读书4：《猫、爱因斯坦和密码学：我也能看懂的量子通信》
这两天在读霍金的《大设计》，里面艰涩的物理学专业词句，让我读起来很是费劲。在读到双缝实验部分时，不得不借助知乎，先给自己科普一下，于是发现了这本书，通俗易懂。
这本书有五章，前三章为量子物理知识，第四章回顾了密码学的千年历史，第五章是将量子物理用于通信，即量子通信。
一双缝干涉实验
20世纪初，物理学家纠结一个上百年的问题：光，到底是波还是粒子？于是做了双峰干涉实验一解百年纷争。
第一次实验，把光子发射机对准双缝发射，结果是呈标准的斑马线。说明光子是波。
第二次实验，把光子机枪切换到点射模式，保证每次只发射一个光子。结果仍呈斑马线。
问题是：根据波动理论，斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加；而单个光子要么穿过左缝，要么穿过右缝，穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉？是否是，光子在穿过双缝时分裂成了两个光子——左半光子和右半光子？
第三次实验：在屏幕前加装两个摄像头，一边一个左右排。哪边的摄像头看到光子，就说明光子穿过了哪条缝。结果就是，每次不是左边的摄像头看到一个光子，就是右边看到一个。一个就是一个，从来没有发现哪个光子分裂的情况。说明光子是粒子。然而，不知从何时起，屏幕上图案，悄悄变成了两道杠。
没用摄像头看，结果总是斑马线，光子是波；用摄像头看，结果就是两道杠，光子变成了粒子。这就是光的波粒二象性。
这时，光是波是粒已经不重要了，人们也把目光转到了“观察者”身上。“光子是什么”这一客观事实，是由我们的观察（放不放摄像头）决定的？
第四次实验：事先，只有屏幕没有摄像头，等它穿过以后，再迅速加上摄像头。结果：无论加摄像头的速度多快（以纳秒计算），只要最终加上了摄像头，屏幕上一定是两道杠；反过来，如果一开始有摄像头，哪怕在最后一刻撤掉，屏幕上一定是斑马线。
加不加摄像头，是在光子已经穿过双缝以后再决定的。不管光子在穿缝的时候什么形态，过了缝应该留定型了。既然光子在加摄像头之前就定型了，为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化？难道，在之后做出的人为选择（未来），能够改变之前已经发生的事实（历史）？
二 量子世界三大基本原则
"量子力学代言人"尼尔斯•玻尔总结了量子世界的三大基本原则：
1.叠加态原理：一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态)，各种可能性并存。比如，一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态，才是最普通不过的本质形态；而在我们看来“正常”的非黑即白，才是一种特例。
2.测不准原理：叠加态是不可能精确测量的，这并不是因为仪器精度不够高。这个“不可能”是被宇宙规律所禁锢的“不可能”，而非“有可能但目前做不到”。
3.观察者原理：虽然一切事物都是多种可能性的叠加，但是，我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测，必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的，其概率高低取决于后天叠加态中哪个态的成分居多。
按照玻尔的说法，观测的一瞬间，光子就随机蜕变成多种可能中的一种，还把这个过程取名为“塌缩”。
三 薛定谔的猫
根据哥本哈根解释。箱中的猫是不死不活、又死又活的叠加状态的猫，直到开箱那一刻才瞬间"塌缩"成一只死猫或者活猫？
四 量子纠缠
在薛定谔“孪生粒子”的思想实验中，两个相距万里的粒子，观测出A的状态，也就知道B的状态，因为A和B都是一个母粒子分裂而成的，B的状态一定和A相反。因为A、B两个粒子的命运紧密相连，牵一发而动全身。AB之间的反应叫量子纠缠。
无论相隔多远，处于“纠缠态”的两个孪生粒子就像有心灵感应般，零延迟、发生同步反应。两个粒子之间有一道穿越时空的纽带——超距作用。
五 对相对论的挑战
当观测的一瞬间，事物瞬间变了，这个速度能有多快？无线快。宇宙的尺度是以“亿光年”为单位计的，在恢宏的空间中，银河系一边发生的任何事情，不可能立即对彼岸的世界造成影响。通过对粒子A的观测，居然瞬间让远方的粒子B的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为“幽灵般的超距作用”。
在严谨的学术界，“幽灵”是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速，更不存在超距作用，因为这是相对论的大前提：局限性。如果量子纠缠允许超光速，那么，是量子力学错了，还是已经被无数次实验证实的相对论错了？
“贝尔不等式”、史砚华的幽灵成像实验。宣告了量子力学获胜，幽灵般的超距作用，是真的。但是，并不违反相对论（任何信息和物质不能超过光速）。
虽然信息是瞬时传送过来的，但要把其中的乱码剔除，提取出真正的内容，还是必须把图像用不超过光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心得"超光速"问题，只是杞人忧天。
六 量子纠缠的背后
量子纠缠中最神秘的现象“超距作用”其实并没有超越光速，而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么，孪生粒子能够异地千里，同呼吸共命运的真正原因。
无处不在的量子纠缠，像建筑物的钢筋结构一样，把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。
这两天在读霍金的《大设计》，里面艰涩的物理学专业词句，让我读起来很是费劲。在读到双缝实验部分时，不得不借助知乎，先给自己科普一下，于是发现了这本书，通俗易懂。
这本书有五章，前三章为量子物理知识，第四章回顾了密码学的千年历史，第五章是将量子物理用于通信，即量子通信。
一双缝干涉实验
20世纪初，物理学家纠结一个上百年的问题：光，到底是波还是粒子？于是做了双峰干涉实验一解百年纷争。
第一次实验，把光子发射机对准双缝发射，结果是呈标准的斑马线。说明光子是波。
第二次实验，把光子机枪切换到点射模式，保证每次只发射一个光子。结果仍呈斑马线。
问题是：根据波动理论，斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加；而单个光子要么穿过左缝，要么穿过右缝，穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉？是否是，光子在穿过双缝时分裂成了两个光子——左半光子和右半光子？
