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一早就有朋友发信息告知,我国首颗量子通讯卫星已经于凌晨1时40分在酒泉卫星发射中心用长征二号火箭成功发射升空,命名为“墨子号”。得知喜讯精神大振,东升一个鲤鱼打滚从床上爬了起来,提笔写了这篇文章,热烈祝贺的同时也对人类所有伟大的科学家表示崇高的敬意!

传说中的 黑科技之量子通讯

感兴趣的朋友们很早就在群里讨论过量子通讯,但是这个话题确实很小众,只有理科生能沾点边的在那闲扯,文科生几乎一句话插不进,这篇文章就用文科生也能看懂的语言,简单科普一下量子通讯的基本原理!

争取让认真看完这篇文章的朋友,再听到有人跟你很“Niubility”的聊量子话题的时候,你可以用你从本文中获得的知识装比唬他,让他再也不敢欺负你是文科生在你面前“吹”量子世界的牛!哈。

言归正传,我们要想了解量子世界,就要首先了解一下现代物理学的发展过程,才能更直观的理解量子世界的奥秘:

一般人对身边经历的事都习以为常:天要下雨、人要吃饭,根本不会动脑子想为什么,但是科学家们不一样,他们总爱思考为什么。

科学家们通过对天地万物的观察,把观察到的现象进行总结,用逻辑推理的方法,客观分析其中的运行奥秘,逐渐发现了宇宙的各种规律,这就是科学!

注意其中几个关键词:观察、总结、逻辑方法、客观分析,四要素缺一不可,这结论可是东升喝了两罐黑牛死了无数脑细胞之后悟出来的真理,同学们一定要在阅读本文之前,掌握这个理解科学的正确手段,否则对本文描述的现象只能是不着边际、不在点上的疑惑。

现代物理学的起源,先是牛顿被树上落下来的苹果砸了头(这是观察),要是我们抓起来苹果在衣服上擦擦就开始啃了,但是牛顿就思考了:为什么苹果会砸我的头(这是对现象开始总结)?最后牛顿得到答案:可能是我的头对苹果有吸引力(这是基于符合逻辑基础上的推理)!但是为什么那么多苹果都往下砸而不是往天上飞?(再次观察和总结)最后牛顿得出应该不是他的头有吸引力,而是脚下的地球对苹果有吸引力(得到客观结果,四要素缺一不可!)!

然后牛顿就发现了万有引力定律,揭示了宇宙中只要有质量的万物,都互相存在一个吸引力!从此牛顿统治了我们的现实世界!奠定了现代物理学的基础。

传说中的 黑科技之量子通讯

后来就是爱因斯坦闪亮登场,他观察到在物体超高速运动的时候,不再遵守牛顿力学的统治,而是遵守一种全新的物理规律,那就是相对论,爱因斯坦总结出来了相对论之后,一举统治了宏观世界,牛顿力学只是物体在低速状态下的近似值!

波尔作为后学者,在对微小粒子进行研究的时候,发现了电子、光子等微小粒子不但不遵守牛顿力学,它们也不遵守相对论的统治,而是遵守人类无法理解的一种全新的物理规律!总结之后写成了“量子力学”,从此波尔统治了微观世界!

(笔者注:波尔只是那个时代量子物理学奠基的代表人物之一,当然还有海森堡、泡利、费米、狄拉克、薛定谔等大牛,他们各自的贡献本文不做细分,都以波尔代替!)

爱因斯坦一开始得知这个理论的时候,认为完全就是胡扯嘛!他随手就写了个方程说:波尔你小子过来,我保证不打死你,睁大你的钛合金牛眼自己看,根据你的理论推导出来的方程,结果是两个光量子可以跨时空交流,中间不需要时间,这完全、根本不符合人类的逻辑嘛!

传说中的 黑科技之量子通讯

因为根据量子理论,两个互相纠缠的粒子,在改变其中一个粒子的状态的时候,另一个粒子的状态也会同时改变,中间不存在时间和空间的限制。

比如科学家同时生成两个粒子:一个左旋,一个右旋,把这两个粒子分开相隔一公里之后,把其中一个粒子改为右旋,那么另一个粒子就会同时变成左旋,中间不需要任何时间也不需要任何介质!

