Yangfan's Niwo8.com

Is what I do,love and create

双缝干涉延迟实验到底验证了什么

2021-05-25 11:24:47

这是有史以来第一次人类在科学实验中正式遭遇灵异事件

116 年前的 12 月 12 日马可尼收到横跨大西洋人类史上第一个无线电信号的那一天

似乎什么都没有改变

 

包括马可尼自己当时没有人能够想象在接下来的一百多年通信会把世界变成什么样子

 

2016 年 8 月 16 日世界第一颗量子通信卫星墨子号从酒泉发射的那一天

就像当年的马可尼一样我们也无从想象未来的量子计算与量子通信终将带来一个怎样的魔法时代

绝对安全的信息传输

智商秒杀全人类的人工智能

瞬移穿越不再是科幻

 

潘建伟教授的量子通信卫星上天了

5 年后人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技和你的生活毫无关系

让我们先从神秘的量子理论开始解密量子通信

这注定是一场不可思议的旅程

 

如果你完全不懂量子力学请放心大胆地往下看我保证不用任何公式就能让你秒懂连 1+1=2 的幼儿园数学基础都不需要

如果你自以为懂量子力学请放心大胆地往下看我保证你看完会仰天长叹什么是量子力学啊

 

正如量子力学大师费曼所说没有人懂量子力学如果你觉得懂了那肯定不是真懂

在烧脑反直觉和毁人三观方面没有任何学科能够和量子力学相比如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校那么唯一和量子力学专业相提并论的只能是黑魔法

然而量子理论之所以如此神秘并不是因为物理学家的故弄玄虚其实在量子理论刚诞生的摇篮时期它只是一门人畜无害的学科专门研究电子光子之类小玩意儿

量子 这个现在看来很厉害的名字本意不过是指微观世界中一份一份不连续能量

这一切都源于一次物理学的灵异事件

百年战争

20 世纪初物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题到底是波还是粒子

  • 粒派

所谓粒子可以想象成一颗光滑的小球球

 

每当你打开手电无数光子就像出膛的炮弹一样笔直地射向远方

很多著名科学家牛顿爱因斯坦普朗克做了很多权威的实验确凿无疑地证明了光是一种粒子

  • 波派

所谓波就像往河里扔块石头产生的水波纹一样

 

如果把光看作是一种波可以完美解释干涉衍射偏振等经典光学现象

很多著名科学家惠更斯麦克斯韦赫兹做了很多权威的实验确凿无疑地证明了光是一种波电磁波

可问题是波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊

  • 粒子可分成一个一个的最小单位单个粒子不可再分波是连续的能量分布无所谓一个波或者两个波
  • 粒子是直线前进的波却能同时向四面八方发射
  • 粒子可以静止在一个固定的位置上波必须动态地在整个空间传播

波与粒子之间存在着不可调和的矛盾

于是自古以来塞伯坦星上的科学家就分成两派 波派和粒派 两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负

 

很多人问我科学家为什么要为这种事情势不两立大家搁置争议共同研究不就得了

为了一个字

信仰!

千面之神

且问你权力的游戏信奉七神的维斯特洛人民为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活

自古以来人们为了信仰争端大开杀戒早已不足为奇

唯一的和谐社会可能是古希腊他们的神多达百八十号有管天上有管地下各路神仙各司其职倒也井水不犯河水

人称希腊众神

要命的是科学家们信仰的神只有一个而且是放之宇宙而皆准的全能大神这位神祇的名字叫作 真理

大到宇宙的诞生小到原子的运转科学家们相信这个世界的万事万物都是基于同一个规律可以用同一个理论甚至同一套方程解释一切比如让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力让月亮悬在空中掉不下来的也是万有引力用同一个方程既能算出地球的质量也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天这就是科学的威力

想要一个宇宙两种规律

对不起兄弟别在科学界混了您可以去跳个槽比如竞选总统

当然科学家们没有谁敢自称是真理的代言人就连牛顿谦虚起来都是这样的我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子而真理的大海我还没有发现啊

就算是捡贝壳捡的多了说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢

整个科学史就像一个集卡拼图的过程做实验的科学家们每发现一个科学现象搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律不同领域的大牛把各方面的知识理论慢慢拼到一起真理的图像就渐渐清晰

 

在 20 世纪初光学的知识储备和数学理论越来越完善大家逐渐觉得这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现波派和粒派的理论早已背道而驰还各自越走越远这就好比你集了一辈子卡片自以为拼得差不多了这时突然发现你拼出的图案居然和别人是不一样的而且差的不是一点点

是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动

当时波派和粒派都坚信自己手上的拼图才是唯一正确的版本

双方僵持不下直到 1924 年终于有人大彻大悟 波 or 粒为什么光不能两者都是呢

也许在某些时候粒子看起来就像是波在另一些时候波看起来就像是粒子波和粒如同阴阳一般相生相克就像一枚硬币的正反两面波粒二象性只不过我们一直以来都在盲人摸象各执一词

 

真理确实只有一个但是真理的表现形式会不会存在着多个版本

难道真理就是那个千面之神用千变万化的面目欺骗了我们如此之久

灵异的实验

究竟是波是粒还是波粒二象大家决定用一个简单的实验来做个了断

  • 双缝干涉实验

 

双缝顾名思义就是在一块隔板上开两条缝

用一个发射光子的机枪对着双缝扫射从缝中漏过去的光子打在缝后面的屏上就会留下一个光斑等效于 1961 年电子双缝干涉实验

在实验之前科学家的推测如下

第一种可能

如果光子是纯粒子那么屏幕留下两道杠

光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过那么屏幕上留下的一定是 2 道杠因为其他角度的光子都被板挡住了

 

第二种可能

如果光子是纯波那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹

光子穿过缝时会形成 2 个波源两道波各自震荡交汇干涉波峰与波峰之间强度叠加波峰与波谷之间正反抵消最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线干涉条纹

 

第三种可能

如果光子是波粒二象那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体

总之

两道杠 = 粒派胜

斑马线 = 波派胜

四不像 = 平局

是波是粒还是二合一看屏幕结果一目了然无论实验结果如何都在我们的预料之中

第一次实验 把光子发射机对准双缝发射

结果 标准的斑马线

 

根据之前的分析这证明光子是纯波OK实验结束大家回家洗洗睡吧

粒派不服我明明知道光子是一个一个的粒子

这样我们再做一次实验把光子一个一个地发射出去看会怎么样一定会变成两道杠的

第二次实验 把光子机枪切换到点射模式保证每次只发射一个光子

结果 斑马线竟然还是斑马线怎么可能我们明明是一个把光子发射出去的啊

最令人震惊的是一开始光子数量较少时屏幕上的光点看上去一片杂乱无章随着积少成多渐渐显出了斑马线条纹

 

光子要真的是波那粒派也不得不服

问题是根据波动理论斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加而单个光子要么穿过左缝要么穿过右缝穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉

难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个一个光子分裂成左半光子和右半光子自己的左手和右手发生了关系事情好像越来越复杂了干脆一不做二不休我们倒要看看光子究竟是怎样穿过缝的

第三次实验 在屏幕前加装两个摄像头一边一个左右排开哪边的摄像头看到光子就说明光子穿过了哪条缝同样还是点射模式发射光子

结果每次不是左边的摄像头看到一个光子就是右边看到一个一个就是一个从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况

