這是有史以來第一次，人類在科學(xué)實驗中正式遭遇「靈異事件」。

121年前的 12 月 12 日，馬可尼收到橫跨大西洋、人類史上第一個無線電信號的那一天。

似乎什么都沒有改變。

包括馬可尼自己，當(dāng)時沒有人能夠想象，在接下來的一百多，通信會把世界變成什么樣子。

2016 年 8 月 16 日，世界第一顆量子通信衛(wèi)星「墨子號」從酒泉發(fā)射的那一天。

就像當(dāng)年的馬可尼一樣，我們也無從想象，未來的量子計算與量子通信，終將帶來一個怎樣的魔法時代。

絕對安全的信息傳輸？

智商秒殺全人類的人工智能？

瞬移、穿越不再是科幻？

潘建偉教授的量子通信衛(wèi)星上天了。

5 年后，人人都會用無法破解的加密網(wǎng)絡(luò)刷信用卡。你還覺得量子理論是象牙塔里的黑科技，和你的生活毫無關(guān)系？

讓我們先從神秘的量子理論開始，解密量子通信。

這注定是一場不可思議的旅程。

如果你完全不懂量子力學(xué)，請放心大膽地往下看，我保證不用任何公式就能讓你秒懂，連 1+1=2 的幼兒園數(shù)學(xué)基礎(chǔ)都不需要。

如果你自以為懂量子力學(xué)，請放心大膽地往下看，我保證你看完會仰天長嘆：什么是量子力學(xué)啊？

正如量子力學(xué)大師費曼所說：沒有人懂量子力學(xué)。如果你覺得懂了，那肯定不是真懂。

在燒腦、反直覺和毀人三觀方面，沒有任何學(xué)科能夠和量子力學(xué)相比。如果把理工男最愛的大學(xué)比作霍格沃茲魔法學(xué)校，那么唯一和量子力學(xué)專業(yè)相提并論的，只能是黑魔法。

然而，量子理論之所以如此神秘，并不是因為物理學(xué)家的故弄玄虛。其實，在量子理論剛誕生的搖籃時期，它只是一門人畜無害的學(xué)科，專門研究電子、光子小玩意兒。

而 「量子」 這個現(xiàn)在看來很厲害的名字，本意不過是指微觀世界中「一份一份」的不連續(xù)能量 。

這一切，都源于一次物理學(xué)的靈異事件。

百年戰(zhàn)爭

20 世紀(jì)初，物理學(xué)家開始重點糾結(jié)一個糾結(jié)了上百年的問題：光，到底是波還是粒子？

粒派

所謂粒子，可以想象成一顆光滑的小球球。

每當(dāng)你打開手電，無數(shù)光子就像出膛的炮彈一樣，筆直地射向遠(yuǎn)方。

很多著名科學(xué)家（牛頓、愛因斯坦、普朗克）做了很多權(quán)威的實驗，確鑿無疑地證明了是一種粒子。

波派

所謂波，就像往河里扔塊石頭，產(chǎn)生的水波紋一樣。

如果把光看作是一種，可以完美解釋干涉、衍射、偏振等經(jīng)典光學(xué)現(xiàn)象。

很多著名科學(xué)家（惠更斯、楊、麥克斯韋、赫茲）做了很多權(quán)威的實驗，確鑿無疑地證明了光是一種波，電磁波。

可問題是，波和粒子畢竟是兩種截然不同的東西��！

粒子可分成一個一個的最小單位，單個粒子不可再分；波是連續(xù)的能量分布，無所謂「一個波」或者「兩個波」；

粒子是直線前進(jìn)的，波卻能同時向四面八方發(fā)射；

粒子可以靜止在一個固定的位置上，波必須動態(tài)地在整個空間傳播。

波與粒子之間，存在著不可調(diào)和的矛盾。

于是自古以來，塞伯坦星上的科學(xué)家就分成兩派：波派和粒派，兩派之間勢均力敵的百年撕逼戰(zhàn)爭從未分出勝負(fù)。

很多人問我：科學(xué)家為什么要為這種事情勢不兩立，大家擱置爭議、共同研究不就得了。

為了兩個字：

信仰！

千面之神

且問你：《權(quán)力的游戲》中，信奉七神的維斯特洛人民，為何要與信奉舊神的關(guān)外野人拼個你死我活？

自古以來，人們?yōu)榱诵叛鰻幎舜箝_殺戒，早已不足為奇。

唯一的和諧社會可能是古希臘：他們的神多達(dá)百八十號，有管天上、有管地下，各路神仙各司其職，倒也井水不犯河水。

人稱：希臘眾神。

要命的是，科學(xué)家們信仰的神只有一個，而且是放之宇宙而皆準(zhǔn)的全能大神。這位神祇的名字，叫真理。

大到宇宙的誕生，小到原子的運轉(zhuǎn)，科學(xué)家們相信，這個世界的萬事萬物都是基于同一個規(guī)律，可以用同一個理論，甚至同一套方程解釋一切。比如，讓蘋果掉下來把牛頓砸暈的是萬有引力，讓月亮懸在空中掉下來的也是萬有引力。用同一個方程，既能算出地球的質(zhì)量，也能讓馬斯克的獵鷹九號火箭上天，這就是科學(xué)的威力。

想要一個宇宙、兩種規(guī)律？

對不起兄弟，別在科學(xué)界混了，您可以去跳個槽，比如競選總統(tǒng)。

當(dāng)然，科學(xué)家們沒有誰敢自稱是真理的代言人，就連牛頓謙虛起來都是這樣的：「我只是一個在海灘上撿貝殼的孩子，而真理的大海，我還沒有發(fā)現(xiàn)��！」

就算是撿貝殼，撿多了，說不定拼到一起就能窺見真理之神的全貌呢！

整個科學(xué)史，就像一個集卡拼圖的過程。做實驗的科學(xué)家們每發(fā)現(xiàn)一個科學(xué)現(xiàn)象，搞理論的科學(xué)家們就絞盡腦汁推測它背后的運行規(guī)律。不同領(lǐng)域的大牛把各方面的知識、理論慢慢拼到一起，真理的圖像就漸漸清晰。

在 20 世紀(jì)初，光學(xué)的知識儲備和數(shù)學(xué)理論越來越完善。大家逐漸覺得，這一塊的真相總算有希望拼出來了——結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，波派和粒派的理論早已背道而馳，還各自越走越遠(yuǎn)。這就好比你集了一輩子卡片，自以為拼得差不多了。這時突然發(fā)現(xiàn)，你拼出的圖案居然和別人是不一樣的，而且差不是一點點！

是不是有種把對方連人帶圖都砸爛的沖動？

當(dāng)時波派和粒派都堅信，自己手上的拼圖，才是唯一正確的版本。

雙方僵持不下直到 1924 年，終于有人大徹大悟：波 or 粒，為什么光不能兩者都是呢？

也許在某些時候，粒子看起來就像是波；在另一些時候，波看起來就像是粒子。波粒如同陰陽一般相生相克，就像一枚硬幣的正反兩面（波粒二象性），只不過我們一直以來都在盲人摸象、各執(zhí)一詞。

真理確實只有一個，但是真理的表現(xiàn)形式，會不會存在著多個版本？

難道真理就是那個千面之神，用千變?nèi)f化的面目欺騙了我們?nèi)绱酥茫?/p>

靈異的實驗

究竟是波，是粒，還是波粒二象，大家決定，用一個簡單的實驗來做個了斷：

雙縫干涉實驗

雙縫，顧名思義，就是在一塊隔板上開兩條縫。

用一個發(fā)射光子的機槍對著雙縫掃射，從縫中漏過去的光子，打在縫后面的，就會留下一個光斑。（等效于 1961 年電子雙縫干涉實驗）

在實驗之前，科學(xué)家的推測如下：

第一種可能

如果光子是純粒子，那么屏幕留下兩道杠。

光子像機槍發(fā)射的子彈一樣筆直地從縫中穿過，那么屏幕上留下的一定是 2 道杠，因為其他角度的光子都被板擋住了。

第二種可能

如果光子是純波，那么屏幕上會留下斑馬線般的一道道條紋。

光子穿過縫時，會形成 2 個波源。兩道波各自震蕩交匯（干涉），波峰與波峰之間強度疊加，波峰與波谷之間正反抵消，最終屏幕上會出現(xiàn)一道道復(fù)雜唯美的斑馬線（干涉條紋）。