这就是传说中的“量子纠缠”。

波尔拿到爱因斯坦的方程也是一头雾水,差点开始怀疑人生,然后就展开各种实验验证,最后得出惊人结论:这没辙了,现实世界确实存在量子纠缠!

几经验证,爱因斯坦根据波尔理论推导出的超光速逻辑关系确实存在于本宇宙!这下轮到爱因斯坦开始怀疑人生了,所以爱因斯坦的后半生都在研究佛教。

传说中的 黑科技之量子通讯

注意:这个概念不是指量子纠缠的超光速能推翻相对论的“宇宙中不存在超光速”这一论断,它的意思是宇宙中存在一种超光速逻辑关系,而不是真正意义上的哪个物体能超光速。

也就是说,宇宙中存在一种不需要通过任何媒介不需要任何时间就能传播的“超光速逻辑”!

讲到这里同学们可能更迷糊了,越看越无法理解量子世界,如果真的是这样那么恭喜你,你终于“懂了”,因为量子理论本身就是如此,它超出了人类逻辑认知,就连量子理论的发明者波尔也弄不懂它,量子概念只能描述,人类无法解释或者尝试理解。

按照波尔的原话来说就是:如果有人没有被量子理论搞糊涂,那他就是还没入门;如果有人说他完全理解了量子理论,那他百分百在吹牛不用理他。

我们人类交流最早的时候靠吼,再后来就是无线电,再后来还有更多的厉害通讯手段。

但是它们无论用声音也好、光波也好、无线电波也好,所有通讯都需要一种介质来传播,而量子通讯,通过量子纠缠形成信号,不需要任何介质也不需要时间就能传播,“同时”能在发射端和接收端收发信号!

而且最重要的是,在量子通讯的“过程”中,没有传播介质也无需时间,也就是说其实根本无需“通讯过程”,那么理论上就无法窃听。

所以这种通讯根本不需要加密,如果有人真想监测发射端的粒子状态,那么这个粒子就会瞬间坍塌,接收端和发出端都会第一时间知道该通讯受到了监听。

但是量子纠缠却可以给普通讯息加密,我们这次发射的验证星也肩负了这样一个任务。

我国的量子通讯卫星的概念就是以此为目的展开的研究,以期最终实现从地面上发射处于纠缠态的激光到卫星,卫星接收到之后,只要地面上改变纠缠态激光的其中一束,那么卫星上收到的激光也会同时改变!以此作为通讯手段。

有同学可能更迷惑了,那不是还是用的激光传播的信号?

这个迷惑到可以解释和理解:激光的作用只是把处于纠缠态的两束光子从地面分离到卫星,真正通讯的时候是处于纠缠态的光子产生变化,这个变化不需要时间。

追问:那监听这束激光不一样能破解你要传递的讯息?

答案:激光束并不包含任何讯息,打比方来说:激光传过去的只是一把钥匙(就是刚才说的纠缠态的光子),当地面和卫星都拿到这把钥匙之后,只要地面打开某个箱子,卫星也会同时打开同一个箱子,注意是同一个箱子!这个过程不需要时间,而箱子里面才是真正的讯息,所以监听这把“钥匙”没有意义。

量子通讯还只是初级研究阶段,离投入使用还有很远很远的距离,这次卫星也不是真正意义上的量子通讯卫星,而是验证量子纠缠的实验星,同时进行“星地高速密钥分发”等相关验证实验,为将来真正的量子通信打下基础。

不过笔者相信,科学的发展速度不是线性而是指数形式的,因此我们现在认为很远的距离,也可能人类很快就能实现!

笔者也相信这次实验肯定能成功,因为地面上我们已经传了100公里远了,最远距离是外国科学家传了140公里。

注意:传输距离其实并不是量子通讯的关键,中国人不要因此而骄傲自满,根据爱因斯坦的方程量子通讯别说是卫星的距离,就是远在天狼星上也能瞬间传递信息,关键是你如何把量子分离到天狼星去!

解决纠缠态量子如何分离,或者找到能固态存储的量子纠缠态物质,才是量子通讯真正的突破,才是真正的黑科技!

这时候我们才敢说做到了领先和跨越式发展!