大家都松了一口气 光子确实是一个个粒子然而在穿过双缝时不知怎么就会变形成两道波同时穿过形成干涉条纹

虽然诡异了些不过据说这就是 波粒二象性具体细节以后再研究吧这个实验做得人都要精分了

然而就在这时真正诡异的事情发生了……

人们这才发现屏幕上的图案不知什么时候悄悄变成了两道杠

没用摄像头看结果总是斑马线光子是波

用摄像头看了结果就成了两道杠光子变成了粒子

实验结果取决于看没看摄像头

这不科学啊做物理实验竟然见鬼了啊

 

一个貌似简单的小实验做到这份上波和粒子什么的已经不重要了重要的是现在全世界的科学家都懵逼了

这是有史以来第一次人类在科学实验中正式遭遇灵异事件

观察者魔咒

你还没看出灵异在哪里

好吧请先看懂下面这个例子

电视里正在直播足球比赛一个球员起脚射门——

 

暂停你预测一下这个球会不会进

在球迷看来 球进还是不进和射手是不是 C 罗梅西有关和对方门将的状态有关和裁判收没收钱说不定还有关

在科学家看来 有关的东西更多比如球的受力速度和方向距离球门的距离甚至草皮的摩擦力球迷吼声的分贝数等等

不过只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算完全可以精确预测三秒后球的状态但无论是谁大家都公认的是球进与不进至少和一件事情是绝对无关的

你家的电视

无论你用什么品牌的电视无论电视的屏幕大小清晰度高低质量好坏无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进该不进就是不进哪怕你气得把电视机砸了都没用

你是不是觉得上面说的全都是废话那么仔细听好

双缝干涉的第三次实验证明了在其他条件完全相同的情况下球进还是不进直接取决于在射门的一瞬间你看还是不看电视

看还是不看这是一个问题

光子从发射器射向双缝就好比足球射向球门用摄像头观测光子是否进缝怎么个进法就好比用电视机看进球

第三次实验与第二次的唯一区别就是实验 3 开了摄像头观察光子看电视实验 2 没放摄像头不看电视——两次实验的结局竟截然不同

就是观察者的魔咒

难道说不看光子它就是波看一眼它就瞬间变成粒子

难道说光子是什么这一客观事实是由我们的观察放不放摄像头决定的

难道说对事物的观察方式能够改变事物本身

三观崩塌

在所有人懵逼的时候还是有极少数聪明人勇敢地提出了新的理论 光子其实是一种智能极高的外星 AI 机器人

之所以观察会导致实验结果不同是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了如果发现有摄像头它就变成粒子形态如果发现是屏幕就变成波的形态

这个理论让我想起了传说中的阿童木

难道机器人阿童木真的存在阿童木是日语アトム的发音直译词语源自英语Atom意即原子

这种扯淡理论居然没被口水喷死还要做实验去验证它可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步

第四次实验

事先只有屏幕没有摄像头

我们算好光子穿过缝的时机等它穿过之后再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头等效于 1978 年惠勒延迟选择实验

结果是啥

无论加摄像头的速度有多快只要最终加上了摄像头屏幕上一定是两道杠反过来如果一开始有摄像头哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉屏幕上一定是斑马线

回到看球赛的那个例子就好比我先闭上眼睛不看电视等球员完成射门球飞出去 3 秒钟后我突然睁开眼睛球一定不进百试百灵

在你冲出门去买足彩之前我先悄悄提醒你这种魔咒般的黑科技目前只能对微观世界的基本粒子起作用要用意念控制足球这样的大家伙量子还做不到啊

请注意加不加摄像头是在光子已经穿过双缝之后再决定的不管光子在穿缝的时候变成什么形态过了缝应该就定型了

既然光子的状态在加摄像头之前就定型了为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化

难道说在之后做出的人为选择未来能够改变之前已经发生的事实历史

而且加摄像头的速度可以做到非常快40 纳秒就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚当它变成波的形态穿过双缝在最后一刻却发现面前是一个摄像头时它也来不及再次变身了吧

主观决定客观未来改变历史外星人其实是无处不在的光子……

好端端一个实验弄得谣言四起物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌

与之一起崩塌的还有全人类的三观

量子魔法时代的大幕正在徐徐拉开

为了一只猫的死活100 年前的天才哲学家学历最高的足球运动员撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥

另一些人却恰恰相反——他们做任何事都是为了纠结下面我要说的就是另一些人的故事

学历最高运动员

1908 年夏天

丹麦哥本哈根

一名足球运动员正在思考自己的前程

23 岁是时候做个决定了比自己小两岁的弟弟已经成为国奥队的中场核心在刚刚结束的伦敦奥运会上哈那德·玻尔率丹麦队 171 血洗法国队斩获银牌创造丹麦童话一夜之间成为家喻户晓的球星

而我作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主力门将居然从未入选国家队这简直是一种耻辱

 

国家队大名单里怎能没有我

教练说我什么都好唯一的弱点是喜欢思考人生

上次和德国米特韦达队踢友谊赛对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候用一脚远射偷袭打断我的思路最后一刻不还是被我的闪电扑救解围要是后卫早点上去堵枪眼那场球踢完就可以交作业了

是成为世界最伟大的门将还是成为世界最伟大的物理学家这是一个问题我需要纠结一下

 

第一章里我们讲到100 多年前为了搞清光子究竟是波还是粒子科学家们被一个貌似简单的双缝干涉实验弄到集体精分

这个实验明白无误地说明光子既可以是波也可以是粒子

至于它到底是什么取决于你的 观测姿势

装摄像头观测光子的位置它就变成粒子不装摄像头它就是波

我们曾经天真地以为无论用什么样的姿势看电视直播都不可能影响球赛结果可是在微观世界中这个天经地义的常识好像并不成立这就是那么多高智商理工男懵逼的原因

但是在玻尔看来将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上纯属自寻烦恼

通过常识我们可以理解一个光滑小球的物理属性但是凭什么断定组成这个小球的万亿亿亿个原子也一定有着和小球完全相同的属性

凭什么在微观世界中原子电子光子一定要遵循和宏观世界同样的物理法则

一般人纠结的问题无非是量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊……

只有天才能够直截了当问出关键问题这些法则是什么

严格来说量子理论是一群人而不是一个人创立的但是如果一定要选出一个量子力学代言人的话我觉得非玻尔莫属因为当别人纠结的时候他第一个想通了

 

通过前面那些烧脑的实验玻尔总结了量子世界的三大基本原则

  • 态叠加原理

在量子世界一切事物可以同时处于不同的状态叠加态各种可能性并存比如在双缝干涉实验中一个光子可以同时处在左缝和右缝这种人类无法想象的叠加态才是最普通不过的本质形态而在我们看来正常的非黑即白才是一种特例

  • 测不准原理

叠加态是不可能精确测量的比如精确测出了粒子的位置但它的速度却永远测不准这并不是因为仪器精度不够高其实仪器再好都没用这个不可能是被宇宙规律所禁锢的不可能而非有可能但目前做不到

  • 观察者原理

虽然一切事物都是多种可能性的叠加但是我们永远看不到一个既左且右又黑又白的量子物体只要进行观测必然看到一个确定无疑的结果至于到底看到哪个态则是随机的其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多

这样一来实验解释起来就轻松多了

双缝干涉实验的官方解释

没装摄像头光子在未观测的情况下处于多种可能性并存的叠加态以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝形成干涉条纹

装上摄像头光子被观测后只能处于一个态不能神奇地同时穿双缝了所以干涉条纹就消失了

这就是目前量子力学教科书上的正统理论哥本哈根解释

终于一切都有了答案

有了答案吗

因为完美解释了双缝干涉等灵异现象玻尔一

但小伙伴们却纷纷表示这个理论不仅反直觉反人类而且 bug 点很多!

