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神奇的量子玫瑰:量子通信的核心基础

时间:2020-04-16 09:40:00  阅读:260

撰文|王向斌 清华大学物理系


      可能,你会问,你没有量子基础,但是你想知道,究竟是什么导致了量子密码中的“窃听必然留下痕迹”?请读懂我这篇通俗文章,它带领你直扑量子密码的量子核心基础。读这文章你不需要任何其他参考文献,但是需要耐心。缺乏耐心正是许多试图自学量子力学的人最终未遂的原因。

 

      想象,把量子态的观测规则用到玫瑰花上,量子玫瑰,平时不观测时烟雾缭绕一团。牢记下列三条规则:

规则一:以光照之可现其色彩,非红即白,永无例外;以风吹之可现其气味,非浓香即淡香,永无例外。简单地说:观测其色彩非红即白,观测其气味非浓即淡,永无例外。

规则二:若接连两次观测都观其色彩,即接连两次光照,两次看到的色彩必然相同;若接连两次观测都观其气味,即接连两次风吹,两次测到的气味也必然相同。(这点对于真实玫瑰花那简直就是废话。)

规则三观测色彩后其气味完全不确定,观测气味后其色彩完全不确定;不论观测之前你的玫瑰处于何种状态。

 

      其中规则三最为核心。例如,先以光照发现其为红色,再以风吹发现其为淡香后,我们已经完全无法预知此后再次光照是红或白了,我们只能根据规则一知道那是非红即白,根据规则三,红白概率五五波。

 

      据此法则,量子玫瑰之色彩和气味无法同时确定。平时我们看到的真实玫瑰花,其色彩和气味都是确定的,或者说是客观实在:淡香型的白玫瑰其气味与色彩都是客观实在,与你愿不愿意劳驾你的鼻子或眼睛无关。而那量子玫瑰则不一样了。它得毫无例外地遵从上段的规则。若其色彩确知,其气味必然完全不确定,反之亦然。这与你的观测能力无关,这是量子玫瑰自身的属性,是大自然的基本法则所决定的。这与我们日常生活的直觉经验很不一样。你必须接受规则。对于这量子玫瑰,如果你试图谈论什么“淡香型的红玫瑰”,那就象试图谈论一个“正方形的圆”那般荒唐

 

      有个网络语言,“遇事不决,量子力学”。“不决”应为上述规则三那样的规律本身,并非说任何问题都没有明确的答案。下面几个问题就有明确答案:

1)如果我给你一束量子玫瑰,对你说这是一束红玫瑰,这个含义是什么?是指你若只观其色彩,你看到的必然是红玫瑰。我怎样确保这点呢?根据规则二,在我给你玫瑰之前,我观测其色彩,如果我看到了红色,我就对你说这是红玫瑰。(这答案,对于真实玫瑰花的情况简直就是废话,不过,还有别的问题。)

2)我给你一束红色量子玫瑰,你能通过观测,改变其颜色吗?!根据规则三,你先观测它的气味。此后你再观测它的色彩,你有可能看到红色,也可能看到白色,概率为五五波。如果你看到的是白色,你已成功完成任务,如果你看到的还是红色,则再观测其气味然后再看色彩。如此下去,总有什么时候你会获得一束白玫瑰。(这个,忽然间匪夷所思。)

3)假如,以你携带的那一束量子玫瑰为通行证。途中你不允许观测你的玫瑰。现在某段路上先后有两道哨卡:第一道卡观测你的玫瑰花色彩,红色放行,白色阻止,第二道哨卡还是观测你的玫瑰的色彩,白色放行红色阻止。问:你能够预先准备好某种玫瑰,使得你有机会接连通过两道哨卡吗?又问:如果允许你在两道哨卡之间观测你的玫瑰,你用怎样的策略可以保证自己一定会接连通过两道哨卡?(这个,答案不予公布。)


     显然,我们的故事远未结束。有了这个基础,你会发现在我们后续文章中介绍的量子密码中“窃听必然留下痕迹”很自然的事。


     未完待续


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