当然,刚才说的是第二代量子通讯的内容。

如果我们在激光传输纠缠态量子这一层面上取得了成功,从卫星上把纠缠态光量子分发到地面的每一个节点(这次是分发到北京和维也纳的两个研究所)的话,也能实现第一代量子通讯。

畅想一下未来:我们可以在太空布置多颗中继卫星,用来全球发射纠缠态量子讯号,在地面铺设光纤传输线路,用卫星打通和串联每一个节点,率先建立全球量子通讯系统,这个领先,一样是跨时代性质的,最终能淘汰所有现阶段人类的通讯手段。

现在还在3g,4g?那玩意到时候就跟BP机一样彻底消失掉。

你想想欧美国家能不着急么?

而且,这在军事层面的意义非常重大,就是刚才说的,其传输讯息根本无法监听,即便是有人做了完美克隆,对纠缠态量子产生的影响也会导致量子纠缠的坍塌,所以战时如果能通过量子通讯传递讯息,理论上将是无法被敌军破译的。

传说中的 黑科技之量子通讯

我们都知道战争的时候,情报的重要作用,往往能扭转战局!

真要是被中国人先搞了出来,中国人的所有情报和通讯,敌人无法破解,而敌人的情报和通讯,时刻都会被我方获悉,这种不对称几乎让仗都不用打了。

量子通讯的加密性不再多说,很多文章都介绍过,东升时评(微信公号dssp99)的文章一向是尽量避免跟别人雷同。

量子通讯的即时性,这个前景也非常令人期待:

军事用途方面,无人机的实时操控完全可以实现未来战争的无人化!我们坐在战斗指挥部就能即时操作各种战机、各种坦克、各种战斗设备,而没有任何通讯延时!

到时候战争真的变成了电子游戏。

所以,这个黑科技将来就是为了打仗而存在的!

人类如此热衷于电子游戏,很可能也是源自于这种对“未来的记忆”,或者是造物主早就在我们基因里写好的内容?

传说中的 黑科技之量子通讯

民用方面,无延迟的即时通讯,可以让你在家里用“行车记录仪”就能驾车出游。

电视转播成了真正的即时转播,没有任何延迟。

而无延迟的通讯也是人类星际殖民的前提科技,否则动辄光都要跑几万年的宇宙,你如何联络?

这个脑洞就太大了,本文先不讨论,先讨论正题。

如果用这种方法参与各种赌博或者贵金属交易就更厉害了,比如在比赛结束的时候我在地球另一端即时知道了结果,但是普通讯号还没传过来,因此在你这边还没停止下注,那么就根据你“事先”知道的结果下注,岂不是永远不会输?

再比如贵金属交割刚报了价你就知道了,但是讯号需要哪怕只有一秒钟之后传到你这里,这时候你也是“提前”知道了金价,从而能选择买入还是卖出,那岂不是永远不会赔?

这个手段炒股应该也不错!哈,不过前提是这方法全世界就你一个人掌握才行。

写到这里可以结束了,同学们看完之后完全可以作为业内专家去跟人聊量子通讯了,保证你绝不露怯,进一步的畅想同学们可以到群里闲聊。

但是按照惯例,只是科普从来不是东升时评的作风,就像对引力波的思考笔者也提出来过“时光机器”的原型概念机一样,(参见《引力波是个什么鬼?时空之门被开启?》那篇文章)

东升时评(微信公众号:dssp99)也会对爱因斯坦和波尔都无法理解的量子纠缠现象给出自己的解释!有兴趣的同学可以继续往下看!

我们身处的世界,是长宽高决定的三维世界,随着时间的流逝,我们感觉到万事万物的变化,这是我们认识世界,理解世界的基础!

但是,如果有高维时空存在的话,那么高维时空的物体,就不是我们能理解的了!