比如没有观测时光子是混沌中的叠加态观测的一瞬间光子就变成了单一的确定态请问两种态是怎样无缝切换的

按照玻尔的说法观测的一瞬间光子就随机蜕变成多种可能中的一种还把这个过程取名叫 塌缩 具体怎么个塌法玻尔自己也说不清

再比如既然触发塌缩的前提是观测那么谁能够成为合格的观察者呢

科学家人类一切生命体还是包括人工智能在内的任何智慧形态

众说纷纭之际给玻尔带来致命一击的是一只猫

一只猫的拷问

10 年前正是薛老师亲手写下了量子波动方程与矩阵力学路径积分一起被后人并称为量子力学的三大基石

 

10 年后的 1935 年哥本哈根解释的群起而攻之薛老师打响了第一枪

当时几乎所有人觉得叠加态是个纯属幻想的玩意儿却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派

因为态叠加测不准观察者无论这三大原理违和感多么强都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理所谓公理就像两点之间有且只有一条直线或者牛顿力学三定律一样是无法也无须证明的宇宙基本大法

在玻尔看来物理学家的任务是透过现象找规律而不是去质问上帝你为什么要把宇宙设计成这样子

而且凭什么微观世界的宇宙法则一定要和宏观世界的生活经验相符呢

无懈可击的玻尔之盾也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战

薛定谔的猫 就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验以下实验纯属想象推理没有任何无辜的猫因此而被害

把一只猫关在封闭的箱子里

 

和猫同处一室的还有个自动化装置内含一个放射性原子如果原子核衰变就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤子->锤子落下->打破毒药瓶于是猫当场毙命

在这个邪恶的连环机关中猫的死活直接取决于原子是否衰变然而具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件

只要不打开盒子看我们就永远没法确定猫此时此刻到底是死是活

刑具准备完毕现在薛老师对玻尔的拷问开始

1. 原子啊衰变啊射线啊这些都属于你们整天研究的微观世界自然得符合量子三大定律没错吧

2. 按照玻尔你自己的说法在没打开盒子观测之前这个原子处于衰变+没衰变的叠加态没错吧

3. 既然猫的死活取决于原子是否衰变而原子又处于衰/不衰的叠加态那是不是意味着猫也处在死/没死的叠加态

原子衰变 = 死猫原子没衰变 = 活猫叠加态原子 = 叠加态的猫

所以按照哥本哈根解释箱中的猫是不死不活又死又活的混沌之猫直到开箱那一刻才瞬间塌缩成一只死猫或者活猫

 

薛老师的逻辑其实就是反证法以子之矛攻子之盾先假装你是完全正确的然后顺着你的说法推理啊直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了

至于为什么要放进一只猫这又是薛老师的高明之处

以前大家研究原子光子总觉得那是与日常完全不同的另一个世界无论量子多么诡异我们总可以安慰自己说微观世界的规律不一定适用于宏观物体

科学家们做完烧脑的实验还能回归老婆孩子热炕头的正常生活

现在薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结二选一

连三岁小孩都知道如果打开箱子看到一只死猫那说明猫早就死了而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候你装作没听到惨叫声而已

你的理论告诉我们猫在被观测前是不死不活的那么如果把你关进一个密室你不也变成不死不活了吗或者在密室中的你看来全世界的人都是不死不活的僵尸态还是说地球和太阳是否存在都变成不确定的了

薛老师的猫本意是想让玻尔下不了台万万没想到这只猫却引发了唯心唯物主义的大辩论

哲学家们突然发现终于有机会以专家的身份来对科学界说三道四了

我思故我在的误会

400 年前一个法国大叔的思考奠定了唯心主义哲学的核心思想

假设世间一切都是幻觉所谓人生也许只是我们的大脑在黑客帝国的 AI 里做的一个梦说不定身体正插满管子泡在培养皿中

 

那么问题来了如果一切都可能是幻觉那么还有没有绝对不是幻觉的东西呢

唯一不可能是幻觉的只有我们正在思考世界是不是幻觉这件事

我在思考至少说明我还是个东西

 

其实唯心主义并不是我想要什么存在它就存在而是只有我的意识无可置疑世界却可能是幻觉所以如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作会发现他们的逻辑严密得令人发指

而唯物主义者的观点则是我在故我思世界肯定不是幻觉不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相但是到底哪一个世界观才对呢

由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据所以谁也无法说服对方

直到唯心主义者们听说了量子力学

这么说来主张心外无物的明代哲学家王阳明早在 500 年前就发明了量子力学

王阳明与友人同游南镇友人问曰

天下无心外之物如此花树在深山中自开自落于我心亦何相关

先生答曰

你未看此花时此花与汝心同归于寂你来看此花时则此花颜色一时明白起来便知此花不在你的心外

唯心所现唯识所变

未看此花时花的存在是不确定的叠加态起心动念的一刹花才会从不确定态塌缩为确定态你观察的世界因此呈现

意识与物质互为因果无法割裂量子力学的观测导致塌缩就是唯心主义的铁证

然而很多人至今都不知道意识决定观测结果这个名声在外的量子黑科技其实是道听途说导致的误会

回到双缝干涉实验如果科学家故意不观测实验结果而是用机器自动记录去掉人类的意识干扰是不是量子态就不会塌缩了

再比如做实验时突然飞过一只苍蝇在它的 N 只复眼注视下光子的叠加态会因此而塌缩吗你以为苍蝇就没有意识吗

结果 根本没有任何影响

屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠只与实验设备的设置有关和谁来观测是否观测无关

只要实验中双缝全开哪怕有一亿双眼睛盯着看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹

现在看来比玻尔那句毁人不倦的观察导致塌缩更准确的表述是

只要微观粒子处于可能被精确测量的环境下它就会自动塌缩并不需要等待观察者就位

所以归根到底量子实验仍然是不以主观意志为转移的

眼见为实

只不过我们无法精确测量只能用概率分布来计算这个客观世界那么薛定谔的猫真的存在吗

一开始包括薛老师和玻尔本人在内没有人相信世界上真会有不死不活既死又活的猫

可是不久之后科学家们惊恐地发现这件看似显然的事居然没法证伪证明猫不是叠加态

按理说猫到底是不是叠加态做个实验不就明白了

可惜这个实验至今做不出来——毕竟我们没法让猫产生干涉条纹啊

证伪不行证实的方法倒是有一个把这只猫造出来

令人细思恐极的是我们已经做到了

1996 年美国人梦露用单个铍离子制成薛定谔猫态并拍下了快照发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态而同时又在第二个位置自旋向下而这两个状态相距 80 纳米之遥

这是人类有史以来第一次亲眼到活生生的量子叠加现象

不过这毕竟只是单个离子和猫相比还差了十万八千里啊

2004 年潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有 5 个光子但还是令玻尔的追随者信心大增

 

