量子黑发是真的吗_量子黑客视频完整版
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塞林格谈神秘的量子世界
以下文章来源于墨子沙龙 ，作者Anton Zeilinger。
大约从20世纪70年代开始，人们开始在实验上深入 探索 量子世界，思考这个世界是否真的如此奇妙。当时并不是为了应用而进行实验，新生的婴儿又能做什么呢？所以，我们之中的一些人在20世纪70年代和80年代早期所做的工作并没有什么实际用处，而后来我们却收获了惊喜。这是我生命中最大的惊喜之一，我确信这样的事情还会再发生。
相信大家对量子物理的一些基本概念已经有所了解了。我想从另外的角度来讨论这些概念。你们闲暇时可以思考一下这些与众不同的观念，也许会对你有所帮助。
这幅图是尼尔斯·玻尔所绘画的双缝实验装置。玻尔是一名丹麦的理论物理学家，关于量子力学，他和爱因斯坦有过激烈的讨论，大家一定听说过这些故事。
请注意图中最前面的那条缝，它在这个实验中非常重要，它使得光源保持稳定，这样才能看到干涉条纹。当一束光——也可以是其他东西，如电子——到达并透过第一条缝，然后穿过中间的两个缝隙，你会在观察板上看到明暗相间的条纹。从波的角度出发，这很好理解，但是如果我们只让一个粒子穿过，会发生什么呢？当只有一个粒子穿过时，这个可怜的粒子会怎样呢，它会落在哪里？
情况似乎是这样的：当一个粒子落在了某处，你发射第二个粒子，它也会落在某处。如果你发射了成千上万个粒子，这些粒子将会飞过缝隙，产生成千上万个落点——最后你会看到明暗相间的条纹。然而，只要你关闭其中任一条缝隙，这些条纹都将会消失。也就是说，基本上每个穿过缝隙的光子都知道这两个缝隙是打开的还是关闭的。
这时爱因斯坦会说：“光子本来就必须穿过这两个缝隙之一，不是吗？这有什么意义，只是换个方式表述了而已。”这是爱因斯坦1909年所说的。他认为，一个光子只能从这里或者那里穿过，所以条纹只会在很多光子同时穿过时出现。它们相遇，互相交流信息，知道哪条缝隙是打开、哪条是关闭的，从而它们可以重新设置自身的“性质”。
现在已经有很多实验可以一次只让一个粒子通过。那么，答案是什么呢？目前的观点是，一个粒子可能经过宇宙中的任意一条路径，要想观测到明暗相间的干涉现象，这只有在没有路径信息的时候才能做到。这就是信息所扮演的角色。很重要的一点是，问题的关键不在于你是否一直盯着粒子看，而是你是否得到了粒子行走路径的信息。
双缝干涉实验通常使用光子进行实验，不过原则上讲，没道理大的粒子就不会发生干涉。但这对于实验学家来说，是一项巨大的挑战。我们在国际上率先开展了中子、原子、大分子的量子干涉实验。
再提一个很有名的概念——“薛定谔猫”叠加态，我们不讨论很多细节。有人说这只猫是死或生的，这是一个错误的说法，应当说它是处在死和生的叠加态。那么，我们能在多大的系统里观测到这样的叠加态呢？它对系统的尺度有没有限制？这成为实验上的挑战。甚至，我们能在生命系统中观测到叠加态吗？我的答案是，可以！当然，在生命系统中，很多相关的领域都还是空白。
还有一个相关的概念——随机性，这是一个有争议的概念。假设我们有一个非常弱的光源，发出的光通过一个玻璃片。这个玻璃片是一面镜子，却不是一面很好的镜子，它会反射一半的光，然后让另外一半透过去。想象你站在商店的橱窗前，你能看到店里的东西，也能看到自己，它就是这样的一面镜子。
那么，大家都来思考一下：如果单个的光子或单个的其他粒子来到镜子上，会发生什么呢？这个粒子会做什么？它会穿过去还是被反射？量子物理告诉我们，它不可再分，所以它必须做一个决定。两边都有一个探测器，当这个光子被反射了，我们称这件事为“0”，当它穿过去了，我们称之为“1”。
当然，刚才描述它的方式是错误的，因为这个粒子并不是去这里或者去那里——它是以两条路径的叠加态形式传播，就像在双缝实验中那样。它并不知道自己在哪，没人知道它在哪。但是当你在路径上放了探测器，某个时刻，粒子“啪”的一下撞击了其中一个探测器，这时候，这个粒子的叠加态就塌缩到了这里，也就再也不会出现在另一个探测器上了。在1927年，这样的事情让爱因斯坦感到非常困惑。
