贈書福利丨用有趣的方法看懂量子通信

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量子力學(xué)離普通人是那么遙遠(yuǎn)，鮮有人會主動去學(xué)習(xí)這門物理學(xué)專業(yè)的課程（不自量力=不要自學(xué)量子力學(xué)）。量子力學(xué)又是離普通人那么近，當(dāng)今世界一切電子產(chǎn)品都源自于量子力學(xué)催生出來的信息技術(shù)。

所以與其上來就科普量子通信，弄得你一頭霧水。不如先講清楚量子力學(xué)的來龍去脈，如果再弄得你一頭霧水，但至少讓你知道是從哪里來的一頭霧水。

量子力學(xué)深刻地顛覆了物理學(xué)家的世界觀，這可以從兩個方面來闡述。第一個方面就是存在量子疊加態(tài)，這是在人類日常的世界觀中無法想象的狀態(tài)。人類世界觀的形成離不開自己的感官，那么感官看到的物體狀態(tài)，丁是丁卯是卯，說一不二。經(jīng)典力學(xué)為什么容易理解？就是因?yàn)樗瓶刂暧^世界，完全符合人類的感官常識，讓人類看得見摸得著。

但量子力學(xué)掌控的是微觀世界。當(dāng)我們看看一個基本粒子的時候，它就不是一個小顆粒了，而是一個量子化的波，它其實(shí)無處不在，即同時存在各個地方， 這稱為波函數(shù)。這就是量子疊加態(tài)的一種表現(xiàn)，即波函數(shù)是坐標(biāo)空間本征態(tài)的 一種疊加。所以當(dāng)我說“一個基本粒子的大小是一個無限小的點(diǎn)，但是它同時存在于整個空間”時，聽起來是多么不可思議，但是量子力學(xué)卻告訴我們這是基本粒子真正的性質(zhì)。在量子力學(xué)中，位置的疊加已經(jīng)很不可思議了，而其他如動量的疊加、能量的疊加，更比比皆是。而“量子糾纏”就是量子疊加的一種，是兩個或兩個以上粒子組成的一種量子疊加態(tài)。當(dāng)你明白了量子疊加態(tài)的存在，就不會對量子糾纏這種“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動”感到不可思議了。

物理學(xué)家依靠量子力學(xué)原理，在20世紀(jì)50年代到70年代間陸續(xù)發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管、激光器、集成電路、磁盤、光纖等技術(shù)，以此為基礎(chǔ)，20世紀(jì)80年代以來陸續(xù)誕生了個人電腦、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等偉大發(fā)明，將人類文明徹底帶入了信息時代。量子力學(xué)催生了當(dāng)今世界信息技術(shù)的方方面面，徹底改變了人類的生活。

如今以量子通信和量子計算機(jī)為代表，出現(xiàn)了新一代的量子信息技術(shù)，它作為現(xiàn)代信息技術(shù)的繼承者，將更深入地應(yīng)用量子力學(xué)原理引領(lǐng)信息技術(shù)的發(fā)展，也將再一次改變我們的生活。

量子通信作為量子信息技術(shù)的排頭兵，讓我們提前觸摸到了第二次信息革命的脈搏。什么是量子通信？量子通信分為哪幾個方向？量子通信產(chǎn)業(yè)化做到了什么程度？“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星做了哪些人類首次的太空量子通信實(shí)驗(yàn)？我將一一道來。

量子通信不應(yīng)該簡單地從字面意思理解為通過量子來通信，它的真實(shí)含義更廣泛，是利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進(jìn)行操控，在兩個地點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。

量子通信按照應(yīng)用場景和所傳輸?shù)谋忍仡愋涂煞譃椤傲孔用荑€分發(fā)”和“量子隱形傳態(tài)”兩個方向。其中，“量子密鑰分發(fā)”可以通過對量子態(tài)的傳輸和測量，為經(jīng)典比特傳輸（我們最常用的數(shù)字通信）建立牢不可破的量子密碼，是為經(jīng)典信息做加密服務(wù)的量子通信。目前，以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段，開始保護(hù)我們的信息安全。“量子隱形傳態(tài)”利用量子糾纏來傳輸量子比特，是服務(wù)量子計算機(jī)終端的量子通信，將應(yīng)用于未來量子計算之間的量子互聯(lián)網(wǎng)。

《大話量子通信》以有趣的方法介紹了量子力學(xué)的發(fā)展歷史，回顧了人類的第一次信息革命，展望了以量子通信和量子計算為代表的第二次信息革命。并先后介紹了量子通信各分支的原理、量子通信實(shí)用化進(jìn)程、“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，以及澄清了一些對量子通信的誤解。?

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