《貓，愛因斯坦和密碼學》
I Hope Time Doesn"t Change Him
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The Drums
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好久不見呀，這是今天佳醬裝裝專業人士，給大家說說量子物理。聽起來是不是就很高大上？
其實本來我是想把3月份的書做成一期合集，但是當我寫完這本分享的時候，我發現已經4000字了。雖然這本書很薄，但想說明白還是很複雜，索性就單獨寫一期。
先來說說我為什麼會讀這個。
這要從《三體》開始說起。《三體》是我讀的第一本科幻小說，很慶幸我的科幻小說啟蒙是這本書，因為《三體》我開始對航天學，宇宙探索，基礎物理等以前從來不會碰的東西開始產生興趣。
甚至開始想像未來到底會是什麼樣？
後來偶然發現了一本《宇宙超度指南》，作者是李誕，就是那個吐槽大會的小眼睛李誕。
《宇宙超度指南》倒是沒講什麼深奧的科學內容，而是通過荒誕的宇宙情節來講一些現世的道理。
裡面是一個一個的小故事，沒什麼邏輯性，不過一些觀點還是挺值得深思的。
其中有一個叫《量子小丑》的故事，提到了薛定諤的貓和平行宇宙的理論。
澈丹腦子裡回憶起學過的知識：量子理論認為觀測者的觀測決定著事物的狀態。
小丑：「這霸王龍我根本沒訓練過，因為記載里只有訓獅子的辦法。」
薛定諤的貓在打開盒子前不知生死是一種情況，還有一種情況是打開後宇宙分裂為兩個，其中一個宇宙里的貓活著，另一個宇宙里的貓死了。
平行宇宙的概念，大概是說，人的每次抉擇，都可能導致產生一個新的平行宇宙，人可以既向左走，也向右走，只不過是走進兩個不同的宇宙。
可能是貓奴本性，我對這個奇怪的有著中國名字這個人的貓產生了興趣。
再然後就是發現了這本書。我的本意是想了解這隻貓怎麼了，結果一不小心呢對量子理論又產生了那麼一丟丟的興趣。
在寫分享的時候，才發現要想通俗簡單的給別人講好一些基礎理論問題真的很難。把這個書反覆看了能有5遍，才大概理順了其中的邏輯關係。
如果我的分享中有任何不符合量子理論的內容或者存在一些簡單的物理常識性錯誤的話，請大家原諒我，畢竟我只有經常不及格的高中物理水平。
下面開始我的表演。
首先我先來說說量子物理有多麼複雜。
100年前，量子力學的祖師爺玻爾說：如果誰沒被量子力學驚到，那他肯定不懂量子力學。
愛因斯坦說：
大家都知道愛因斯坦創立了相對論。但很少有人知道，大神在35歲就已經功成名就（完成狹義+廣義相對論），而在之後40年的悠長歲月里，他其實都在糾結一件事：量子力學。
為什麼難？
原因是到現在為止各大物理學家找不到量子的規律。
物理學屆信奉的是「我們不是改變世界，我們只是發現世界。」
就是說我們現在所有的發明和貢獻，都是宇宙中已存在的，我們只不過是總結出了其中的規律告訴大家。
他們相信一切是有規律的。
但量子這個東西，好像找不到規律？
量子力學的祖師爺玻爾提出的被廣泛認可的量子世界三大基本原則：
·態疊加原理
在量子世界，一切事物可以同時處於不同的狀態（疊加態），各種可能性並存。比如，在雙縫干涉實驗中，一個光子可以同時處在左縫和右縫。這種人類無法想像的疊加態，才是最普通不過的本質形態；而在我們看來「正常」的非黑即白，才是一種特例。
·測不準原理
疊加態是不可能精確測量的。比如，精確測出了粒子的位置，但它的速度卻永遠測不準！這並不是因為儀器精度不夠高，其實，儀器再好都沒用。這個不可能是被宇宙規律所禁錮的「不可能」，而非「有可能但目前做不到」。
·觀察者原理
雖然一切事物都是多種可能性的疊加，但是，我們永遠看不到一個既左且右、又黑又白的量子物體。只要進行觀測，必然看到一個確定無疑的結果。至於到底看到哪個態則是隨機的，其概率高低取決於疊加態中哪個態的成分居多。
你想說這不都已經有規律了么？但你仔細看一下這個規律，這三個基本原則的想通之處就是，在各種方面量子都是不確定的，不論是狀態、速度。
現在我們來說說文章開頭說過的那隻奇怪的貓，用這隻貓來說說什麼是量子的疊加態和觀察者原理。
物理學界對光是波還是粒子，一直有爭論，因此他們設計了一個實驗，就是著名的雙縫干涉實驗。