这说明从单个微观粒子到严格意义上的薛猫宏观量子叠加态也许只是量变而非质变它被亲切地称为薛定谔的小猫

如果继续增加粒子数量是不是能把小猫慢慢喂肥成大猫呢

然而现实很残酷目前薛猫的最高纪录仍然是潘建伟 2012 年实现的 8 光子叠加态要知道为了增加区区 3 个光子实验用了整整 8 年时间可想而知要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态绝非易事

在乐观者看来这不过是暂时的技术困难假以时日迟早会攻克但也有人认为量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界像猫一样大的宏观叠加态也许是这个宇宙明令禁止的

有朝一日能不能造出一只眼见为实的大薛猫至少现在我们还不知道

但是我们已经知道即使是小猫也蕴含着无比惊人的能量

 

1935 年薛老师很忙

除了 N 多前女友和养猫以外薛老师发现了量子的另一个诡异之处而当时几乎没有人注意到这个问题

为了研究微观世界看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿科学家祭出了最强大的武器粒子对撞机

欧核中心CERN的加速器就是干这个的

 

 

最常见的现象是母粒子被撞击后分裂成两个更小的粒子 A 和 B

因为能量守恒原理子粒子能量相同方向相反比如说因为母粒子静止不动所以分裂后的子粒子 A 向左边飞B 一定往右边飞这样才能左右抵消同理A
的自旋角动量向上B 的自旋一定向下

至于具体是向上还是向下这是个随机事件必须观测后才能知道

 

那么问题来了根据量子理论在不被观测的情况下粒子处于多种可能性的叠加态

举个例子

就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样A 和 B 这对龙凤胎粒子自打出娘胎起他们的性别就没确定直到有人来看了一眼这才瞬间分出男女

然而和薛猫不同的是箱子里的猫只有一只孪生粒子却有两个而且这两个粒子即使相隔很远很远叠加态也能保持不变如同在千里之外瞬间产生联系……

 

是时候@爱因斯坦了

来自幽灵的威胁

大家都知道爱因斯坦创立了相对论但很少有人知道大神在 35 岁就已经功成名就完成狭义+广义相对论而在之后 40 年的悠长岁月里他其实都在纠结一件事量子力学

曾经他也是一个集美貌与才华于一身的男子

 

研究量子力学 30 年之后

 

 

能让爱因斯坦这种大神级人物不明白不是深奥的理论和复杂的公式而是宇宙的意义

爱因斯坦深信宇宙在本质上是高度和谐的这种和谐是可以通过数学之美体现出来的

所以一个理论如果不美倒不是说一定是错的但它肯定不够本质

 

在更高的层面上和谐比对错更重要而量子力学在爱因斯坦看来就是一种不和谐不完备的理论

比如量子力学的核心思想是

微观世界的一切只能用概率统计来表达而具体到单个的粒子它的状态是不确定的叠加态把这个粒子放大 N 亿倍就成了薛定谔的猫

这是第一个让爱因斯坦不爽的地方量子力学否认了物质的实在性

爱因斯坦认为根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫猫的死活在观测之前就是定数只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切只能推测出50% 活 or 50% 死的概率

你是不是突然有一种和爱因斯坦英雄所见略同的感觉

 

打个不太恰当的比方给量子打个恰当的比方真的好难

比如我在知乎的粉丝男女比例是 80:20

我相信每个关注我的知友一定都对自己的性别深信不疑

然而那些发明量子力学的疯狂科学家们他们竟然说80:20 的比例说明每位知友的性别是不确定的见面时 80% 的可能性会变成男生20% 的可能性变成女生

 

因为只有这样我才能解释为什么线下活动时见面的都是男生而索要福利的都是女生至于女生为什么没来可能是出于一些很简单的原因比如当天身体不舒服

仅仅因为我们不知道背后的原因就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的纯属不切实际的猜想

这个背后隐藏的原因学名叫作 隐变量

当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为一旦我们揪出了隐变量量子力学那些混沌不清的阴暗角落就会被照亮得一览无余

一个不掷骰子的上帝一个确定无疑的世界一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想到那时薛定谔的猫之类的奇幻故事只能给孙子当哈利波特讲了

 

结果猫的故事还没讲完薛老师又想了一出孪生粒子叠加态第二次触怒了爱因斯坦大神

因为这一次量子力学要挑战的是相对论

研究微观小世界的量子力学怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢

这又是薛老师一不小心捅下的篓子

在薛定谔孪生粒子的思想实验中两个相距万里的粒子观测出 A 的状态也就知道 B 的状态因为 A 和 B 都是一个母粒子分裂而成的 B 的状态一定和 A 相反

因为 AB 两个粒子的 命运紧密相连 牵一发而动全身所以薛老师给起了个性感的名字 量子纠缠

这就好比如母亲把一双鞋分给兄弟俩他们各带一只远走他乡中国的哥哥打开盒子发现是左脚就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚

 

看上去这并没有什么稀奇

稀奇的是根据量子力学的说法弟弟那只鞋左还是右不是他妈决定的而是哥哥打开盒子的行为决定的在哥哥看到左脚鞋的一瞬间鞋里飞出一个神秘的信号闪电般穿过千山万水通知美国的另一只鞋变成右脚

这个速度能有多快

无限快

但是上帝允许无限快的瞬时传送吗

在这个宇宙中没有东西能超过真空光速不要说超过光速就是试图接近光速的行为都会导致时空的畸变

宇宙的尺度是以亿光年为单位计的在恢宏的空间中银河系一边发生的任何事情不可能立即对彼岸的世界造成影响

就算此时此刻太阳爆炸了我们还能逍遥自在地活 8 分钟因为 8 分钟后光才来得及从太阳飞到地球

通过对粒子 A 的观测居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为幽灵般的超距作用

在严谨的学术界幽灵是一个让人联想起伪科学的词不存在超光速更不存在超距作用因为这是相对论的大前提局域性如果量子纠缠允许超光速那么是量子力学错了还是已经被无数次实验证实的相对论错了

在爱因斯坦看来这压根不是个问题

一双鞋俩兄弟当时分到的就是哥左弟右两个粒子在分裂的一瞬间 AB 的状态就是确定的尘埃落定之后你爱怎么观察就怎么观察为什么要信量子力学那一套观察决定实验的鬼话

只可惜在量子面前人类的直觉和常识又一次大错特错

终极黑客约翰·贝尔

超距作用量子vs 局域性爱因斯坦人们曾经以为这是个永远不会有答案的问题

因为如果做实验验证这两者根本没法区分啊

比方说先制备一对所谓的纠缠态粒子然后一个运到北京一个放在上海我先测量到上海的 A 粒子自旋向上然后打电话去问北京的同事哥们你那边测下 B
是什么态

100% 是自旋向下

爱因斯坦和量子理论都预言B 的自旋一定和 A 相反

也就是说仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的这就好比两个人都赌同一个球队赢如何分胜负呢但是不测量又怎么可能知道它在测量之前是什么

显然这个问题无解

30 年过去爱因斯坦玻尔薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇然而还是没有人认真思考过这个问题

也许这就是为什么做出这个近代物理学最重要的大发现的人不是某位著名的教授而是一位当时还默默无闻的工程师也难怪当他投稿之后文章居然被杂志编辑不小心弄丢了拖了一两年才发表