一对互相纠缠的量子,很可能在高维世界就是同一个粒子!如下图:

传说中的 黑科技之量子通讯

如图所示,我们在三维世界观察到的两个相互纠缠的粒子,在高维世界其实存在一个“本尊”,我们只是看到了它在三维世界的投影。

我们通过“量子观察”的手段改变了其中一个粒子甲的话,那么它的本尊也会随之改变,这就造成另一个粒子乙也会随之改变,因为它们两个本身就是同一个存在于四维中的“粒子”

这就解释了为什么纠缠态粒子之间的逻辑关系传递起来不需要第四维的变化:时间。

如果无法理解的话,那么继续看下图:

传说中的 黑科技之量子通讯

桌子上有个鱼缸,小人甲观察鱼的时候看到的是鱼头,他认为鱼就是鱼头的样子。

小人乙观察的时候看到的是鱼尾,他认为鱼就是鱼尾的样子。

这时候身在四维的鱼如果做了个一百八十度的华丽转身,那么小人甲看到的鱼就变成了鱼尾。

而小人乙在小人甲看到鱼尾的瞬间就已经看到了鱼头,而不是看到鱼尾“慢慢的”变成了鱼头。

这就是量子通讯不需要时间的唯一符合逻辑的解释。

这里的“鱼头”和“鱼尾”就是互相纠缠的两个量子,他们在高维时空其实是同一条鱼!

我们在三维时空只能分别看到同一条鱼的两个不同角度!

有同学问,那我们为什么看不到那个第四维的“本尊”?或者说看不到整条鱼?

首先,我们存在的现实,所有物质都存在于三维世界,没有第四维的物质存在,因此我们无法看到或者检测到任何高维世界的东西。

就像刚才那张纸上的小人,他存在于二维世界,所以他永远看不到纸以外的东西,即便你距离这张纸哪怕只有半毫米的距离,甚至趴在了纸上,纸上的小人也看不到你!

三维生物的我们,进不到二维纸面里面去,同样,高维存在的粒子也进不到三维世界,只能有一个或者多个“投影”被我们发现。

我们在三维时空中,只能看到鱼头或者转过去在看到鱼尾,我们永远不可能同时看到鱼头和鱼尾。

(不要跟我说把鱼抓起来砍成两半,这是科学假设不是脑筋急转弯。)

但是,高维时空的人却能同时看到鱼头和鱼尾!就像刚才的那幅画,你也能同时看到二维平面里面的鱼头和鱼尾一个道理。

这些分析是以现代理论物理学的时空概念为基础,对量子纠缠的另类解读,但是远远不够。

现在的问题是,我们真的无法直接看到高维物体么?东升给出的答案比科学家们乐观:

刚才说了,我们距离纸面哪怕只有一毫米,纸面上面的小人也看不到我们!但是,这里必须有个但是,如果这个高维物体距离我们的三维世界小到一个临界值,小到微观状态呢?

是的,一切都迎刃而解了!

在微观世界,用多维时空来解释量子现象才能完全说得通,也就是说,两个量子纠缠态的粒子,确实是我们看到的四维粒子,它“同时”存在于我们看到的整个“时间和空间”,

也就是说,这个四维粒子从它形成开始到它湮灭为止,同时存在于“大宇宙”之中,简单点理解就是,不但a点的纠缠粒子跟b点的纠缠粒子是同一个粒子,而且这个粒子“过去”和“未来”都是同一个粒子!

它的变化只是我们观测角度的不同而已,完美解释了通过它来通讯不需要时间的逻辑矛盾!

按照这个理论推导下去的话,我们很快就能找到更多同一纠缠态的量子,这算是一个科学预言吧,等待时间来验证。

当然,这些只是脑洞大开下的不成熟思考,同学们权当脑力操来做,有更好的解读可以留言讨论,相信多思考不会有坏处!

欲知全球后事如何,且听东升下回分解!

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是的,现在人类还处于验证量子纠缠是否能超距传输这个层级,距离通讯应用还很远,另外,物质的传递更是绝不可能!

但是就像文中指出的,人类的科技是指数形式发展的,没准哪天黑科技就出现了,直接来个传送门研制成功,也不要太惊讶。

爱因斯坦一开始得知这个理论的时候,认为完全就是胡扯嘛!他随手就写了个方程说:波尔你小子过来,我保证不打死你,睁大你的钛合金牛眼自己看,根据你的理论推导出来的方程,结果是两个光量子可以跨时空交流,中间不需要时间,这完全、根本不符合人类的逻辑嘛!

天涯很多聊中国正面形象的文章都被喷成了翔。

这篇文章美分的水平都找不到能咬的地方,嘿嘿。

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