量子技术简介 花66

量子技术简介花66

一、前言

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。

二、量子技术的基石：量子力学和相对论的基本假设

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。

三、量子技术的核心：量子纠缠现象简介

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。

四、量子通信简介

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。