约翰·贝尔36 岁提出贝尔不等式欧核中心CERN加速器设计工程师爱因斯坦的脑残粉业余爱好是研究量子力学的基础理论

 

我一直觉得贝尔不像个正统科学家更像个物理学黑客虽然和计算机黑客相比他破解的是原子而非比特但是论及思维之独特技巧之高超发现漏洞之敏锐则是有过之而无不及

众所周知粒子 A 的自旋一定和 B 相反但贝尔发现所有人都忽略了一件事自旋在三维空间是有 3 个分量的

 

A 在 X 轴的自旋分量Ax如果向上B 在 X 轴的自旋Bx一定向下但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的自旋ByBz

如果爱因斯坦的局域性理论是对的ByBz 应该和 Ax 一毛钱关系没有但是用量子力学算出来的结果却有着微妙的区别在某些情况下ByBz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联

其他科学家们看到贝尔不等式先是嗤之以鼻接着目瞪口呆最后是深深的悔恨这个深藏 30 年的宇宙级 bug就这样被贝尔这位工程师挖了出来

贝尔不等式的诞生宣告了量子局域性之争从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论

20 年后1982法国人阿兹派克特Aspect第一个成功验证了贝尔不等式结论 量子力学获胜幽灵般的超距作用是真的

 

万万没想到实验结果揭晓之后最高兴不起来的居然是贝尔本人原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒人家下班不约会而去搞不等式的目的就是为了证明量子力学错了

之后贝尔花了大半辈子的时间试图找出实验的漏洞直到去世之前还在思考如何修正局域性理论

当然这一切并没有什么用

从阿兹派克特实验至今 30 多年人们在光子原子离子超导比特固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式所有的实验无一例外全部支持量子理论

如今除了层出不穷的民科已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实但很多人还是忍不住会想贝尔不等式什么的还是太抽象了能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢

幽灵成像实验

比起喜欢用数学公式讲道理的贝尔搞量子光学的史砚华可就实在多了

我觉得史教授 2008 年发明的幽灵成像应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验

请认真看下图

 

幽灵成像的原理通俗易懂先把红光子和蓝光子纠缠到一起然后两者分开各走各路红光穿过狭缝打出一定形状的图案蓝光不穿缝正常走

实验结果绝对震撼明明没有穿过狭缝的蓝光竟然也投射出了与红光相同形状的图像

如果这个实验能够早 70 年做出来我真想看看爱因斯坦的表情

 

这次你总不能说光子在纠缠之前就已经是那个形状了吧

穿缝还是不穿缝显然是在光子出发后才决定的发生在红光子身上的所有事蓝光子也会分毫不差地经历一遍这样看来仅仅把量子纠缠比作龙凤胎还远远不够他们出生时珠联璧合长大成人之后仍然是生死与共而且通过改变红光那边狭缝的形状想让蓝光打出什么样的图案都可以

 

这就意味着我们可以远程发送图像甚至视频而无论距离多远哪怕从宇宙的另一端传过来都是瞬时传输的延迟时间永远为 0

然而这岂不是违反相对论任何信息和物质不能超过光速的公理了吗

并没有

虽然信息是瞬时传送过来了但要把其中的乱码剔除提取出真正的内容还是必须把图像用不超光速的传统方式再发一遍让爱因斯坦操碎了心的超光速问题原来只是杞人忧天

大自然就是如此微妙

宇宙的规则也许看似奇怪内在却有着惊人的自洽性

我们只能说相对论和量子力学之间存在着理论上的矛盾但从来没发现物理规律本身有自相矛盾的地方

如果把宇宙看作一个产品最令人细思恐极的是无论狡猾的人类捣鼓出多么刁钻古怪的实验这个同时在线用户数高达 10^801 后面跟 80 个 0的产品却从来不会被搞出 bug

 

如果宇宙真有一个产品经理的话请收下我卑微的膝盖顺便想问一个问题是为什么您的宇宙中会有量子纠缠呢

量子纠缠背后的秘密

100 年前量子力学的祖师爷玻尔说 如果谁没有被量子力学惊到那他肯定不懂量子力学

爱因斯坦 我思考量子力学的时间百倍于广义相对论但依然不明白

造出第一颗原子弹的费曼更直接 没有人懂量子力学

学了 100 多年的量子力学今天我们懂了吗

 

墨子号首席科学家中国量子通信第一人潘建伟说如果能搞清楚为什么有量子纠缠我可以现在去死接着潘老师又说但是现在还没搞清楚所以我想活得长一点……

考虑到潘院士今年才 46 岁这句话似乎暗示着我们在 50 年后都不一定能搞懂量子了

这些牛人说的不懂可不是小学生学不会四则运算的那种不懂我们已经搞清了微观世界的所有基本规则建立了强大的数学模型算出来的理论预测和实验结果分毫不差但我们还只是一个拿到使用说明书的孩子对于其意义和目的一无所知莫名地好委屈

然而现在越来越多的线索显示量子纠缠的背后可能隐藏着一个巨大的秘密

2013 年Maldancena 和 Susskind 发现量子纠缠和虫洞虫洞即爱因斯坦·罗森桥在数学模型上非常相似他们猜想量子纠缠也许就是一个微型虫洞

量子纠缠中最神秘的现象超距作用其实并没有超越光速而是像虫洞那样穿越了时空这就是为什么孪生粒子能够异地千里同呼吸共命运的真正原因

请认真看下图

 

而在 2010 年 Van Raamsdonk 的独立研究中发现了更为惊人的线索

他建立了一个类似真实宇宙的三维宇宙模型一旦在模型中去掉量子纠缠时间和空间就会被打乱成碎片

正是无处不在的量子纠缠像建筑物的钢筋结构件一样把本应支离破碎的时空编织成了一个整体

请认真看下图

 

在有进一步的实验证据之前我们无法评价这些猜想有多靠谱但是令理论物理学家们心跳加速的是各条独立的线索似乎指向着同一个宝藏找到它发现量子纠缠真正的秘密就有可能理解在开天辟地宇宙洪荒的大爆炸时刻宇宙是怎样被建造出来的

为了传说中的 One Piece越来越多身怀绝技的人踏上了量子时代的大航海之路

有人说哲学家们总是用各种方式解释世界但问题在于改变世界其实科学和文明的高度取决于我们对于世界理解的深度

通过认识和理解世界猿人把手中的石块换成了自然规律拥有了改天换日的力量当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时谁能想到30 年后广岛在火海中的哭喊

自从 1900 年普朗克发明Quantum这个单词至今量子终于从哲学辩论会的题材变成了魔法般的黑科技

基于量子纠缠可以造出比现在快 1 亿倍的量子计算机而超距作用和贝尔不等式则把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器

改变世界的时刻真的到了

公元前 54 年深冬

高卢毕布拉克德

罗马共和国高卢行省长——尤里乌斯·恺撒借着帐篷里的烛火正在一张羊皮上写着什么

战况紧急 恺撒的爱将西塞罗突然遭到维尔纳人的围攻

现在必须立刻派一名骑兵送信给西塞罗命令他重整旗鼓两军合力突围

可是万一这封信被敌人截获怎么办

想到这里他不由自主地停下了笔棱角分明的脸上分明掠过一丝狡猾的微笑……

恺撒大帝福尔摩斯与密码学

作为罗马的第一位独裁者恺撒大帝还有一个鲜为人知的技能点

 