第三種可能

如果光子是波粒二象，那么屏幕圖案應(yīng)該是以上兩種圖形的雜交混合體。

總之，

兩道杠 = 粒派勝；

斑馬線 = 波派勝；

四不像 = 平局。

是波是粒還是二合一，看屏幕結(jié)果一目了然，無論實驗結(jié)果如何，都在我們的預(yù)料之中。

第一次實驗：把光子發(fā)射機對準(zhǔn)雙縫發(fā)射。

結(jié)果 ：標(biāo)準(zhǔn)的斑馬線。

根據(jù)之前的分析，這證明光子是純波。OK，實驗結(jié)束，大家回家洗洗睡吧。

粒派不服：我明明知道光子是一個一個的粒子！

這樣，我們再做一次實驗，把光子一個一個地發(fā)射出去，看會怎么樣，一定會變成兩道杠的！

第二次實驗：把光子機槍切換到點射模式，保證每次只發(fā)射一個光子。

結(jié)果 ：斑馬線，竟然還是斑馬線，怎么可能？我們明明是一、個、一、個把光子發(fā)射出去的啊！

最令人震驚的是，一開始光子數(shù)量較少時，屏幕上的光點看上去一片雜亂無章，隨著積少成多，漸漸顯出了斑馬線條紋！

光子要真的是波，那粒派也不得不服。

問題是：根據(jù)波動理論，斑馬線來源于雙縫產(chǎn)生的兩個波源之間的干涉疊加；而單個光子要么穿過左縫、要么穿過右縫，穿過一條縫的光子到底是在和誰發(fā)生干涉？

難道……光子在穿過雙縫時分裂成了兩個？一個光子分裂成左半光子和右半光子，自己的左手和右手發(fā)生了關(guān)系？事情好像越來越復(fù)雜了。干脆一不做二不休，我們倒要看看，光子究竟是怎樣穿過縫的。

第三次實驗：在屏幕前加裝兩個攝像頭，一邊一個左右排開。哪邊的攝像頭看到光子，就說明光子穿過了哪條縫。同樣，還是點射模式發(fā)射光子。

結(jié)果：每次不是左邊的攝像頭看到一個光子，就是右邊看到一個。一個就是一個，從來沒有發(fā)現(xiàn)哪個光子分裂成半個的情況。

大家都松了一口氣。光子確實是一個個粒子，然而在穿過雙縫時，不知怎么就會變形成兩道波同時穿過，形成干涉條紋。

雖然詭異了些，不過據(jù)說這就是 波粒二象性 了，具體細(xì)節(jié)以后再研究吧，這個實驗做得人都要精分了。

然而，就在這時，真正詭異的事情發(fā)生了……

人們這才發(fā)現(xiàn)，屏幕上的圖案，不知什么時候，悄悄變成了兩道杠！

沒用攝像頭看，結(jié)果總是斑馬線，光子是波；

用攝像頭看了，結(jié)果就成了兩道杠，光子變成了粒子。

實驗結(jié)果取決于看沒看攝像頭？

這不科學(xué)啊，做物理實驗竟然見鬼了啊！

一個貌似簡單的小實驗做到這份上，波和粒子什么的已經(jīng)不重要了，重要的是現(xiàn)在全世界的科學(xué)家都懵逼了。

這是有史以來第一次，人類在科學(xué)實驗中正式遭遇靈異事件。

觀察者魔咒

你還沒看出靈異在哪里？

好吧，請先看懂下面這個例子：

電視里正在直播足球比賽，一個球員起腳射門——

「咔」暫停，你預(yù)測一下這個球會不會進(jìn)？

在球迷看來： 球進(jìn)還是不進(jìn)，和射手是不是 C 羅、梅西有關(guān)，和對方門將的狀態(tài)有關(guān)，和裁判收沒收錢說不定還有關(guān)。

在科學(xué)家看來： 有關(guān)的東西更多，比如球的受力、速度和方向，距離球門的距離，甚至草皮的摩擦力、球迷吼聲的分貝數(shù)等等。

不過，只要把這些因素事無巨細(xì)地考慮到方程里計算，完全可以精確預(yù)測三秒后球的狀態(tài)。但無論是誰，大家都公認(rèn)的是，球進(jìn)與不進(jìn)，至少和一件事情是絕對無關(guān)的：

你家的電視。

無論你用什么品牌的電視，無論電視的屏幕大小、清晰度高低、質(zhì)量好壞，無論你看球時是在喝啤酒還是啃炸雞，當(dāng)然更無論你看不看電視直播——該進(jìn)的球還是會進(jìn)，該不進(jìn)就是不進(jìn)，哪怕你氣得把電視機砸了都沒用。

你是不是覺得，上面說的全都是廢話？那么，仔細(xì)聽好：

雙縫干涉的第三次實驗證明了，在其他條件完全相同的情況下，球進(jìn)還是不進(jìn)，直接取決于在射門的一瞬間，你看還是不看電視！

看還是不看，這是一個問題！

光子從發(fā)射器射向雙縫，就好比足球射向球門；用攝像頭觀測光子是否進(jìn)縫、怎么個進(jìn)法，就好比用電視機看進(jìn)球。

第三次實驗與第二次的唯一區(qū)別，就是實驗 3 開了攝像頭觀察光子（看電視），實驗 2 沒放攝像頭（不看電視）——兩次實驗的結(jié)局竟截然不同。

這，就是觀察者的魔咒。

難道說，不看光子它就是波，看一眼，它就瞬間變成粒子？

難道說，「光子是什么」這一客觀事實，是由我們的觀察（放不放攝像頭）決定的？

難道說，對事物的觀察方式，能夠改變事物本身？

三觀崩塌

在所有人懵逼的時候，還是有極少數(shù)聰明人，勇敢地提出了新的理論： 光子，其實是一種智能極高的外星 AI 機器人。

之所以觀察會導(dǎo)致實驗結(jié)果不同，是因為光子在你做實驗之前就悄悄偵查過了，如果發(fā)現(xiàn)有攝像頭，它就變成粒子形態(tài)；如果發(fā)現(xiàn)是屏幕，就變成波的形態(tài)。

這個理論讓我想起了傳說中的：

難道機器人阿童木真的存在？（「阿童木」是日語「アトム」的發(fā)音直譯，詞語源自英語「Atom」，意即「原子」）

這種扯淡理論居然沒被口水噴死，還要做實驗去驗證它，可見科學(xué)家們已經(jīng)集體懵逼到了什么地步。

第四次實驗： 事先，只有屏幕沒有攝像頭；

我們算好光子穿過縫的時機，等它穿過之后，再以迅雷不及掩耳之勢加上攝像頭。（等效于 1978 年惠勒延遲選擇實驗）

結(jié)果是啥？ 無論加攝像頭的速度有多快，只要最終加上了攝像頭，屏幕上一定是兩道杠；反過來，如果一開始有攝像頭，哪怕在最后一刻秒秒鐘撤掉，屏幕上一定是斑馬線。

回到看球賽的那個例子，就好比：我先閉上眼睛不看電視，等球員完成射門、球飛出去 3 秒鐘后，我突然睜開眼睛，球一定不進(jìn)，百試百靈。

在你沖出門去買足彩之前，我先悄悄提醒你：這種魔咒般的黑科技，目前只能對微觀世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球這樣的大家伙，量子還做不到啊！

請注意，加不加攝像頭，是在光子已經(jīng)穿過雙縫之后再決定的。不管光子在穿縫的時候變成什么形態(tài)，過了縫應(yīng)該就定型了。

既然光子的狀態(tài)在加攝像頭之前就定型了，為什么實驗結(jié)果還是能在最后一刻發(fā)生變化？

難道說，在之后做出的人為選擇（未來），能夠改變之前已經(jīng)發(fā)生的事實（歷史）？

而且，加攝像頭的速度，可以做到非�？欤�40 納秒）。就算光子真的是個狡猾的微型變形金剛，當(dāng)它變成波的形態(tài)穿過雙縫，在最后一刻卻發(fā)現(xiàn)面前是一個攝像頭時，它也來不及再次變身了吧？

「主觀決定客觀」「未來改變歷史」「外星人其實是無處不在的光子」……

好端端一個實驗弄得謠言四起，物理學(xué)家們紛紛感到幾百年來苦心經(jīng)營的科學(xué)體系正在崩塌。

與之一起崩塌的，還有全人類的三觀。

量子魔法時代的大幕，正在徐徐拉開。

為了一只貓的死活，100 年前的天才哲學(xué)家，學(xué)歷最高的足球運動員，撩妹無數(shù)的量子力學(xué)教授……他們都在糾結(jié)個啥？

另一些人，卻恰恰相反——他們做任何事，都是為了糾結(jié)，下面我要說的，就是另一些人的故事。

學(xué)歷最高運動員

1908 年夏天。

丹麥，哥本哈根。

一名足球運動員正在思考自己的前程。

23 歲，是時候做個決定了。比自己小兩歲的弟弟，已經(jīng)成為國奧隊的中場核心。在剛剛結(jié)束的倫敦奧運會上，哈那德·玻爾率丹麥隊 17：1 血洗法國隊，斬獲銀牌創(chuàng)造「丹麥童話」，一夜之間成為家喻戶曉的球星。

