

量子态，在量子力学中，微观粒子的运动状态就是量子态。量子态由一组量子数表征，这组量子数的个数等于粒子的自由度数。

例如：某个粒子由两个量子数表征，称为粒子有两个基态，分别记作|0>和|1〉，那么这个粒子的量子态|Ψ〉就可以形象地理解为三维单位球面上的点。这个三维单位球，大家称之为Bloch球。原谅我就写这一个公式吧。

|Ψ〉 = α|0> + β|1〉，且|α|² + |β|² = 1

量子态叠加是这样一种现象：量子的运动状态是基态叠加后的状态。量子态叠加的结果是叠加态。量子态叠加可以认为是“波的相干叠加性”与“波函数完全描述一个体系的量子态”两个概念的概括。

先擦把汗！接下来白话量子态叠加的应用——量子计算机。

量子计算机，比照经典计算机，我们把前面讲的量子态|Ψ〉叫做量子比特（Quantum bits），Qbit，“丘比特”。一个量子比特有两个计算基态|0>和|1〉，如果对|Ψ〉进行一次测量，得到的态是|0>或|1〉，即只能给出0或1。如果不进行测量，我们如何度量信息呢？但是这个概念真的很重要！在自然演化量子比特的封闭量子系统中，不进行任何测量，将会保持描述该量子态的全部连续变量α和β。大自然在一个量子比特的量子态中，藏了大量“隐信息”，更有甚者，“隐信息”的量会随着量子比特的增长而指数增长。还是以两个基态为例（二进制，经典计算机熟悉呀），一个量子比特的量子态是2¹=2，两个量子比特的量子态是2²=4，……，N个量子比特的量子态是2^N。对于大点的N，例如500个量子比特，2⁵⁰⁰是个天文数字！比宇宙中的原子数目还要多。这就是量子计算机敢于争霸“超算”的核心竞争力，“隐信息”也是量子计算算法研究的关键问题。（END）

本文专家作者：张雪松，中国电子科学研究院

部分图片来自于互联网

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