其实大帝不是历史上第一个想出加密算法的人据说我朝的姜子牙在 3000 年前就发明了古装版密码本阴书

 

但恺撒密码却很有可能是首个广泛运用到军事通信领域的加密技术

恺撒密码的原理说白了就是一个字 替换

如果心里想的是字母 A纸上就写 B要写 B就用 C 代替当然我也可以用 D 替换 A用 E 替换 B以此类推偏移 3 个字母

 

只要收发双方都知道偏移量是几就能轻松加密和解密而外人看到的无非是一堆乱码

这就让上课传小纸条有了新招数心里想明文I love U老师看到密文L oryh X

在今天看来这种算法极易破解毫无技术含量可言但在当年的罗马战场这就是令吃瓜群众望而生畏的黑科技

在恺撒制霸罗马的全盛时期就连教主耶稣都不得不服 上帝的归上帝恺撒的归恺撒

 

然而讽刺的是这样一位狂拽酷炫屌炸天还精通密码谍战的军事天才却死于一场密谋政变生生被戳了 23 刀为了纪念大帝人们把恺撒制成了扑克牌上的标本方块 K

 

又过了一千多年恺撒大帝和他的罗马帝国早已灰飞烟灭恺撒密码和扑克却被后人发扬光大

原版的恺撒密码是用字母替换字母而且所有字母还是按照偏移量顺序替换的极大地降低了破解难度到了维多利亚时代这两个弱点终于被改进于是连福尔摩斯逮到的一个普通黑帮小弟都学会原创这样的密码了

 

我们来看传说中的卷福是怎样破解这种图形密码的

在英文字母中 E 最常见第一张纸条上的 15 个小人其中有 4 个完全一样因此猜它是 E

 

这些图形中有的带小旗有的没有小旗从小旗的分布来看带旗的图形可能是用来把这个句子分成一个个单词

现在最难的问题来了

因为除了 E 以外英文字母出现次数的顺序并不很清楚要是把每一种组合都试一遍那会是一项繁琐且无止境的工作

根据似乎只有一个单词的一句话我找出了第 2 个和第 4 个都是 E

 

这个单词可能是 sever切断也可能是 lever杠杆或者 never决不

毫无疑问使用 never 这个词来回答一项请求的可能性极大所以其他三个小人分别代表 NV 和 R

如此这般以此类推福尔摩斯利用上分分钟破译了全部 52 个密文

 

不过所有基于替换法的加密算法都有一个致命的弱点因为凡是用字母构成的文字其字母分布都要符合语言规律比如英文单词中 E 最常见Z 和 X 最罕见无论把字母替换成多么奇葩的东西符号的分布规律永远不会变用概率统计+穷举法+玩填字游戏的基本技巧任何密文的破解只是时间问题

就当小伙伴们都以为恺撒密码的发展已经走到头的时候德国人谢尔比乌斯却给替换式密码来了一次大升级造就了有史以来最可靠的加密系统一度令盟军绝望的噩梦让希特勒成也萧何败也萧何的二战谍报神器——英格玛密码机又叫恩尼格玛密码机ENIGMA

 

 

二战谍报神器跌落神坛

英格玛Enigma密码机牛在哪里

1机器加密

这是世界首台全自动的加密机器而此前编码译码一直靠人力

我国由于国情原因直到 20 世纪 80 年代还在用铅笔+纸的人肉编码方法

用机器的好处不仅是省力而且可以轻松搞定人力难以企及的复杂算法

2复式替换

虽然基础原理和恺撒密码相同但英格玛的字符替换方式却高级了不止一个档次复式替换

也就是说如果你连打 3 个 A恺撒密码的密文可能是 DDD但英格玛的密文却可能是 BDA

英格玛的神奇之处在于转子它通过转动的方式实时改变替换方式每敲一个字所用的替换方式都不同这让依赖频率分析概率统计的破解方法从此无的放矢

 

原版的英格玛密码机只有一个转子二战时期德军为了万无一失把转子加到了 3 个

 

每个转子都有独立的设置3 个转子所有可能的设置高达 105654 种组合这样一来连穷举法暴力破解的一线希望都断了念想

正因为英格玛在当时太过逆天以至于德军从此高枕无忧以为盟军这辈子也别想破解了

他们说得没错单凭人力是不可能干过英格玛密码机的能够破解这台机器的只能是另一台机器一台算力更强大的机器

马拉松运动员同志阿兰·图灵 1941 年发明的机器解码用传统的频率分析+机器暴力穷举干掉了英格玛从此军情六处把德军的情报兜了个底朝天直到盟军诺曼底登陆德国人还没有反应过来他们正是被自己的传家宝坑死的

而图灵的这台机器就是世界上第一台计算机

在计算机时代复式替换加密从此跌落神坛万劫不复

而且实战中还发现有时最容易攻破的反而不是算法而是人

只要搞定那个掌握密码本的人一切密钥都不攻自破

全民加密RSA 技术

显然拥有密码本的人越少越好

但问题是 How

曾经这是个无解的难题

道理很简单密码本必须人手一本否则卧底同志们还拿什么来加密通信呢

 

历史告诉我们当所有人都认为无解的时候换个思路往往就是柳暗花明醍醐灌顶的时刻

传统的密码学中无论采用何种加密算法都默默地遵循着一个思维定式加密和解密是互逆的也就是说只要知道如何加密就一定知道如何解密反之亦然

这被称为对称加密

而世间还有一种非对称加密RSA我可以把加密方法公开给全世界公钥但解密算法私钥只有我一个人知道就算你知道如何加密也不可能据此推出如何解密

RSA 为什么能做到知道加密算法也推不出解密算法

这基于一个数学事实将两个大素数相乘十分容易但对乘积因式分解还原成两个素数却极其困难而且数字越大困难级别指数上升

解密靠的是私钥而破解私钥的唯一方法是猜出公钥是哪两个数字的乘积因此把大数乘积作为公钥公开是非常安全的

举个例子

37×97=3589 小学生都会手算但是问 3589 是哪两个数的乘积你回答得出来吗

如果觉得靠运气能凑出答案你可以挑战一下这个

 

在对称加密时代密码本只能人手一本有了 RSA真正的密码本私钥只要总部的领导一个人知道就行在各地卧底的特工们靠公钥就能加密发密文

这就是为什么 RSA 能在短短 40 年内取代流传两千多年的恺撒成为当今世界全民加密的事实标准方便

生活中当你网购时浏览器用公开下载的公钥把你的付款信息加密发送给服务器服务器用没人知道的私钥解密信息这一切是在你没有丝毫察觉的情况下悄然完成的更给力的是RSA 还是一个相当坚固的加密算法

比如上面那个用来吓人的数字有 232 位768 比特这已经是当今地球上计算机能分解的最大整数了

而你在网上随便申请一个免费的 https 加密证书长度都有 2048 比特

在回顾了人类几千年来的密码学成果之后请你把它们统统忘掉

因为现在无敌的量子通信来了

它靠的可不是什么逆天的算法而仅仅是两枚神奇的硬币

当所有的密码都可以秒破只有量子通信可以做到无条件安全

未来已来

由一枚硬币开启的超距传输

年轻人我看你骨骼精奇是万中无一的创业奇才

我这里有一对魔法硬币与你有缘就十块钱卖给你吧

别看它长得和普通的一元硬币差不多这种硬币有一项

 