而我，作為丹麥最強俱樂部——哥本哈根 AB 隊的主力門將，居然從未入選國家隊，這簡直是一種恥辱。

國家隊大名單里怎能沒有我？

教練說我什么都好，唯一的弱點是喜歡思考人生。

上次和德國米特韋達(dá)隊踢友誼賽，對手竟敢趁我在門框上寫數(shù)學(xué)公式的時候，用一腳遠(yuǎn)射偷襲，打斷我的思路！最后一刻不還是被我的閃電撲救解圍，要是后衛(wèi)早點上去堵槍眼，那場球踢完就可以交作業(yè)了。

是成為世界最偉大的門將，還是成為世界最偉大的物理學(xué)家，這是一個問題，我需要糾結(jié)一下。

第一章里我們講到，100 多年前，為了搞清光子究竟是波還是粒子，科學(xué)家們被一個貌似簡單的「雙縫干涉」實驗弄到集體「精分」。

這個實驗明白無誤地說明，光子既可以是波，也可以是粒子。

至于它到底是什么，取決于你的觀測姿勢。

裝攝像頭觀測光子的位置，它就變成粒子；不裝攝像頭，它就是波！

我們曾經(jīng)天真地以為，無論用什么樣的姿勢看電視直播，都不可能影響球賽結(jié)果，可是在微觀世界中，這個天經(jīng)地義的常識好像并不成立，這就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

但是在玻爾看來，將宏觀世界的經(jīng)驗常識套用到微觀世界的科學(xué)研究上，純屬自尋煩惱。

通過常識，我們可以理解一個光滑小球的物理屬性；但是憑什么斷定，組成這個小球的萬億億億個原子，也一定有著和小球完全相同的屬性？

憑什么在微觀世界中，原子、電子、光子，一定要遵循和宏觀世界同樣的物理法則？

一般人糾結(jié)的問題無非是：量子世界的物理法則為什么這么奇怪啊…… 只有天才，能夠直截了當(dāng)問出關(guān)鍵問題：這些法則是什么？ 嚴(yán)格來說，量子理論是一群人，而不是一個人創(chuàng)立的。但是如果一定要選出一個「量子力學(xué)代言人」的話，我覺得非玻爾莫屬，因為當(dāng)別人糾結(jié)的時候，他第一個想通了。

通過前面那些燒腦的實驗，玻爾總結(jié)了量子世界的三大基本原則：

態(tài)疊加原理

在量子世界，一切事物可以同時處于不同的狀態(tài)（疊加態(tài)），各種可能性并存。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。這種人類無法想象的疊加態(tài)，才是最普通不過的本質(zhì)形態(tài)；而在我們看來「正�！沟姆呛诩窗�，才是一種特例。

測不準(zhǔn)原理

疊加態(tài)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(yuǎn)測不準(zhǔn)！這并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(guī)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(yuǎn)看不到一個既左且右、又黑又白的量子物體。只要進(jìn)行觀測，必然看到一個確定無疑的結(jié)果。至于到底看到哪個態(tài)則是隨機的，其概率高低取決于疊加態(tài)中哪個態(tài)的成分居多。

這樣一來，實驗解釋起來就輕松多了：

「雙縫干涉」實驗的官方解釋：

沒裝攝像頭：光子在未觀測的情況下處于「多種可能性并存」的疊加態(tài)，以 50% 的概率同時通過了左縫和右縫，形成干涉條紋； 裝上攝像頭：光子被觀測后只能處于一個態(tài)，不能神奇地同時穿雙縫了，所以干涉條紋就消失了。 這就是目前量子力學(xué)教科書上的正統(tǒng)理論：哥本哈根解釋。

終于，一切都有了答案。

有了答案嗎？

因為完美解釋了雙縫干涉等靈異現(xiàn)象，玻爾一（四）夜（面）成（樹）名（敵）。 但小伙伴們卻紛紛表示：這個理論不僅反直覺反人類，而且 bug 點很多! 比如，沒有觀測時，光子是混沌中的疊加態(tài)；觀測的一瞬間，光子就變成了單一的確定態(tài)，請問兩種態(tài)是怎樣無縫切換的？ 按照玻爾的說法，觀測的一瞬間，光子就隨機蛻變成多種可能中的一種，還把這個過程取名叫 「塌縮」 。具體怎么個塌法，玻爾自己也說不清。

再比如，既然觸發(fā)「塌縮」的前提是「觀測」，那么誰能夠成為合格的觀察者呢？ 科學(xué)家、人類、一切生命體、還是包括人工智能在內(nèi)的任何智慧形態(tài)？ 眾說紛紜之際，給玻爾帶來致命一擊的，是一只貓。

一只貓的拷問

10 年前，正是薛老師親手寫下了量子波動方程，與矩陣力學(xué)、路徑積分一起，被后人并稱為量子力學(xué)的三大基石。

10 年后的 1935 年，對「哥本哈根解釋」的群起而攻之，薛老師打響了第一槍。 當(dāng)時，幾乎所有人覺得「疊加態(tài)」是個純屬幻想的玩意兒，卻沒人能真正駁倒玻爾和他的哥本哈根學(xué)派。 因為，「態(tài)疊加」「測不準(zhǔn)」「觀察者」無論這三大原理違和感多么強，都被玻爾視作量子世界不可挑戰(zhàn)的公理。所謂公理，就像「兩點之間有且只有一條直線」，或者牛頓力學(xué)三定律一樣，是無法、也無須證明的宇宙基本大法。

在玻爾看來，物理學(xué)家的任務(wù)是透過現(xiàn)象找規(guī)律，而不是去質(zhì)問上帝：你為什么要把宇宙設(shè)計成這樣子？ 而且，憑什么微觀世界的宇宙法則，一定要和宏觀世界的生活經(jīng)驗相符呢？ 無懈可擊的玻爾之盾，也只有金槍不倒的薛定諤之矛能夠與之一戰(zhàn)。

「薛定諤的貓」就是薛老師用來挑戰(zhàn)玻爾的頭腦實驗（以下實驗純屬想象、推理，沒有任何無辜的貓因此而被害）。 把一只貓關(guān)在封閉的箱子里。

和貓同處一室的還有個自動化裝置，內(nèi)含一個放射性原子：如果原子核衰變，就會激發(fā)α射線->射線觸發(fā)開關(guān)->開關(guān)啟動錘子->錘子落下->打破毒藥瓶，于是貓當(dāng)場斃命。 在這個邪惡的連環(huán)機關(guān)中，貓的死活直接取決于原子是否衰變；然而，具體什么時候衰變是無法精確預(yù)測的隨機事件。

只要不打開盒子看，我們就永遠(yuǎn)沒法確定，貓此時此刻到底是死是活。

刑具準(zhǔn)備完畢，現(xiàn)在，薛老師對玻爾的拷問開始：

1. 原子啊、衰變啊、射線啊，這些都屬于你們整天研究的「微觀世界」，自然得符合量子三大定律，沒錯吧？

2. 按照玻爾你自己的說法，在沒打開盒子觀測之前，這個原子處于「衰變」+「沒衰變」的疊加態(tài)，沒錯吧？

3. 既然貓的死活取決于原子是否衰變，而原子又處于「衰/不衰」的疊加態(tài)，那是不是意味著，貓也處在「死/沒死」的疊加態(tài)？

原子衰變 = 死貓；原子沒衰變 = 活貓；疊加態(tài)原子 = 疊加態(tài)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」成一只死貓或者活貓？

薛老師的邏輯，其實就是反證法：以子之矛，攻子之盾。先假裝你是完全正確的，然后順著你的說法推理啊，直到推出一個荒謬透頂?shù)慕Y(jié)論——那只能說明你從一開始就錯了！

至于為什么要放進(jìn)一只貓，這又是薛老師的高明之處。 以前大家研究原子、光子，總覺得那是與日常完全不同的另一個世界；無論量子多么詭異，我們總可以安慰自己說：微觀世界的規(guī)律，不一定適用于宏觀物體。 科學(xué)家們做完燒腦的實驗，還能回歸老婆孩子熱炕頭的正常生活。 現(xiàn)在，薛老師把微觀的粒子和宏觀的貓綁在一起，要么你承認(rèn)疊加態(tài)什么的都是不切實際的胡思亂想，要么你承認(rèn)貓是不死不活的疊加態(tài)——別糾結(jié)，二選一。