原理就是向一個帶有兩個縫隙的板子發射光子，在發射足夠多的光子之後，看板子上的是兩條豎線，還是斑馬線。
如果是豎線說明是粒子，如果是斑馬線說明是波（波的特性會互相影響，產生干涉條紋）。
然而量子詭異的地方來了，物理學家們發現，有的時候呈現的是粒子，有的時候呈現的是波，如果是用眼睛觀察，他是豎線，但如果通過攝像機拍攝就是斑馬線。
難道量子是波還是粒子，取決於我們怎麼看？
用一個形象的比喻就是，世界盃總決賽上，梅西一個漂亮的轉身後抬腳射門。而梅西這個球進還是不進，竟然取決於你是通過電視看還是在現場看？！
是不是顛覆三觀了。
這就是量子的觀察者原理。就是量子在未觀測之前他是處在既是波又是粒子的疊加態，在看他一眼之後，他決定變成粒子或是波。
恩，夠詭異。
然後薛老師就提出了這個薛定諤的貓的理論來反駁。
把一隻活蹦亂跳的小貓放在一個密封不透明的盒子里，和貓同處一室的還有個自動化裝置，內含一個放射性原子：如果原子核衰變，就會激發α射線->射線觸發開關->開關啟動鎚子->鎚子落下->打破毒藥瓶，於是貓當場斃命。
在這個邪惡的連環機關中，貓的死活直接取決於原子是否衰變；然而，具體什麼時候衰變是無法精確預測的隨機事件。
只要不打開盒子看，我們就永遠沒法確定，貓此時此刻到底是死是活。
刑具準備完畢，現在，薛老師對玻爾的拷問開始：
既然貓的死活取決於原子是否衰變，而原子又處於「衰/不衰」的疊加態，那是不是意味著，貓也處在「死/沒死」的疊加態？
原子衰變=死貓；原子沒衰變=活貓；疊加態原子=疊加態的貓。
所以，按照哥本哈根解釋，箱中的貓是不死不活、又死又活的混沌之貓，直到開箱那一刻才瞬間「塌縮」成一隻死貓或者活貓？
怎麼看怎麼不對是吧。
愛因斯坦實在是看不過去了，說貓的死活在觀測之前就是定數，只不過愚蠢的人類看不見箱子里發生的一切，只能推測出「50%活or 50%死」的概率。
用另一個比喻來說就是：
比如，某個明星的粉絲男女比例是80:20。
我相信，每個粉絲一定都對自己的性別深信不疑。
然而，那些發明量子力學的瘋狂科學家們，他們竟然說：80:20的比例，說明每位知友的性別是不確定的，見面時80%的可能性會變成男生，20%的可能性變成女生！
一開始，包括薛老師和玻爾本人在內，沒有人相信世界上真的會有不死不活，即死又活的貓，然而科學界對這個理論竟然沒辦法證偽（證明貓不是疊加態），既然證偽不行，那就證實：把這個貓造出來。
1996年美國人用單個離子製成【薛定諤貓態】，然後觀測到，這個離子在第一個位置處於自旋向上同時又在第二個位置自旋向下，兩個狀態相聚80納米之遙。
這是人類有史以來第一次親眼看到量子疊加狀態。
2004年潘建偉團隊首次實現了多光子的「薛定諤貓態」，這說明從微觀粒子到宏觀貓也許只是量變而非質變。
就是說真的有這個不死不活，即死又活的貓。再往大了說，是不是我們人也是處在半死不活的狀態呢？！（一個值得深思的問題）
通過上面的實驗又引出一個名詞-量子糾纏
量子糾纏的本質是能量守恆定律，一個粒子分裂成兩個，分別為A和B,這兩個粒子的運動狀態一定是相反的。二者相互糾纏，相互為反，可以理解為電池的正極和負極，或者是-1+1=0。
二者的運動方向一個向左一個必然向右，但誰向左誰向右是隨機的。
需要強調的是根據我們常識判斷是在兩個粒子分開的時候就已經決定誰向左誰向右了。
但由於量子特殊的疊加態和觀察者理論，使得誰向左誰向右是取決於觀察這個行為。
這就好比如：母親把一雙鞋分給兄弟倆，他們各帶一隻遠走他鄉。中國的哥哥打開盒子發現是左腳，就知道弟弟帶到美國的另一隻一定是右腳。
稀奇的是，根據量子力學的說法，弟弟那隻鞋左還是右，不是他媽決定的，而是哥哥「打開盒子」的行為決定的。在哥哥看到左腳鞋的一瞬間，鞋裡飛出一個神秘的信號，閃電般穿過千山萬水，通知美國的另一隻鞋變成右腳！
這個速度能有多快？
無限快！
想要證明？
沒問題，滿足你。
最直觀的量子糾纏實驗是史教授2008年發明的「幽靈成像」，證明量子糾纏絕非幻想。
通過實驗顯示:
明明沒有穿過狹縫的藍光竟然也投射出了與紅光相同的圖像。
這就證明，不可能在紅光出發之前就告訴藍光說：寶貝兒，愚蠢的人類讓咱們穿過縫隙了，給寶寶呈現一個人形嚇一嚇他們，就這麼決定了，GO!