你想啊这种硬币如果做成情侣版肯定大卖尤其是异地恋

 

你和你伴侣人手一枚你在北京不断抛硬币 A发出正正反反之类的信号她在西雅图的硬币 B 就会自动变成反反正正编码成0011……再转成
ASCII 码就是

I LOVE U

理工男的浪漫你懂不懂

 

再想想如果能好好包装一把还能卖给国家航天局NASA 之类的土豪机构

从月球到地球 38 万公里电磁波信号需要走 2 秒多月球的宇航员别说游戏玩不了打个电话都卡死机火星就更远啦1 亿公里得延迟 5 分钟

 

但是用无延迟的魔法硬币做星际通信网游不卡了电话不等了干啥都流畅

要问魔法硬币有没有缺点

你还别说是有个小问题不过不影响使用啦——就是每次抛硬币时翻到正面还是反面要看人品年轻人别走啊……

好啦以上故事是玩笑但魔法硬币可不是玩笑

用量子纠缠态的一对孪生粒子自旋向上=硬币正面自旋向下=硬币反面就能做出如假包换的魔法硬币

无论相隔多远的距离处于纠缠态两个孪生粒子就像有心灵感应般零延迟发生同步反应如果把孪生粒子放在两地在地球观测粒子 A 发现自旋向上火星上的粒子 B 会因此而瞬间变成自旋向下仿佛两个粒子之间始终有一道穿越时空的纽带——这就是传说中的超距作用

 

因为 A 的粒子自旋态始终和 B 的相反所以地球人只需观测一下粒子 A就能实时改变粒子 B 被火星人观测到的自旋态当火星人读取出 B 的自旋态时相当于接收到了地球发来的一个比特

如果把孪生粒子比作一对魔法硬币通信双方重复以上步骤通过抛量子硬币传送信号的方式就叫作量子通信

问题在于就算拥有把爱因斯坦吓傻的超能力超距作用量子通信却没法用来瞬时传数据

因为每次硬币自旋是正是反是个完全随机事件不要说控制连影响都做不到你想发正正反反它给你来个反正反正——试想如果不能畅所欲言对方接收到的都是乱码还谈何通信呢

既然发的是一团乱码那么就算能够穿越宇宙瞬时传送也称不上是真正的通信

爱因斯坦当年杞人忧天的超光速通信问题就这样被随机性乱码天衣无缝地解决了

要想用量子传点有意义的东西解决的办法只有一个

用量子通信发完反正反正之后赶紧再用微信给对方补个留言错对对错告诉他哪些信号是发错的让他自己纠正

也就是说对方收到量子信息虽然是瞬时的但要从一团乱码中找出真正的意义还得靠传统通信方式微信电话延迟多久量子通信就延迟多久你是不是在想既然如此不如我直接发个微信得了还要用量子通信干吗

所以只有聪明人才能看出量子通信真正的威力

无条件安全可能吗

每次我和朋友聊起无条件安全的量子通信几乎所有人都认为我在吹牛

大多数人直觉上认为凡事无绝对

你说破解难度很高OK说 99.99% 安全或许吧但打死我也不信世界上存在无懈可击的东西

但是他们忘了绝对安全的加密通信其实早在 75 年前就被发现了

1941 年信息论的祖师爷香农在数学上严格证明了不知道密码就绝对无法破解的安全系统是存在的

 

而且更令人惊讶的是这种绝对安全的密码出人意料的简单——只需符合以下 3 个条件

  • 一次一密每传一条信息都用不同的密钥加密断了敌人截获一本密码本后一劳永逸的妄想
  • 随机密钥生成的密钥是完全随机的不可预测不可重现破解者更不可能猜出规律自己生成所有密钥
  • 明密等长密钥长度至少要和明文传输的内容一样长破解者穷举所有密钥相当于穷举所有可能的明文

谁要是有本事通过穷举猜出明文还来劳什子破解密钥干吗

奇怪的是香农发明无条件安全的 75 年后我们居然还没能用上这个黑科技因为在当时的技术条件下要同时符合这 3 个要求根本不可能

先说随机密钥请计算机程序 rand() 生成的随机数其实 并不是真正的随机理论上如果知道已经产生的随机数就有可能获得接下来的随机数序列可预测

再看明密等长如果我能轻松吧这么长的密钥安全地发送给对方为什么不干脆发送明文呢这样岂不是多此一举

最后一次一密每发一次信息就要更新密钥但通信双方又不能天天见面接头否则还要加密通信干什么

然而在不计成本的最高级别通信场合下一次一密还真的用上了

比如先编写一部超级长的密码本派特工直接交到对方手里然后双方就可以暂时安全通信了

仅仅是暂时

密码本用完之后特工又得出动再送一本新的……007你以为我是快递小哥吗

 

就这样我们研究了 75 年的密码学什么对称加密非对称加密RSA和黑客们展开了无数次道高一尺魔高一丈的攻防大战……

直到我们遇见了香农 75 年前预言的密码学终极形态无条件安全的量子通信75 年前没有人能想到那些看上去几乎不可能实现的三大要求简直就是为量子通信量身定做的

就拿最简单的量子通信协议——孪生粒子的量子纠缠来举个例子

1. 随机密钥服务器生成一对孪生粒子 A 和 B分别发送给通信双方注意AB 被观测后的自旋状态是完全随机的不要说敌人就连自己人都看不出规律来

2.明密等长要发送的正正反反是明文编码量子通信随机产生的反正反正相当于密钥微信发送的纠错码错对对错是加密后的传送内容此时正文密钥纠错码三者的长度完全相同

3. 一次一密为了发送 4 个比特的明文编码正正反反服务器总共生成了 4 次随机密钥每次传输 1 比特明文都有 1 比特密钥保驾护航

此时破解的可能性不是万分之一也不是亿万分之一就是 0而且最令人不可思议的是量子通信不仅无法破解还自带反窃听属性就算敌人截获了每一次密钥同时拿到了正正反反反正反正错对对错三条信息量子通信仍然是安全的

下面就是见证奇迹的时刻

反窃听掌握主动权

量子通信为啥能反窃听

因为量子世界三大定律之一测不准原理

如果敌人想要截获量子密钥必须先截获 AB 两个纠缠态粒子然后测一下自旋态

问题就出在这里

量子态不是先天决定的而是被你的测量决定的你测了它就从魔法般的量子纠缠态变成平淡无奇的确定态了

还记得前面提到的工程师贝尔吗

 

他发明的贝尔不等式原理就是用来检测纠缠态粒子之间是否存在超距作用

当被敌人测过的 AB 粒子到达我们的同志手中他们只要做一件事就能看出量子密钥是否被动过手脚用阿斯派克特实验验证贝尔不等式——如果发现 AB 之间的超距作用已然消失只能说明一件事在我方测量之前已经有人测过了

虽然在原理上通过验证贝尔不等式已经足以确保信道的安全然而在实际应用中做阿斯派克特实验实在太麻烦了

所以量子通信卫星墨子号用的是更先进的量子密钥分配协议——BB84 协议和原版量子纠缠通信的不同之处在于它利用光子的偏振方向而非自旋态产生随机化的 0 和 1量子比特

当然BB84 的安全性同样依靠量子测不准原理窃听者对量子信号的测量会改变信号本身导致接收方收到的信号中乱码大增从而暴露了自身的存在

 