連三歲小孩都知道，如果打開箱子看到一只死貓，那說明貓早就死了，而不是開箱的瞬間才死的——只不過它被毒死的時候，你裝作沒聽到慘叫聲而已。

你的理論告訴我們，貓在被觀測前是不死不活的；那么，如果把你關(guān)進(jìn)一個密室，你不也變成不死不活了嗎？或者，在密室中的你看來，全世界的人都是不死不活的僵尸態(tài)？還是說，地球和太陽是否存在，都變成不確定的了？ 薛老師的貓，本意是想讓玻爾下不了臺，萬萬沒想到，這只貓卻引發(fā)了唯心、唯物主義的大辯論。 哲學(xué)家們突然發(fā)現(xiàn)，終于有機會以專家的身份，來對科學(xué)界說三道四了。

「我思故我在」的誤會

400 年前，一個法國大叔的思考，奠定了唯心主義哲學(xué)的核心思想。 假設(shè)世間一切都是幻覺，所謂人生，也許只是我們的大腦在黑客帝國的 AI 里做的一個夢，說不定身體正插滿管子泡在培養(yǎng)皿中。

那么問題來了：如果一切都可能是幻覺，那么，還有沒有絕對不是幻覺的東西呢？

有。

唯一不可能是幻覺的，只有「我們正在思考世界是不是幻覺」這件事。

我在思考，至少說明我還是個東西。

其實，唯心主義并不是「我想要什么存在它就存在」，而是「只有我的意識（心）無可置疑，世界卻可能是幻覺」。所以，如果你認(rèn)真看那些唯心主義哲學(xué)大師的著作，會發(fā)現(xiàn)他們的邏輯嚴(yán)密得令人發(fā)指。

而唯物主義者的觀點則是「我在故我思」：世界肯定不是幻覺，不過每個人都把自己版本的幻覺當(dāng)作客觀世界的真相。但是，到底哪一個世界觀才對呢？

由于唯物主義者無法證明這個世界一定不可能是黑客帝國，而唯心主義者也拿不出這個世界一定就是黑客帝國的確鑿證據(jù)，所以誰也無法說服對方。

直到唯心主義者們聽說了量子力學(xué)。

這么說來，主張「心外無物」的明代哲學(xué)家王陽明，早在 500 年前就發(fā)明了量子力學(xué)！

王陽明與友人同游南鎮(zhèn)，友人問曰：

「天下無心外之物，如此花樹，在深山中自開自落，于我心亦何相關(guān)？」

先生答曰：

「你未看此花時，此花與汝心同歸于寂，你來看此花時，則此花顏色一時明白起來，便知此花不在你的心外�！�

唯心所現(xiàn)，唯識所變。

未看此花時，花的存在是不確定的疊加態(tài)；起心動念的一剎，花才會從不確定態(tài)「塌縮」為確定態(tài)，你觀察的世界因此呈現(xiàn)。

意識與物質(zhì)互為因果，無法割裂。量子力學(xué)的「觀測導(dǎo)致塌縮」就是唯心主義的鐵證！ 然而，很多人至今都不知道「意識決定觀測結(jié)果」這個名聲在外的量子黑科技，其實是道聽途說導(dǎo)致的誤會。 回到雙縫干涉實驗，如果科學(xué)家故意不觀測實驗結(jié)果，而是用機器自動記錄；去掉人類的「意識」干擾，是不是量子態(tài)就不會塌縮了？

再比如，做實驗時突然飛過一只蒼蠅，在它的 N 只復(fù)眼注視下，光子的疊加態(tài)會因此而塌縮嗎？（你以為蒼蠅就沒有意識嗎？）

結(jié)果，根本沒有任何影響！

屏幕結(jié)果是代表波動的斑馬線還是代表粒子的兩道杠，只與實驗設(shè)備的設(shè)置有關(guān)，和誰來觀測、是否觀測無關(guān)。 只要實驗中雙縫全開，哪怕有一億雙眼睛盯著，看見的仍然是未塌縮的疊加態(tài)光子產(chǎn)生的干涉條紋。 現(xiàn)在看來，比玻爾那句毀人不倦的「觀察導(dǎo)致塌縮」更準(zhǔn)確的表述是：

只要微觀粒子處于「可能被精確測量」的環(huán)境下，它就會自動塌縮，并不需要等待「觀察者」就位。

所以歸根到底，量子實驗仍然是不以主觀意志為轉(zhuǎn)移的。

眼見為實？

只不過，我們無法精確測量，只能用概率分布來計算這個客觀世界，那么，薛定諤的貓真的存在嗎？ 一開始，包括薛老師和玻爾本人在內(nèi)，沒有人相信世界上真會有不死不活、既死又活的貓。 可是不久之后，科學(xué)家們驚恐地發(fā)現(xiàn)，這件看似顯然的事，居然沒法證偽（證明貓不是疊加態(tài)）。

按理說，貓到底是不是疊加態(tài)，做個實驗不就明白了？ 可惜，這個實驗至今做不出來——畢竟，我們沒法讓貓產(chǎn)生干涉條紋��！ 證偽不行，證實的方法倒是有一個：把這只貓造出來。 令人細(xì)思恐極的是，我們已經(jīng)做到了。

1996 年，美國人夢露（男）用單個鈹離子制成「薛定諤貓態(tài)」并拍下了快照，發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個位置處于自旋向上的狀態(tài)，而同時又在第二個位置自旋向下，而這兩個狀態(tài)相距 80 納米之遙！

這是人類有史以來第一次，親眼「看」到活生生的量子疊加現(xiàn)象。 不過，這畢竟只是單個離子，和貓相比還差了十萬八千里啊！ 2004 年，潘建偉團隊首次實現(xiàn)了多光子的薛定諤貓態(tài)。雖然這只貓的身材依舊苗條——渾身上下只有 5 個光子，但還是令玻爾的追隨者信心大增。

這說明，從單個微觀粒子到嚴(yán)格意義上的薛貓（宏觀量子疊加態(tài)），也許只是量變而非質(zhì)變，它被親切地稱為：薛定諤的小貓。 如果繼續(xù)增加粒子數(shù)量，是不是能把小貓慢慢喂肥成大貓呢？

然而，現(xiàn)實很殘酷：目前「薛貓」的最高紀(jì)錄，仍然是潘建偉 2012 年實現(xiàn)的 8 光子疊加態(tài)。要知道，為了增加區(qū)區(qū) 3 個光子，實驗用了整整 8 年時間�？上攵�，要讓貓身上億個原子同時處于量子疊加態(tài)，絕非易事。

在樂觀者看來，這不過是暫時的技術(shù)困難，假以時日遲早會攻克；但也有人認(rèn)為，量子世界與宏觀世界之間存在著一道天然的結(jié)界，像貓一樣大的宏觀疊加態(tài)，也許是這個宇宙明令禁止的。

有朝一日，能不能造出一只眼見為實的大薛貓，至少現(xiàn)在，我們還不知道。 但是我們已經(jīng)知道：即使是小貓，也蘊含著無比驚人的能量。

1935 年，薛老師很忙。 除了 N 多前女友和養(yǎng)貓以外，薛老師發(fā)現(xiàn)了量子的另一個詭異之處，而當(dāng)時幾乎沒有人注意到這個問題。 為了研究微觀世界，看看原子核這個大西瓜肚子里都有些什么籽兒，科學(xué)家祭出了最強大的武器：粒子對撞機。 歐核中心（CERN）的加速器就是干這個的：

最常見的現(xiàn)象是：母粒子被撞擊后，分裂成兩個更小的粒子 A 和 B。

因為能量守恒原理，子粒子能量相同，方向相反。比如說，因為母粒子靜止不動，所以分裂后的子粒子 A 向左邊飛，B 一定往右邊飛，這樣才能左右抵消。同理，A 的自旋（角動量）向上，B 的自旋一定向下。 至于具體是向上還是向下，這是個隨機事件，必須觀測后才能知道。

那么問題來了：根據(jù)量子理論，在不被觀測的情況下，粒子處于多種可能性的疊加態(tài)。

舉個例子。 就像箱子里那只不死不活的薛定諤的貓一樣：A 和 B 這對龍鳳胎粒子，自打出娘胎起，他們的性別就沒確定，直到有人來看了一眼，這才瞬間分出男女！

然而和薛貓不同的是，箱子里的貓只有一只，孿生粒子卻有兩個。而且，這兩個粒子即使相隔很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，疊加態(tài)也能保持不變。如同在千里之外，瞬間產(chǎn)生聯(lián)系……

是時候@愛因斯坦了。

來自幽靈的威脅

大家都知道愛因斯坦創(chuàng)立了相對論。但很少有人知道，大神在 35 歲就已經(jīng)功成名就（完成狹義+廣義相對論），而在之后 40 年的悠長歲月里，他其實都在糾結(jié)一件事：量子力學(xué)。 曾經(jīng)，他也是一個集美貌與才華于一身的男子：