他是在一方反應，另一方瞬間做切換。
這意味著什麼？
這就意味著，我們同處地球的最遙遠的兩端，我們手裡一人拿著一個互相糾纏的粒子，你把你的粒子捏成小人，我瞬間知道你在做什麼。
也就是說我們可以遠程發送圖像甚至視頻，而無論距離多遠、哪怕從宇宙的另一端傳過來都是瞬時傳輸的，延遲時間永遠為0。
把量子說的這麼玄乎，好像下一秒就要改變世界了，他現在到底對我們有什麼實際的作用呢？
量子通訊將以你可見的形式改變世界。
我們都知道對於軍事或者商業，訊息的安全佔有極高的位置。我們都在尋找一種不會被破解的密碼訊息。
1941年，資訊理論的祖師爺香農，在數學上嚴格證明了：不知道密碼就絕對無法破解的安全系統，是存在的。
這種絕對安全的密碼出人意料的簡單——只需符合以下3個條件：
1.一次一密：每傳一條信息都用不同的密鑰加密，斷了敵人截獲一本密碼本後，一勞永逸的妄想；
2.隨機密鑰：生成的密鑰是完全隨機的，不可預測，不可重現，破解者更不可能猜出規律，自己生成所有密鑰；
3.明密等長：密鑰長度至少要和明文（傳輸的內容）一樣長，破解者窮舉所有密鑰，相當於窮舉所有可能的明文。
但在當時的文明，這是不可能實現的。
但是量子物理的發現，使不可能變成了可能。
量子糾纏的特性使他能夠完全符合完全安全的密碼：
1.隨機顯示，你不能命令量子如何變化，他每次都是隨機顯示。
2.一次一傳，由於上面的隨機，所以沒有什麼密碼字典讓你解讀。
3.測不準原理，這是反竊聽的終極武器，量子在未觀測前是疊加態，但當別人檢測就會失去活力，從糾纏態變成確定態，並增加亂碼率，從而暴露敵方自身，而不知道自己暴露了。
最可怕的就是你以為你知道而別人不知道，其實你不知道這只是別人讓你以為你知道。
不要以為量子通訊還處在理論階段，現實中的應用已經超過你的想像了。
量子通信衛星「墨子號」上天了；京滬量子通信幹線快建成了；工商銀行在北京用上了量子通信做同城加密傳輸；阿里雲的數據中心已經在用量子通信組網。
暫時落後的歐盟，也信誓旦旦，要在2018年投入10億歐元做量子通信。
就連扎克伯格未滿月的女兒，都讓他爹讀《寶寶的量子物理學》。
作者說：你還覺得這種高深的學問，懂不懂也沒什麼關係，反正全世界也沒幾個人能懂？
未來，已來。
好久沒這麼燒腦過了，感覺很是酸爽。
不記得是誰說過了，
保持年輕的秘訣是什麼？是不放棄對世界的好奇心。
雖然他很難、很複雜，但是我真的好奇未來會如何來。
所以，
你有沒有對量子世界也產生那麼一丟丟興趣？
留言告訴我吧。
這是個很隨便的
公眾號
無
和一隻不正經小仙女
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空·
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