另外，这个实验除了作为一个有趣的现象，还可以为你提供一串随机数。当你一个接一个去做很多次这样的测量，你会得到一串随机数。这也是潘建伟教授团队所从事的一个重要工作。
现在的问题是，我们能否从原则上解释：为什么在这种情况下光子会被反射，而在另外一种情况下光子会穿过去？量子力学并没有给我们解释。或许不是所有人都同意，但我个人的诠释是，这是一种新的随机性，一种在经典图像下不存在的随机性。这一随机性不是由于我们没有足够的信息，而是由于这个世界本身就没有足够的信息。这是我个人的观点，也是海森堡和玻尔等人的观点。但爱因斯坦不这么认为，他是不喜欢这个观点的人之一。他有一句很著名的话：“上帝不掷骰子”。而玻尔回答他“不要教上帝怎么掌管这个世界”。这个回答很棒，我想这个世界上唯一敢于教上帝怎么掌管世界的人就是爱因斯坦了。
当一个粒子或其他物体处在两个概率事件的叠加态时，我们称其为量子比特 （qubit） 。一个简单的开关，只有开或关两个状态 （让它们分别对应“0”、“1”） ，可以看做是一个比特。如果我们进行打开或关闭的动作，两个状态的切换就会立马实现，而一个量子比特会是两个状态的叠加态。问题是你没办法去观测它，在你观测它的一瞬间，它就会塌缩成开或关。但我们只需要想象一下，这东西是0“和”1。“和”这个字在这里有了新的含义，它的含义和经典物理中不一样，它代表着所有你可能测到的态。
1935年，爱因斯坦和波多尔斯基 （Boris Podolsky） 、罗森 （Nathan Rosen） 一起发表了一篇文章，题目是 “Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?” （“量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗？”） 。这就是著名的EPR文章。在文章中他们提出，如果有两个粒子，它们相互作用后分开，这样就会出现对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的情况。爱因斯坦不喜欢这种事情，并且将其称为“幽灵般的超距作用”。对于这篇文章，《纽约时报》评论道：“爱因斯坦攻击了量子理论：一位科学家和他的两个同事发现它不完备”。如果你和爱因斯坦一起发表文章，你就不被称为“科学家”了，仅仅是个“同事”。
随后，薛定谔用了一个非常漂亮的词语来描述这件事。他使用了德语“Verschränkung”，意思是两个物体关联了起来。但对应的英文翻译“Entanglement”表意很糟糕，就像在表示一团乱麻。相比下，德语名字就好多了，它指的是两个事物之间非常好的关联，这个关联可能在未来被用以实现“纠缠的骰子”。我们现在买不到它，也许在未来的50年内可以买到。所谓纠缠的骰子就是指，无论这对骰子相距多远，如果你扔了一个6，那么另一个也会是6；如果你扔了一个3，那么另一个也会是3；以此类推。它们完美同步，但实际上它们之间并没有连接起来。薛定谔表示这不是我们现在已知的物理，这是新的物理现象。
现在我们开始讨论量子密码学。量子密码学有趣的地方是，两个人用经典的信道来交换信息，然后他们使用量子信道来建立秘钥。你可以让窃听者操作所有的信道，但只要你操作正确，就算是Makarov教授 （注：一位著名的量子黑客） 来做信道攻击，你仍然是完全安全的，窃听者无法获得任何信息。实现的方法之一就是利用纠缠。
首先，我们生成一对纠缠的光子，比如它们在偏振维度发生纠缠，然后把它们往两端传输。这时，位于两端的Alice和Bob测量它们的偏振。在每一端，都能测到垂直或水平偏振，也就是0或者1。重点是，如果Alice和Bob在两端进行同样方式的偏振测量，那么两人的结果就会完美相关：要么都是0，要么都是1。