研究量子力學(xué) 30 年之后：

能讓愛因斯坦這種大神級人物「不明白」的，不是深奧的理論和復(fù)雜的公式，而是宇宙的意義。 愛因斯坦深信，宇宙在本質(zhì)上是高度和諧的，這種和諧是可以通過數(shù)學(xué)之美體現(xiàn)出來的。 所以，一個理論如果不美，倒不是說一定是錯的，但它肯定不夠本質(zhì)。 在更高的層面上，和諧，比對錯更重要。而量子力學(xué)，在愛因斯坦看來，就是一種不和諧（不完備）的理論。

比如，量子力學(xué)的核心思想是：

微觀世界的一切只能用概率統(tǒng)計來表達(dá)，而具體到單個的粒子，它的狀態(tài)是不確定的疊加態(tài)。把這個粒子放大 N 億倍，就成了薛定諤的貓。

這是第一個讓愛因斯坦不爽的地方：量子力學(xué)否認(rèn)了物質(zhì)的實在性。 愛因斯坦認(rèn)為，根本不存在薛定諤思想實驗中那只不死不活的疊加態(tài)的貓。貓的死活在觀測之前就是定數(shù)，只不過愚蠢的人類看不見箱子里發(fā)生的一切，只能推測出「50% 活 or 50% 死」的概率。 你是不是突然有一種，和愛因斯坦英雄所見略同的感覺？

打個不太恰當(dāng)?shù)谋确剑ńo量子打個恰當(dāng)?shù)谋确秸娴暮秒y�。� 比如，我在知乎的粉絲男女比例是 80:20。 我相信，每個關(guān)注我的知友，一定都對自己的性別深信不疑。 然而，那些發(fā)明量子力學(xué)的瘋狂科學(xué)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！

因為只有這樣我才能解釋，為什么線下活動時見面的都是男生，而索要福利的都是女生。至于女生為什么沒來，可能是出于一些很簡單的原因，比如當(dāng)天身體不舒服。 僅僅因為我們不知道背后的原因，就認(rèn)為人的性別是可以按一定概率隨機改變的，純屬不切實際的猜想。

這個「背后隱藏的原因」，學(xué)名叫作 「隱變量」 。

當(dāng)時包括愛因斯坦在內(nèi)的很多人都以為，一旦我們揪出了隱變量，量子力學(xué)那些混沌不清的陰暗角落，就會被照亮得一覽無余。 一個不擲骰子的上帝，一個確定無疑的世界，一個可以被人類的直覺完全理解的宇宙——這就是愛因斯坦的終極夢想。到那時，「薛定諤的貓」之類的奇幻故事，只能給孫子當(dāng)哈利波特講了。

結(jié)果，貓的故事還沒講完，薛老師又想了一出「孿生粒子疊加態(tài)」，第二次觸怒了愛因斯坦大神。 因為這一次，量子力學(xué)要挑戰(zhàn)的是相對論。 研究微觀小世界的量子力學(xué)，怎么會和研究宏觀大宇宙的相對論結(jié)下梁子呢？ 這又是薛老師「一不小心」捅下的簍子。 在薛定諤「孿生粒子」的思想實驗中，兩個相距萬里的粒子，觀測出 A 的狀態(tài)，也就知道 B 的狀態(tài)，因為 A 和 B 都是一個母粒子分裂而成的，B 的狀態(tài)一定和 A 相反 。

因為 A、B 兩個粒子的 命運緊密相連 ，牽一發(fā)而動全身，所以薛老師給起了個性感的名字： 量子糾纏 。 這就好比如：母親把一雙鞋分給兄弟倆，他們各帶一只遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)。中國的哥哥打開盒子發(fā)現(xiàn)是左腳，就知道弟弟帶到美國的另一只一定是右腳。

看上去，這并沒有什么稀奇。

稀奇的是，根據(jù)量子力學(xué)的說法，弟弟那只鞋左還是右，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，鞋里飛出一個神秘的信號，閃電般穿過千山萬水，通知美國的另一只鞋變成右腳！

這個速度能有多快？

無限快。

但是，上帝允許無限快的瞬時傳送嗎？ 在這個宇宙中，沒有東西能超過真空光速。不要說超過光速，就是試圖接近光速的行為，都會導(dǎo)致時空的畸變。

宇宙的尺度是以「億光年」為單位計的，在恢宏的空間中，銀河系一邊發(fā)生的任何事情，不可能立即對彼岸的世界造成影響。 就算此時此刻太陽爆炸了，我們還能逍遙自在地活 8 分鐘，因為 8 分鐘后，光才來得及從太陽飛到地球。 通過對粒子 A 的觀測，居然瞬間讓遠(yuǎn)方的粒子 B 的量子疊加態(tài)塌縮了——這被愛因斯坦斥為「幽靈般的超距作用」。

在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)界，「幽靈」是一個讓人聯(lián)想起偽科學(xué)的詞。不存在超光速，更不存在超距作用，因為這是相對論的大前提：局域性。如果量子糾纏允許超光速，那么，是量子力學(xué)錯了，還是已經(jīng)被無數(shù)次實驗證實的相對論錯了？

在愛因斯坦看來，這壓根不是個問題。 一雙鞋，倆兄弟當(dāng)時分到的就是哥左弟右；兩個粒子，在分裂的一瞬間 A、B 的狀態(tài)就是確定的。塵埃落定之后，你愛怎么觀察就怎么觀察，為什么要信量子力學(xué)那一套「觀察決定實驗」的鬼話？ 只可惜，在量子面前，人類的直覺和常識又一次大錯特錯。

終極黑客：約翰·貝爾

超距作用（量子）vs 局域性（愛因斯坦），人們曾經(jīng)以為，這是個永遠(yuǎn)不會有答案的問題。 因為如果做實驗驗證，這兩者根本沒法區(qū)分啊！ 比方說，先制備一對所謂的糾纏態(tài)粒子，然后一個運到北京，一個放在上海。我先測量到上海的 A 粒子自旋向上，然后打電話去問北京的同事：哥們，你那邊測下 B 是什么態(tài)？ 100% 是自旋向下！

愛因斯坦和量子理論都預(yù)言，B 的自旋一定和 A 相反。 也就是說，僅憑測量是不可能區(qū)分兩種說法誰對誰錯的，這就好比兩個人都賭同一個球隊贏，如何分勝負(fù)呢？但是不測量，又怎么可能知道它在測量之前是什么？ 顯然，這個問題無解。

30 年過去，愛因斯坦、玻爾、薛定諤等一代宗師已經(jīng)成為逝去的傳奇，然而還是沒有人認(rèn)真思考過這個問題。

也許這就是為什么，做出這個近代物理學(xué)最重要的大發(fā)現(xiàn)的人，不是某位著名的教授，而是一位當(dāng)時還默默無聞的工程師，也難怪當(dāng)他投稿之后，文章居然被雜志編輯「不小心」弄丟了，拖了一兩年才發(fā)表。

約翰·貝爾，36 歲提出「貝爾不等式」，歐核中心（CERN）加速器設(shè)計工程師，愛因斯坦的粉，業(yè)余愛好是研究量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論。

我一直覺得，貝爾不像個正統(tǒng)科學(xué)家，更像個「物理學(xué)黑客」。雖然和計算機黑客相比，他破解的是原子而非比特；但是，論及思維之獨特、技巧之高超、發(fā)現(xiàn)漏洞之敏銳，則是有過之而無不及。

眾所周知，粒子 A 的自旋一定和 B 相反；但貝爾發(fā)現(xiàn)，所有人都忽略了一件事：自旋在三維空間是有 3 個分量的。

A 在 X 軸的自旋分量（Ax）如果向上，B 在 X 軸的自旋（Bx）一定向下，但是 B 在 Y 軸和 Z 軸上的自旋（By、Bz）呢？ 如果愛因斯坦的局域性理論是對的，By、Bz 應(yīng)該和 Ax 一毛錢關(guān)系沒有，但是用量子力學(xué)算出來的結(jié)果，卻有著微妙的區(qū)別：在某些情況下，By、Bz 和 Ax 之間竟存在著微弱的關(guān)聯(lián)！

其他科學(xué)家們看到「貝爾不等式」先是嗤之以鼻，接著目瞪口呆，最后是深深的悔恨。這個深藏 30 年的宇宙級 bug，就這樣被貝爾這位工程師挖了出來。 貝爾不等式的誕生，宣告了量子局域性之爭，從哲學(xué)思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學(xué)理論。

20 年后（1982），法國人阿茲派克特（Aspect）第一個成功驗證了貝爾不等式，結(jié)論：

萬萬沒想到，實驗結(jié)果揭曉之后，最高興不起來的居然是貝爾本人。原來貝爾是愛因斯坦的忠實信徒，人家下班不約會而去搞不等式的目的，就是為了證明量子力學(xué)錯了！ 之后，貝爾花了大半輩子的時間，試圖找出實驗的漏洞，直到去世之前還在思考如何修正局域性理論。 當(dāng)然，這一切并沒有什么用。