第三次实验：在屏幕前加装两个摄像头，一边一个左右排。哪边的摄像头看到光子，就说明光子穿过了哪条缝。结果就是，每次不是左边的摄像头看到一个光子，就是右边看到一个。一个就是一个，从来没有发现哪个光子分裂的情况。说明光子是粒子。然而，不知从何时起，屏幕上图案，悄悄变成了两道杠。
没用摄像头看，结果总是斑马线，光子是波；用摄像头看，结果就是两道杠，光子变成了粒子。这就是光的波粒二象性。
这时，光是波是粒已经不重要了，人们也把目光转到了“观察者”身上。“光子是什么”这一客观事实，是由我们的观察（放不放摄像头）决定的？
第四次实验：事先，只有屏幕没有摄像头，等它穿过以后，再迅速加上摄像头。结果：无论加摄像头的速度多快（以纳秒计算），只要最终加上了摄像头，屏幕上一定是两道杠；反过来，如果一开始有摄像头，哪怕在最后一刻撤掉，屏幕上一定是斑马线。
加不加摄像头，是在光子已经穿过双缝以后再决定的。不管光子在穿缝的时候什么形态，过了缝应该留定型了。既然光子在加摄像头之前就定型了，为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化？难道，在之后做出的人为选择（未来），能够改变之前已经发生的事实（历史）？
二 量子世界三大基本原则
"量子力学代言人"尼尔斯•玻尔总结了量子世界的三大基本原则：
1.叠加态原理：一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态)，各种可能性并存。比如，一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态，才是最普通不过的本质形态；而在我们看来“正常”的非黑即白，才是一种特例。
2.测不准原理：叠加态是不可能精确测量的，这并不是因为仪器精度不够高。这个“不可能”是被宇宙规律所禁锢的“不可能”，而非“有可能但目前做不到”。
3.观察者原理：虽然一切事物都是多种可能性的叠加，但是，我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测，必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的，其概率高低取决于后天叠加态中哪个态的成分居多。
按照玻尔的说法，观测的一瞬间，光子就随机蜕变成多种可能中的一种，还把这个过程取名为“塌缩”。
三 薛定谔的猫
根据哥本哈根解释。箱中的猫是不死不活、又死又活的叠加状态的猫，直到开箱那一刻才瞬间"塌缩"成一只死猫或者活猫？
四 量子纠缠
在薛定谔“孪生粒子”的思想实验中，两个相距万里的粒子，观测出A的状态，也就知道B的状态，因为A和B都是一个母粒子分裂而成的，B的状态一定和A相反。因为A、B两个粒子的命运紧密相连，牵一发而动全身。AB之间的反应叫量子纠缠。
无论相隔多远，处于“纠缠态”的两个孪生粒子就像有心灵感应般，零延迟、发生同步反应。两个粒子之间有一道穿越时空的纽带——超距作用。
五 对相对论的挑战
当观测的一瞬间，事物瞬间变了，这个速度能有多快？无线快。宇宙的尺度是以“亿光年”为单位计的，在恢宏的空间中，银河系一边发生的任何事情，不可能立即对彼岸的世界造成影响。通过对粒子A的观测，居然瞬间让远方的粒子B的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为“幽灵般的超距作用”。
在严谨的学术界，“幽灵”是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速，更不存在超距作用，因为这是相对论的大前提：局限性。如果量子纠缠允许超光速，那么，是量子力学错了，还是已经被无数次实验证实的相对论错了？
“贝尔不等式”、史砚华的幽灵成像实验。宣告了量子力学获胜，幽灵般的超距作用，是真的。但是，并不违反相对论（任何信息和物质不能超过光速）。
虽然信息是瞬时传送过来的，但要把其中的乱码剔除，提取出真正的内容，还是必须把图像用不超过光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心得"超光速"问题，只是杞人忧天。
六 量子纠缠的背后
量子纠缠中最神秘的现象“超距作用”其实并没有超越光速，而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么，孪生粒子能够异地千里，同呼吸共命运的真正原因。
无处不在的量子纠缠，像建筑物的钢筋结构一样，把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。
如果某一天你很攸闲的坐在客厅玩着手机，突然一个穿着奇装异服的男人突然呈现在你面前，你却一点儿也不紧张，很淡定的站起来向他问道，“先生，你大概是掉进虫洞来到我家的贵客？！”，那你就真是一个科普知识到家的人了。说真的，人类幻想中的时空穿越旅行是我最迷人的一个幻想，我真希望接待一个穿越时空的人从虫洞中突然降临我家进行一次接触。一般来说，穿越时空的人只有我们明天的人才可以穿越，因为人只能回到过去时空而不能去未来的时空。虽然科学家说穿越未来也可以，不过，我并相信。我为什么那么迷恋穿越时空的人呢，这其中最大的兴趣在于，我们每个人都期待明天而并不希望回到过去。 https://t.cn/zQDh3Q6
【闲聊时间】
科幻作品中，常常出现“虫洞”的概念。1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设，认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做#时间旅行#。
简单而言，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞可以把 #平行宇宙# 和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的#时空隧道# 。
迄今为止，科学家们还没有观察到虫洞存在的证据。
如果真的有虫洞，你愿意来一场时间旅行吗？
科幻作品中，常常出现“虫洞”的概念。1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设，认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做#时间旅行#。
简单而言，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞可以把 #平行宇宙# 和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的#时空隧道# 。
迄今为止，科学家们还没有观察到虫洞存在的证据。
如果真的有虫洞，你愿意来一场时间旅行吗？
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