Alice和Bob获得了两个随机数序列，它们是完美关联的，也就是同时在两地生成了秘钥。注意，在这种方式中你不需要传输秘钥，它是由阿图尔·埃克特 （Artur Ekert） 最早提出的。你需要做的是，首先对原始数据加密。比如Alice想要发送一张图片，那么我们将要发送的图片和Alice的秘钥这两组数据混合成一幅图，这就是传输过程中间的加密图片。由于采用“一次一密”的加密技术，其他人无从破解这张图到底是什么。但是Bob有相同的秘钥，他可以一个比特、一个比特地将这幅图解码出来。
量子隐形传态 （quantum teleportation） ，这是一种奇特的量子现象，你们或许听过它。
在科幻作品中，量子隐形传态大概就是大喊一声：“Scotty，传送我” (注：《星际迷航》中的经典台词) 。那你们知道为什么在电影中会这么拍吗？电影中这么拍是为了节省制作成本！一艘飞船到达地面，你看着它着陆，拍摄这样的场景是很贵的。但是拍摄一束光把人传过去的场景就不贵了。
电影中的设定是扫描信息、传输信息，然后重组物质。这个设定已经被很多人批评，因为这是不可能实现的。由于量子力学原理，如果你只有一个系统，我们是无法获得系统的所有信息的。海森堡，量子力学奠基人之一，说“不可能完全测量出系统状态的全部信息”。所以电影制作人私下里发明了“海森堡补偿”的概念，当然这实际上并不存在。
正如海森堡所说，你无法完整的测量出要传输的初态的信息，而量子隐形传态妙就妙在：你并不测量要传输的初态，你仅仅只是利用了纠缠。借助量子纠缠，我们可以将未知的量子态传输到遥远的地点。1997年，我和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，实验非常成功。潘建伟也是这一个实验的重要参与者之一。
在最初的实验中，我们所实现的传输距离很短。后来，我们又完成了跨越多瑙河的量子隐形传态实验，以及非洲加那利群岛之间的远距离纠缠和隐形传态实验。岛屿之间的距离是百公里左右，在很长时间内这都是纠缠分发的最长纪录。现在很显然，它被“墨子号”量子卫星打败了。
墨子是中国古代的一位哲学家，他是第一个证明光沿直线传播的人。你可能会说，这不是很显然的吗？但它是需要证明的。“墨子号”量子卫星的命名就是为了纪念他。通过“墨子号”量子卫星，科学家们不仅实现了千公里级的纠缠分发和量子隐形传态，还实现了第一个洲际量子通信实验。
中国在远距离量子通信领域已经领先于世界。通过“墨子号”量子卫星以及上海和北京之间的量子“京沪干线”，他们在千公里级距离上实现了纠缠分发和量子通信。全球性量子网络的远景也很令人振奋：地面上，我们有局域网，通过空气和光纤来传播光子；然后建立地面和量子卫星的联系，从而把信号传到世界上任何一个地方。我们也想在欧洲建立一个量子网络，不过尺度比中国的要小得多。
我相信，我们会为未来的发展感到震惊。
（整理、节选自作者2019年在“墨子沙龙”的演讲）
处于全球产业风口上的量子计算机，它究竟是如何工作的呢？
简单来说，普通电脑的计算过程采用的是二进制系统，而量子态允许的是将更复杂的信息编码成单个数位。量子计算机的主要构件是一个“量子位”，也就是说是一个量子对象，因此可以处于无数个状态。任何具有量子特性的东西，如电子或光子，都可以作为量子位，只要计算机能够隔离和控制它。
一旦在计算机内部形成，每个量子位就会被连接到能够向其传送电磁能量的机制中。而为了运行特定的程序，计算机会用到精确的脚本序列，例如微波传输，并以一定的频率和一定的时间段来调整量子位。这些脉冲相当于量子程序的“指令”，每条指令都会导致量子位的为测量状态以特定方式改变。
什么是量子计算？
量子计算利用了亚原子粒子的特性不可分割性和不可复制性，量子纠缠和并行计算能力，可以比传统计算机更快地完成运算并且使用更少的能量。
为什么要发展量子计算机？
我们知道传统的计算机的二进制计算依靠的是芯片里的晶体管，简单的理解为通电代表1，断电代表0。现代的计算机晶体管虽然越来越小，要提高计算能力只能不停叠加晶体管，集成度很高，但数量很庞大，需要消耗大量的能量，这就导致科学界发展光子计算、生物计算、量子计算等领域解决大量的能源消耗和摩尔定律导致的计算能力瓶颈问题。