從阿茲派克特實驗至今 30 多年，人們在光子、原子、離子、超導(dǎo)比特、固態(tài)量子比特等許多系統(tǒng)中都驗證了貝爾不等式，所有的實驗無一例外，全部支持量子理論。 如今，除了層出不窮的民科，已經(jīng)沒有人懷疑量子世界的奇異和真實。但很多人還是忍不住會想，貝爾不等式什么的還是太抽象了，能不能親眼見證量子糾纏的魔力呢？

幽靈成像實驗

比起喜歡用數(shù)學(xué)公式講道理的貝爾，搞量子光學(xué)的史硯華可就實在多了。 我覺得，史教授 2008 年發(fā)明的「幽靈成像」，應(yīng)該是證明量子糾纏絕非幻想的最直觀的實驗。 請認(rèn)真看下圖：

幽靈成像的原理通俗易懂：先把紅光子和藍(lán)光子「糾纏」到一起，然后兩者分開各走各路。紅光穿過狹縫打出一定形狀的圖案，藍(lán)光不穿縫正常走。 實驗結(jié)果絕對震撼：明明沒有穿過狹縫的藍(lán)光，竟然也投射出了與紅光相同形狀的圖像！ 如果這個實驗?zāi)軌蛟?70 年做出來，我真想看看愛因斯坦的表情。

這次，你總不能說：光子在糾纏之前就已經(jīng)是那個形狀了吧！ 穿縫還是不穿縫，顯然是在光子出發(fā)后才決定的。發(fā)生在紅光子身上的所有事，藍(lán)光子也會分毫不差地經(jīng)歷一遍。這樣看來，僅僅把量子糾纏比作龍鳳胎還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他們出生時珠聯(lián)璧合，長大成人之后仍然是生死與共！而且，通過改變紅光那邊狹縫的形狀，想讓藍(lán)光打出什么樣的圖案都可以。

這就意味著，我們可以遠(yuǎn)程發(fā)送圖像甚至視頻，而無論距離多遠(yuǎn)、哪怕從宇宙的另一端傳過來都是瞬時傳輸?shù)模舆t時間永遠(yuǎn)為 0。 然而，這豈不是違反相對論（任何信息和物質(zhì)不能超過光速）的公理了嗎？ 并沒有！ 雖然信息是瞬時傳送過來了，但要把其中的亂碼剔除，提取出真正的內(nèi)容，還是必須把圖像用不超光速的傳統(tǒng)方式再發(fā)一遍。讓愛因斯坦操碎了心的「超光速」問題，原來只是杞人憂天！

大自然就是如此微妙。

宇宙的規(guī)則也許看似奇怪，內(nèi)在卻有著驚人的自洽性。 我們只能說相對論和量子力學(xué)之間存在著理論上的矛盾，但從來沒發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律本身有自相矛盾的地方。 如果把宇宙看作一個產(chǎn)品，最令人細(xì)思恐極的是：無論狡猾的人類搗鼓出多么刁鉆古怪的實驗，這個同時在線用戶數(shù)高達(dá) 10^80（1 后面跟 80 個 0）的產(chǎn)品卻從來不會被搞出 bug。

如果宇宙真有一個產(chǎn)品經(jīng)理的話，請收下我卑微的膝蓋，順便想問一個問題是：為什么您的宇宙中會有量子糾纏呢？

量子糾纏背后的秘密

100 年前，量子力學(xué)的祖師爺玻爾說： 如果誰沒有被量子力學(xué)驚到，那他肯定不懂量子力學(xué)。 愛因斯坦：我思考量子力學(xué)的時間百倍于廣義相對論，但依然不明白。 造出第一顆原子彈的費曼更直接： 沒有人懂量子力學(xué)！ 學(xué)了 100 多年的量子力學(xué)，今天，我們懂了嗎？

墨子號首席科學(xué)家、中國量子通信第一人潘建偉說：「如果能搞清楚為什么有量子糾纏，我可以現(xiàn)在去死」，接著潘老師又說：「但是現(xiàn)在還沒搞清楚，所以我想活得長一點……」

考慮到潘院士今年才 51 歲，這句話似乎暗示著，我們在 50 年后都不一定能搞懂量子了。

這些牛人說的「不懂」，可不是小學(xué)生學(xué)不會四則運算的那種「不懂」。我們已經(jīng)搞清了微觀世界的所有基本規(guī)則，建立了強大的數(shù)學(xué)模型，算出來的理論預(yù)測和實驗結(jié)果分毫不差，但我們還只是一個拿到使用說明書的孩子，對于其意義和目的一無所知，莫名地好委屈。

然而現(xiàn)在，越來越多的線索顯示，量子糾纏的背后，可能隱藏著一個巨大的秘密。

2013 年，Maldancena 和 Susskind 發(fā)現(xiàn)，量子糾纏和蟲洞（蟲洞即愛因斯坦·羅森橋）在數(shù)學(xué)模型上非常相似。他們猜想，量子糾纏也許就是一個微型蟲洞。 量子糾纏中最神秘的現(xiàn)象「超距作用」其實并沒有超越光速，而是像蟲洞那樣穿越了時空。這就是為什么，孿生粒子能夠異地千里，同呼吸、共命運的真正原因。 請認(rèn)真看下圖：

而在 2010 年 Van Raamsdonk 的獨立研究中，發(fā)現(xiàn)了更為驚人的線索。 他建立了一個類似真實宇宙的三維宇宙模型，一旦在模型中去掉量子糾纏，時間和空間就會被打亂成碎片。 正是無處不在的量子糾纏，像建筑物的鋼筋結(jié)構(gòu)件一樣，把本應(yīng)支離破碎的時空編織成了一個整體。 請認(rèn)真看下圖：

在有進(jìn)一步的實驗證據(jù)之前，我們無法評價這些猜想有多靠譜。但是令理論物理學(xué)家們心跳加速的是，各條獨立的線索似乎指向著同一個寶藏。找到它，發(fā)現(xiàn)量子糾纏真正的秘密，就有可能理解在開天辟地、宇宙洪荒的大爆炸時刻，宇宙是怎樣被建造出來的。

為了傳說中的 One Piece，越來越多身懷絕技的人踏上了量子時代的大航海之路。 有人說：哲學(xué)家們總是用各種方式解釋世界，但問題在于改變世界。其實，科學(xué)和文明的高度，取決于我們對于世界理解的深度。 通過認(rèn)識和理解世界，猿人把手中的石塊換成了自然規(guī)律，擁有了改天換日的力量。當(dāng)一群不食人間煙火的理工男在實驗室熱烈地爭論原子模型時，誰能想到，30 年后廣島在火海中的哭喊？

自從 1900 年普朗克發(fā)明「Quantum」這個單詞至今，量子終于從哲學(xué)辯論會的題材，變成了魔法般的黑科技。 基于量子糾纏，可以造出比現(xiàn)在快 1 億倍的量子計算機，而超距作用和貝爾不等式，則把量子糾纏變成了加密通信領(lǐng)域的終極武器。

改變世界的時刻真的到了！

公元前 54 年，深冬。 高盧，畢布拉克德。 羅馬共和國高盧行省長——尤里烏斯·愷撒，借著帳篷里的燭火，正在一張羊皮上寫著什么。 戰(zhàn)況緊急！ 愷撒的愛將西塞羅，突然遭到維爾納人的圍攻。 現(xiàn)在，必須立刻派一名騎兵送信給西塞羅，命令他重整旗鼓，兩軍合力突圍。 可是，萬一這封信被敵人截獲怎么辦？ 想到這里，他不由自主地停下了筆，棱角分明的臉上，分明掠過一絲狡猾的微笑……

愷撒大帝、福爾摩斯與密碼學(xué)

作為羅馬的第一位獨裁者，愷撒大帝還有一個鮮為人知的技能點：

其實，大帝不是歷史上第一個想出加密算法的人。據(jù)說，我朝的姜子牙在 3000 年前，就發(fā)明了古裝版密碼本「陰書」。

但愷撒密碼，卻很有可能是首個廣泛運用到軍事通信領(lǐng)域的加密技術(shù)。 愷撒密碼的原理，說白了就是一個字： 替換 ！ 如果心里想的是字母 A，紙上就寫 B；要寫 B，就用 C 代替。當(dāng)然，我也可以用 D 替換 A，用 E 替換 B，以此類推（偏移 3 個字母）。

