解读“量子通信”究竟是什么？量子纠缠原理 ？

“量子通信”究竟是什么？量子纠缠原理、墨子号量子通信原理解读2019-08-15 21:13:50 燚智能小编简介量子力学对人类科技的贡献主要体现在材料制备上，材料再支撑着行行业业的发展。量子通信、量子计算机 ，算是人类尝试用新方法消化量子力学，而量子力学本身并没有丝毫变化。全文导读量子纠缠起源量子纠缠机理量子通信纠缠光子量子光纤其他量子应用后记一百年前量子革命，国人正在革自己的命，基本没挨上边；五十年前量子力学结出硕果计算机，中国正在革列强的命，基本没得空闲；如今，量子理论步履蹒跚难得寸进，中国终于如火如荼搞起了量子通信！

量子纠缠起源复一下量子力学的八卦往事。当年薛定谔为德布罗意凑了个波动方程，提出粒子随机出现在各位置上，以玻尔为代表的“哥本哈根学派”觉着很有创意，于是大旗一挥：上帝在掷骰子，世界是随机。以爱因斯坦为代表的“经典物理学派”觉着，小薛步子太大，扯到蛋了，没本事发现隐藏变量，非说上帝在掷骰子，于是振臂一呼：上帝不掷骰子！
既然物理学家喜欢摇骰子，咱继续拿骰子做比喻。骰子落定之后，点数便确定了，如果现在开，是大，那么以后开，也还是大，无论什么时候开，大就是大。虽然摇骰子的变量非常复杂，但如果把所有变量都确定，比如碰撞角度、骰子弹性、空气阻力、月球引力、地球自转、分子振动……理论上可以预测骰子点数。这就是普罗大众的认知，也是经典物理学派的主张。
哥本哈根学派的意思是，骰子落定之后，点数仍不确定，现在开是大，待会开就可能是小，不同时间开，大小不一样，所以没开之前就叫“叠加态”，点数是随机的，开大开小的概率按照小薛波动方程计算。把“骰子大小”换成“猫的生死”，就变成了大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。

前文说过，所谓衰变就是原子核的分裂，原子核之所以分裂，是因为组成原子核的粒子随机出现在不同位置上。比如，原子核由A和B两个粒子构成，AB同时出现就代表原子核没分裂，AB出现在不同地方就代表原子核分裂，发生了衰变。
如果原子核衰变就触动开关打破毒药，弄死猫；如果原子核不衰变，猫就没事。因为衰变是叠加态，延伸到宏观世界就把猫的生死也描述成了叠加态。
薛定谔的猫还原回物理表述就是：如果只有一个放射性原子，它是否发生了衰变？
哥本哈根学派认为粒子的行为是随机的，所以衰变也是随机的。但是，几百年的牛爷理论认为，事物都是在规则支配下精密运行的，随机论让人无法接受，就好比勤勤恳恳的学生突然发现考试“及格”和“不及格”是随机的。
爱因斯坦觉得分分钟就能终结这个话题，于是提出了量子纠缠：假设有2个处于纠缠态的骰子，分别在不同的地方摇，如果两边都不开，那么骰子就处于大和小的叠加态，即点数是随机的，一旦其中一个开出的结果是大，那么另一个就算还没开，也会瞬间变成小。也就是说，观察其中一个骰子，会决定另一个骰子的大小，这种瞬间的信息传递不符合相对论。爱因斯坦呵呵道：你们总不至于认为世界会这么荒唐吧？
好在那个年代的物理学已经惯荒腔走板，再出什么奇葩，大家至少不会惊掉下巴。量子纠缠原本是爱因斯坦为经典派请来的打手，结果却帮着哥本哈根派把经典派揍得鼻青脸肿。薛定谔的猫一路高歌猛进，最终形成了量子信息论！喜欢专业术语的同学，可以搜索关键词，咱就不显摆这些半懂不懂的冷僻知识了：薛定谔的猫->EPR佯谬->隐变量理论->贝尔不等式->GHZ定理->Mermin->Cabello定理->量子信息论。
2000年开始量子信息理论形成独立的学科，标志着量子纠缠开始走向应用。
量子纠缠机理一个字：瞎。
这就好像古人学会燧木取火时，完全不知道燃烧的化学反应式。
量子通信虽然观察到了量子纠缠这种“心有灵犀”的关联，但对于本质机理的两眼一抹黑，应用肯定是浅层的。其中，量子通信相对靠谱一点点，不过也就是一点点而已。
本僧就以“墨子号”为例，不负责任的胡扯一通。