量子计算机与现有计算机的操作原理完全不同，这使得它们非常适合解决特定的数学问题，例如找到非常大的质数。由于质数在密码学中非常重要，量子计算机很可能很快就能破解许多保证我们的在线信息安全的系统。由于存在这些风险，研究人员已经在尝试开发能够抵抗量子黑客攻击的技术，而另一方面，基于量子的密码系统可能比传统的类似物更加安全。
量子计算机正在不断地完善
量子计算领域还有许多未知因素。凭借传统的计算机技术，摩尔定律确保了每两年左右的晶体管数量增加一倍。但是与量子机器相关的复杂电子学目前还没有类似的预测，对此，许多工程师预计，在未来，人类仍将仅限于对具有相对较少量子位的机器（可能只有几百个）进行应用。因此，他们也正在集中精力研究适用于预计在不久的将来可用的适度大小的量子系统的算法。
科学与佛学相遇
【今日课程·中大博研】《科学与佛学相遇》
我们称之为真实的任何东西都是由不能视为真实的东西所构成。有些形而上学家甚至怀疑一棵树或一间房子在没有人看它时是否还真实存在，这些在我们这些凡夫俗子看来简直太可笑了。但可笑的是我们，因为最实际最客观的科学~物理学，已经发现这样的结论：微观状态物体在未被观测时的确并不「真实」存在。
我们所见到的物理世界，均是主观测量塌缩的结果，也是千万中可能表现的一种呈现。一切都是真性的缘起，测量依赖于观测之智，结果必然形成差别万象。所有观察到的事物，原本是空，一切唯主观观测而有。正如阿奎那所讲的：＂被认识的事物按照认知者的方式存在于认知者之内。＂除此之外，并无任何事物。
瑜伽行派（唯识宗）所述的阿赖耶识的种子，其实就是物理学的量子，量子没被意识观测时是波的状态，只有意识参与时才有可能变成粒子，所以叫做“波粒二象性”，当波变成粒子时才能成为物质，所以意识是世界物质的基本。这与佛教认为的世界的一切都是“唯识所变、唯心所现”的有异曲同工之妙！
量子理论中的古怪行为可能只是我们大脑的想像。 科学家刚刚构建了一个量子黑客帝国。据新的理论，量子信息可能并不是客观存在，而纯粹是我们大脑的运作。
量子力学能够很好地解释我们这个宇宙中的许多谜团，但也产生了大量矛盾。波函数是量子理论中的关键，如果它能够成立，那粒子就可以同时存在于两个地方，信息的传播速度会比光速还快，薛定谔的那只猫也会同时死去和活着。2001年出现的“量子贝叶斯”理论最近几年开始受人重视起来，这个理论认为，波函数并不是一种真实的存在，而是一种与我们解释量子体系的方式有关的意识状态。
《自然》杂志上新近发表的一篇论文认为，波函数是一种主观过滤器，是观察者用以审视量子体系的一个模型。
“‘量子贝叶斯’理论认为，波函数只是一种数学工具，观察者以此为量子体系的特点树立信心，”作者Hans Christian von Baeyer如是说。“在它的概念里，波函数在现实世界中并不存在，只反映了个体的主观意识状态。”
“量子贝叶斯”理论并非认为世界是不真实的，量子体系也依然存在。但现实世界和观察者世界是分离的，量子信息是我们头脑中的过程。波函数并不存在于物理世界，而是主观经验的一种描述。
虽然听起来很古怪，但这个理论并不比量子理论本身更奇特。许多和量子力学有关的矛盾，它都可以很好地解决。如果波函数只存在于想像中，那么在量子体系中，用以计算可能性的方程就会变简单，简单到与经典物理方程一般无二。波函数“将成为人类最强大的抽象成果，”科内尔大学的理论物理学家N. David Mermin这样说。
原理论的提出者之一Christopher A. Fuchs认为，“量子贝叶斯”理论实际上是在说，每个个体都有在自己的头脑中重塑宇宙的能力。
“拥有自由意志的实验者所作的每一次测量，都在重塑这个世界。”
（中大博研·管理哲学17期）
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