只要收發(fā)雙方都知道偏移量是幾，就能輕松加密和解密；而外人看到的無非是一堆亂碼。 這就讓上課傳小紙條，有了新招數(shù)！心里想（明文）：I love U，老師看到（密文）：L oryh X。 在今天看來，這種算法極易破解，毫無技術(shù)含量可言。但在當(dāng)年的羅馬戰(zhàn)場，這就是令吃瓜群眾望而生畏的黑科技！ 在愷撒制霸羅馬的全盛時期，就連教主耶穌都不得不服： 上帝的歸上帝，愷撒的歸愷撒。

然而諷刺的是，這樣一位狂拽酷炫屌炸天、還精通密碼諜戰(zhàn)的軍事天才，卻死于一場密謀政變，生生被戳了 23 刀。為了紀(jì)念大帝，人們把愷撒制成了撲克牌上的標(biāo)本：方塊 K。

又過了一千多年，愷撒大帝和他的羅馬帝國早已灰飛煙滅，愷撒密碼和撲克卻被后人發(fā)揚光大。 原版的愷撒密碼，是用字母替換字母，而且所有字母還是按照偏移量順序替換的，極大地降低了破解難度。到了維多利亞時代，這兩個弱點終于被改進(jìn)。于是，連福爾摩斯逮到的一個普通黑幫小弟，都學(xué)會原創(chuàng)這樣的密碼了：

我們來看，傳說中的卷福，是怎樣破解這種圖形密碼的。 在英文字母中 E 最常見。第一張紙條上的 15 個小人，其中有 4 個完全一樣，因此猜它是 E。

這些圖形中，有的帶小旗，有的沒有小旗。從小旗的分布來看，帶旗的圖形可能是用來把這個句子分成一個個單詞。 現(xiàn)在最難的問題來了。 因為，除了 E 以外，英文字母出現(xiàn)次數(shù)的順序并不很清楚，要是把每一種組合都試一遍，那會是一項繁瑣且無止境的工作。 根據(jù)似乎只有一個單詞的一句話，我找出了第 2 個和第 4 個都是 E。

這個單詞可能是 sever（切斷），也可能是 lever（杠桿），或者 never（決不）。

毫無疑問，使用 never 這個詞來回答一項請求的可能性極大，所以其他三個小人分別代表 N、V 和 R。 如此這般以此類推，福爾摩斯利用上（主）下（角）文（光）逐（環(huán)）個（的）擊（加）破（持），分分鐘破譯了全部 52 個密文：

不過，所有基于替換法的加密算法，都有一個致命的弱點：因為凡是用字母構(gòu)成的文字，其字母分布都要符合語言規(guī)律，比如英文單詞中 E 最常見，Z 和 X 最罕見，無論把字母替換成多么奇葩的東西，符號的分布規(guī)律永遠(yuǎn)不會變，用概率統(tǒng)計+窮舉法+玩填字游戲的基本技巧，任何密文的破解只是時間問題。

就當(dāng)小伙伴們都以為愷撒密碼的發(fā)展已經(jīng)走到頭的時候，德國人謝爾比烏斯卻給替換式密碼來了一次大升級，造就了有史以來最可靠的加密系統(tǒng)，一度令盟軍絕望的噩夢，讓希特勒成也蕭何敗也蕭何的二戰(zhàn)諜報神器——英格瑪密碼機，又叫恩尼格瑪密碼機（ENIGMA）。

二戰(zhàn)諜報神器跌落神壇

英格瑪（Enigma）密碼機牛在哪里？

1．機器加密

這是世界首臺全自動的加密機器，而此前編碼、譯碼一直靠人力。 我國由于國情原因，直到 20 世紀(jì) 80 年代還在用鉛筆+紙的人肉編碼方法。 用機器的好處不僅是省力，而且，可以輕松搞定人力難以企及的復(fù)雜算法。

2．復(fù)式替換

雖然基礎(chǔ)原理和愷撒密碼相同，但英格瑪?shù)淖址鎿Q方式卻高級了不止一個檔次：復(fù)式替換。 也就是說，如果你連打 3 個 A，愷撒密碼的密文可能是 DDD，但英格瑪?shù)拿芪膮s可能是 BDA。 英格瑪?shù)纳衿嬷幵谟凇皋D(zhuǎn)子」，它通過轉(zhuǎn)動的方式實時改變替換方式，每敲一個字所用的替換方式都不同，這讓依賴頻率分析、概率統(tǒng)計的破解方法從此無的放矢。

原版的英格瑪密碼機只有一個轉(zhuǎn)子，二戰(zhàn)時期德軍為了萬無一失，把轉(zhuǎn)子加到了 3 個。

每個轉(zhuǎn)子都有獨立的設(shè)置，3 個轉(zhuǎn)子所有可能的設(shè)置，高達(dá) 105654 種組合！這樣一來，連窮舉法暴力破解的一線希望都斷了念想。 正因為英格瑪在當(dāng)時太過逆天，以至于德軍從此高枕無憂，以為盟軍這輩子也別想破解了。 他們說得沒錯。單憑人力，是不可能干過英格瑪密碼機的。能夠破解這臺機器的，只能是另一臺機器，一臺算力更強大的機器。

馬拉松運動員同志阿蘭·圖靈 1941 年發(fā)明的機器解碼，用傳統(tǒng)的頻率分析+機器暴力窮舉干掉了英格瑪，從此軍情六處把德軍的情報兜了個底朝天。直到盟軍諾曼底登陸，德國人還沒有反應(yīng)過來，他們正是被自己的傳家寶坑死的。

而圖靈的這臺機器，就是世界上第一臺計算機。 在計算機時代，復(fù)式替換加密從此跌落神壇、萬劫不復(fù)。 而且實戰(zhàn)中還發(fā)現(xiàn)，有時最容易攻破的反而不是算法，而是人。 只要搞定那個掌握密碼本的人，一切密鑰都不攻自破。

全民加密：RSA 技術(shù)

顯然，擁有密碼本的人越少越好。 但問題是 How？ 曾經(jīng)，這是個無解的難題。 道理很簡單：密碼本必須人手一本，否則臥底同志們還拿什么來加密通信呢？

歷史告訴我們，當(dāng)所有人都認(rèn)為無解的時候，換個思路，往往就是柳暗花明、醍醐灌頂?shù)臅r刻。 傳統(tǒng)的密碼學(xué)中，無論采用何種加密算法，都默默地遵循著一個思維定式：加密和解密是互逆的，也就是說，只要知道如何加密，就一定知道如何解密，反之亦然。

這被稱為「對稱加密」。

而世間還有一種「非對稱加密」（RSA）：我可以把加密方法公開給全世界（公鑰），但解密算法（私鑰）只有我一個人知道，就算你知道如何加密，也不可能據(jù)此推出如何解密。 RSA 為什么能做到「知道加密算法也推不出解密算法」？

這基于一個數(shù)學(xué)事實：將兩個大素數(shù)相乘十分容易，但對乘積因式分解、還原成兩個素數(shù)卻極其困難，而且數(shù)字越大，困難級別指數(shù)上升。 解密靠的是私鑰，而破解私鑰的唯一方法是猜出公鑰是哪兩個數(shù)字的乘積，因此，把大數(shù)乘積作為公鑰公開是非常安全的。

舉個例子：

37×97=3589 小學(xué)生都會手算，但是，問 3589 是哪兩個數(shù)的乘積？你回答得出來嗎？ 如果覺得靠運氣能湊出答案，你可以挑戰(zhàn)一下這個：

在對稱加密時代，密碼本只能人手一本；有了 RSA，真正的密碼本（私鑰）只要總部的領(lǐng)導(dǎo)一個人知道就行，在各地臥底的特工們靠公鑰就能加密發(fā)密文。 這就是為什么 RSA 能在短短 40 年內(nèi)取代流傳兩千多年的愷撒，成為當(dāng)今世界全民加密的事實標(biāo)準(zhǔn)：方便。

生活中，當(dāng)你網(wǎng)購時，瀏覽器用公開下載的公鑰把你的付款信息加密發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器用沒人知道的私鑰解密信息，這一切是在你沒有絲毫察覺的情況下悄然完成的。更給力的是，RSA 還是一個相當(dāng)堅固的加密算法。

比如，上面那個用來嚇人的數(shù)字，有 232 位（768 比特），這已經(jīng)是當(dāng)今地球上計算機能分解的最大整數(shù)了。 而你在網(wǎng)上隨便申請一個免費的 https 加密證書，長度都有 2048 比特！ 在回顧了人類幾千年來的密碼學(xué)成果之后，請你，把它們統(tǒng)統(tǒng)忘掉。 因為現(xiàn)在，無敵的量子通信來了。 它靠的可不是什么逆天的算法，而僅僅是兩枚神奇的硬幣。 當(dāng)所有的密碼都可以秒破，只有量子通信可以做到無條件安全。