用于通信的纠缠粒子通常是光子，光子比实物粒子更方便传播，电子在大气层里不可能乖乖跑出很远。
首先在卫星上制造一对纠缠光子，未测量前，谁也不知道两个纠缠光子谁是1谁是0。我们称之为“未翻牌状态”，就好比骰子在打开之前，点数并不确定，处于大和小的叠加态。
然后把这对光子分别发送给两个地面接收站。
未翻牌的光子很敏感，只要被观察或测量，一言不合就翻牌。如果敌方监听了这个光子，那就等于翻了牌，另一个光子就会自动翻牌，同时接收方就接收不到光子，这对纠缠光子传送失败，属于无效信息。
未翻牌的光子才是好光子，翻过牌就只能扔了，然后再制造一对纠缠光子，再发射，直至接收成功为止。
确定双方都拿到牌了，接着，用特定方法测量纠缠光子，相当于“翻牌”，一旦测量得到一个状态，那么另一端的光子也会瞬间变成与之对应的状态。这样，一个信号就算传输完成了。比如这边测量得到1，那边就肯定是0。
然后就不断发牌，不断翻牌，不断剔除无效牌。问题来了，因为翻牌前自己也不知道什么牌，所以翻牌后得到的是无规律的信息，比如“小、是、才、学、天、僧”。
那怎样才能把无意义的信息变成有意义的？需要一组编码！
某一方根据自己翻牌的情况编码，再把编码规则用传统方法发送给另一方，比如“1、4、6、2、5、3”。注意，这是用传统方法发送的。
接收方按照这个顺序，把原本没意义的信息按编码排列，得到一个惊人的事实：小学僧是天才！
通信完成。
注意，量子通信要依靠传统通信才能完成。整个过程中，“小是才学天僧”这个随即的信息是通过量子通信（即量子纠缠）完成的，无法破译，但编码“146253”是通过传统通信完成，可以被监听，只不过仅仅一个编码被截获毫无意义。
有规律的信息可以被截获，不能被截获的信息没有规律，但把这两者结合就能完成量子通信，没看明白的回头再捋一遍。
纠缠光子量子卫星通信的难点在于“制造纠缠光子”和“探测纠缠光子”。
光子的发射方向性很强，不像电磁波是巨大的扇形，所以需要对准接收器。说实话，我到现在都在疑惑，这是如何做到的？你想想，墨子号卫星的速度大约8km/s，在500km高空，同时向相距1200km的青海德令哈站和云南丽江高美古站发射光子，卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，地面站以每秒一对的速度从中分辨出谁和谁是纠缠态。
有人打了个比方：从万米高空飞行的飞机上，不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的储蓄罐狭小的投币口中，你还得在相距上千公里的两地，找出哪两个硬币属于纠缠对。
科学史上有许多乌龙事件，意呆利曾在LHC上发现过超光速，美日德的科学家也曾宣称实现了“冷聚变”（不知道聚变意义的同学出门左拐《核弹从良记》）。不过，中国这次量子通信怎么看都不像是乌龙……好吧，我认个怂：太过先进，无法描述。

相比来说，“制备纠缠光子”这事看起来就和燧木取火一样简单了。看过一篇潘建伟老师的博士的文章，关键词：非线性晶体BBO偏硼酸钡。当光子打在BBO晶体上，有一定比例的光子被劈成两半，这两个光子的极化方向是相互垂直的。

所谓的极化方向可以理解为光子振动的方向。我们知道光是一种电磁波，是波就有振动，有振动就有方向，所谓纠缠光子，就是一个竖着振动，一个横着振动，一个代表1，一个代表0。“翻牌”前，不知道谁是横的，谁是竖的，翻牌之后发现自己是竖的，那么对方就是横的，以此代表信息里的1和0。
材料制备才是真正的核心科技，这个晶体貌似中国最拿手，这也是量子通信领先各国的根本保障。

这篇文章中提到的材料就是BBO晶体材料，目前好像上市公司002222福晶科技公司生产，而且全球领先