从军事的角度来说比无法破解的通信更安全的是无法窃听的通信比无法窃听的通信更安全的是能发现窃听者的通信比能发现窃听者的通信更安全的是我能发现有人窃听但窃听者却不知道被我发现了的通信

不被窃听很重要发现窃听者很重要这些都容易理解但为什么窃听者不知道被我发现更重要呢

因为如果窃听者不知道他已经暴露了我军可以将计就计故意发一些假消息引君入瓮把谍战的主动权抓到自己手中在军事上比被动地单纯反窃听更管用

就拿二战的逆转战役诺曼底登陆来说其实希特勒早就料到盟军会把赌注押在诺曼底但盟军情报部门用了一年的时间给德军传送假情报发出几千封加密电报供德军破译硬是忽悠得元首大人连自己都不相信了

量子通信就属于第三种我方可以轻松发现窃听而窃听者却不知道被我发现的加密通信而且是当今所有已知加密手段中唯一能做到第三层次的技术

当然窃听者也知道量子通信的厉害正因为如此没有哪个间谍敢随便窃听量子通信的信息就算窃听到了也没人信我怎么确定这次窃听到的情报不会把元首坑死

而攻击量子通信的唯一方法不是窃听破解只能是干扰例如用强激光照射接收器将其致盲量子信道被干扰成乱码把敌我双方拉回到同一起跑线

毕竟量子通信的特长是反窃听而不是抗干扰

但这称不上是量子通信的弱点其他所有传统通信方式在干扰下都会难以为继无条件不受干扰的通信目前还没发明出来呢

最强之矛与最强之盾

量子通信卫星墨子号上天之后立刻遭到了某些民科的抵制

有说阴谋论的有说浪费纳税人钱的就是没有一个能说清量子通信究竟是怎么回事

不过在这群流言之中让我印象最深的是一个网友的发帖

 

前 4 个问题看完前面的内容读者应该都可以自己回答了不过起码人家还说对了一点目前的加密系统早就超过实际所需了你啥时听过有银行是因为信息窃听被破解的

讲真目前的加密系统并不是没法破解而是破解成本太高就拿银行最常用的非对称加密算法 RSA 来说2009 年为了攻破一枚 768 比特的 RSA 密钥一台超级计算机足足算了几个月这几乎是当今计算机性能的极限

虽然理论上RSA-768 已不再安全但由于 RSA 算法的破解难度随着密钥长度指数级上升所以让 RSA 再次固若金汤非常简单把密钥位数加长到 1024 比特就会让破解时间增加 1000 多倍

其实现在网上交易最普遍的 RSA 密钥至少是 2048 比特然而在互联网时代大获成功的 RSA 加密真的能让我们高枕无忧地用上 500 年吗

未必

RSA 加密的前提是加密容易解密难在 RSA 的核心算法中用到了大数因式分解把两个素数相乘(A*B=C)比把这个乘积 C 做因式分解还原出 A 和 B 容易得多数字 C 的位数越多因式分解的时间就越长

你可以挑战一下

 

但是有没有这样一种可能随着算力越来越强解密的时间越来越短会不会有朝一日再长的密码都可以秒破呢甚至有没有可能出现解密的速度比加密还快的尴尬局面

这就是困扰计算机系的同学们 50 年的经典问题P 是否等于 NP

P 就是能在多项式时间内解决的问题NP 就是能在多项式时间验证答案正确与否的问题抛开复杂的定义不谈P=NP 实际上问的是如果答案的对错可以很快验证它是否也可以很快计算

一开始人们觉得P 显然不等于 NP

比如找出大数 53308290611 是哪两个数的乘积很难但要问224737 是否可以整除 53308290611这小学生都会算

在密码学领域这正好是我们想要的结果加密相乘容易解密因式分解

如果 P=NP就势必存在一种算法使得对 53308290611 做因式分解和验证 224737 是否是因子一样快加密和解密同样容易

如果 P 真的等于 NP为什么这么多年都没人想出这种逆天的算法呢

然而令人细思恐极的是我们至今还没法严格证明 P 不等于 NP反而有人发现在某种特定的计算模型下 P=NP 竟然是成立的

这种 特定的计算模型 叫作 量子计算机 和非 0 即 1 的传统计算机不同量子计算机的量子比特可以处于既是 0 又是 1的量子态

在量子世界这种不可思议的既死又活反而是最平常的现象量子叠加态还记得薛老师那只不死不活又死又活的混沌猫吗

 

量子叠加使得量子计算机具有传统计算机做梦都想不到的超能力

在一次运算中同时对 2^N 个输入数进行计算

举例说

如果变量 X=0

运行 A 逻辑

如果变量 X=1

则运行 B 逻辑

这种最普通不过的条件判断程序在传统计算机内部永远只会执行 A 或 B 的一种逻辑分支除非把 X=0 和 X=1 的两种情况各运行 1 次共运行 2

但对于量子计算机A 和 B 在一次计算中就同时执行了因为变量 X 是量子叠加态既等于 0又等于 1这就意味着普通计算机要算 2
次的程序量子计算机只需算 1 次

如果把量子比特的数量增加到 2 个

如果变量 X=00运行 A

如果变量 X=01运行 B

如果变量 X=10运行 C

如果变量 X=11运行 D

有了 2 个量子比特普通计算机要算 4 次的程序量子计算机也只要算 1 次

如果把量子比特加到 10 个那么普通计算机要算 2^10=1024 次或用 1024 个 CPU 同时算的程序量子计算机只需要用 1 个 CPU 算
1 次

看出问题的严重性了吗

把量子比特加到 100 个以上那么当今地球上 所有计算机同时运行 100 万年的工作量量子计算机干完只要几分钟

对于曾经需要消耗巨大算力才能破解的 RSA 加密这是一个灾难性的未来

1994 年全球 1600 个工作站同时运算了 8 个月才破解了 129 位的 RSA 密钥若用同样的算力破解 250 位 RSA 要用 80 万年1000 位则要 10^25 年——而对于量子计算机1000 位数的因式分解连 1 秒钟都不到

在量子计算机的最强之矛面前现在最流行的 RSA 加密将无密可保所有基于 RSA 的金融系统将瞬间变成透明人

唯一能防住量子计算机的只有最强之盾量子加密通信

 

和 RSA 等依赖计算复杂度增加破解成本的加密方式不同 量子加密通信是无条件安全对量子计算机的恐怖计算能力先天免疫

虽然量子比特的制备极为困难目前最高纪录只有可怜的 5 个量子比特但谁也不知道量子计算机的爆发——或者说传统加密的末日将会在何时到来

这就是为什么在广大人民群众一片看不懂的声音中量子通信卫星墨子号上天了京沪量子通信干线快建成了工商银行在北京用上了量子通信做同城加密传输阿里云的数据中心已经在用量子通信组网

 

暂时落后的欧盟也信誓旦旦要在 2018 年投入 10 亿欧元做量子通信

就连扎克伯格未满月的女儿都让他爹读宝宝的量子物理学

 

你还觉得这种高深的学问懂不懂也没什么关系反正全世界也没几个人能懂

未来已来

Get in Touch EMail:sifinsh@163.com QQ:121876723 WECHAT:sifinsh
Copyright©2008-2020 Niwo8.com.All Rights Reserved.The Eleventh Version. 京ICP备18012739号