未來，已來。

由一枚硬幣開啟的超距傳輸

喂，年輕人！我看你骨骼精奇，是萬中無一的創(chuàng)業(yè)奇才。 我這里有一對魔法硬幣，與你有緣，就十塊錢賣給你吧！ 別看它長得和普通的一元硬幣差不多，這種硬幣有一項：

你想啊，這種硬幣如果做成情侶版，肯定大賣！尤其是異地戀：

你和你伴侶人手一枚，你在北京不斷拋硬幣 A，發(fā)出「正正反反」之類的信號，她在西雅圖的硬幣 B 就會自動變成「反反正正」，編碼成「0011……」，再轉(zhuǎn)成 ASCII 碼就是：

I LOVE U

理工男的浪漫，你懂不懂！

再想想，如果能好好包裝一把，還能賣給國家航天局、NASA 之類的土豪機構(gòu)！ 從月球到地球 38 萬公里，電磁波信號需要走 2 秒多。月球的宇航員別說游戲玩不了，打個電話都卡死機。火星就更遠(yuǎn)啦，1 億公里，得延遲 5 分鐘！

但是用無延遲的魔法硬幣做星際通信，網(wǎng)游不卡了，電話不等了，干啥都流暢！ 要問魔法硬幣有沒有缺點？ 你還別說，是有個小問題，不過不影響使用啦——就是每次拋硬幣時，翻到正面還是反面，要看人品（喂，喂！年輕人，別走啊…… ）

好啦！以上故事是玩笑，但魔法硬幣可不是玩笑。 用量子糾纏態(tài)的一對孿生粒子，自旋向上=硬幣正面，自旋向下=硬幣反面，就能做出如假包換的「魔法硬幣」。 無論相隔多遠(yuǎn)的距離，處于「糾纏態(tài)」兩個孿生粒子就像有心靈感應(yīng)般，零延遲、發(fā)生同步反應(yīng)。如果把孿生粒子放在兩地，在地球觀測粒子 A 發(fā)現(xiàn)自旋向上，火星上的粒子 B 會因此而瞬間變成自旋向下，仿佛兩個粒子之間始終有一道穿越時空的紐帶——這就是傳說中的「超距作用」。

因為 A 的粒子自旋態(tài)始終和 B 的相反，所以地球人只需觀測一下粒子 A，就能實時改變粒子 B 被火星人觀測到的自旋態(tài)。當(dāng)火星人讀取出 B 的自旋態(tài)時，相當(dāng)于接收到了地球發(fā)來的一個比特。 如果把孿生粒子比作一對魔法硬幣，通信雙方重復(fù)以上步驟、通過「拋量子硬幣」傳送信號的方式，就叫作量子通信。

問題在于，就算擁有把愛因斯坦嚇傻的超能力「超距作用」，量子通信卻沒法用來瞬時傳數(shù)據(jù)！ 因為，每次硬幣（自旋）是正是反，是個完全隨機事件，不要說控制，連影響都做不到。你想發(fā)「正正反反」，它給你來個「反正反正」——試想如果不能暢所欲言，對方接收到的都是亂碼，還談何通信呢？

既然發(fā)的是一團亂碼，那么就算能夠穿越宇宙瞬時傳送，也稱不上是真正的通信。 愛因斯坦當(dāng)年杞人憂天的「超光速通信」問題，就這樣被「隨機性亂碼」天衣無縫地解決了。 要想用量子傳點有意義的東西，解決的辦法只有一個： 用量子通信發(fā)完「反正反正」之后，趕緊再用微信給對方補個留言「錯對對錯」，告訴他哪些信號是發(fā)錯的，讓他自己糾正。

也就是說，對方收到量子信息雖然是瞬時的，但要從一團亂碼中找出真正的意義，還得靠傳統(tǒng)通信方式，微信、電話延遲多久，量子通信就延遲多久。你是不是在想：既然如此，不如我直接發(fā)個微信得了，還要用量子通信干嗎？

所以，只有聰明人才能看出，量子通信真正的威力。

無條件安全，可能嗎？

每次我和朋友聊起「無條件安全」的量子通信，幾乎所有人都認(rèn)為我在吹牛。 大多數(shù)人直覺上認(rèn)為，凡事無絕對。 你說破解難度很高，OK；說 99.99% 安全，或許吧；但打死我也不信，世界上存在無懈可擊的東西。 但是他們忘了，絕對安全的加密通信，其實早在 75 年前就被發(fā)現(xiàn)了。 1941 年，信息論的祖師爺香農(nóng)，在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明了：不知道密碼就絕對無法破解的安全系統(tǒng)，是存在的。

而且，更令人驚訝的是，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：

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后，一勞永逸的妄想；

隨機密鑰：生成的密鑰是完全隨機的，不可預(yù)測，不可重現(xiàn)，破解者更不可能猜出規(guī)律，自己生成所有密鑰；

明密等長：密鑰長度至少要和明文（傳輸?shù)膬?nèi)容）一樣長，破解者窮舉所有密鑰，相當(dāng)于窮舉所有可能的明文。

誰要是有本事通過窮舉猜出明文，還來勞什子破解密鑰干嗎？

奇怪的是，香農(nóng)發(fā)明「無條件安全」的 75 年后，我們居然還沒能用上這個黑科技。因為在當(dāng)時的技術(shù)條件下，要同時符合這 3 個要求根本不可能！

先說「隨機密鑰」：請計算機程序 rand() 生成的隨機數(shù)其實并不是真正的隨機，理論上，如果知道已經(jīng)產(chǎn)生的隨機數(shù)，就有可能獲得接下來的隨機數(shù)序列（可預(yù)測）。 再看「明密等長」：如果我能輕松吧這么長的密鑰安全地發(fā)送給對方，為什么不干脆發(fā)送明文呢？這樣豈不是多此一舉？

最后「一次一密」：每發(fā)一次信息就要更新密鑰，但通信雙方又不能天天見面接頭，否則還要加密通信干什么？ 然而，在不計成本的最高級別通信場合下，「一次一密」還真的用上了。 比如先編寫一部超級長的密碼本，派特工直接交到對方手里，然后雙方就可以暫時安全通信了。 僅僅是暫時。 密碼本用完之后，特工又得出動再送一本新的……（007：你以為我是快遞小哥嗎？）

就這樣，我們研究了 75 年的密碼學(xué)，什么對稱加密、非對稱加密（RSA）和黑客們展開了無數(shù)次「道高一尺魔高一丈」的攻防大戰(zhàn)…… 直到我們遇見了香農(nóng) 75 年前預(yù)言的密碼學(xué)終極形態(tài)：無條件安全的量子通信。75 年前沒有人能想到，那些「看上去幾乎不可能實現(xiàn)」的三大要求，簡直就是為量子通信量身定做的。 就拿最簡單的量子通信協(xié)議——孿生粒子的量子糾纏來舉個例子：

1. 隨機密鑰：服務(wù)器生成一對孿生粒子 A 和 B，分別發(fā)送給通信雙方。注意，A、B 被觀測后的自旋狀態(tài)是完全隨機的，不要說敵人，就連自己人都看不出規(guī)律來！。

2.明密等長：要發(fā)送的「正正反反」是明文編碼，量子通信隨機產(chǎn)生的「反正反正」相當(dāng)于密鑰，微信發(fā)送的糾錯碼「錯對對錯」是加密后的傳送內(nèi)容。此時，正文、密鑰、糾錯碼，三者的長度完全相同。

3. 一次一密：為了發(fā)送 4 個比特的明文編碼「正正反反」，服務(wù)器總共生成了 4 次隨機密鑰，每次傳輸 1 比特明文，都有 1 比特密鑰保駕護(hù)航。 此時，破解的可能性，不是萬分之一，也不是億萬分之一，就是 0。而且，最令人不可思議的是，量子通信不僅無法破解，還自帶反竊聽屬性。就算敵人截獲了每一次密鑰，同時拿到了「正正反反」「反正反正」「錯對對錯」三條信息，量子通信仍然是安全的！

下面，就是見證奇跡的時刻。

反竊聽，掌握主動權(quán)

量子通信為啥能反竊聽？

因為量子世界三大定律之一：測不準(zhǔn)原理。 如果敵人想要截獲量子密鑰，必須先截獲 A、B 兩個糾纏態(tài)粒子，然后測一下自旋態(tài)。 問題就出在這里。 量子態(tài)不是先天決定的，而是被你的測量決定的：你測了，它就從魔法般的量子糾纏態(tài)，變成平淡無奇的確定態(tài)了。 還記得前面提到的工程師貝爾嗎？

他發(fā)明的「貝爾不等式」原理，就是用來檢測糾纏態(tài)粒子之間是否存在「超距作用」。 當(dāng)被敵人測過的 A、B 粒子到達(dá)我們的同志手中，他們只要做一件事，就能看出量子密鑰是否被動過手腳：用阿斯派克特實驗驗證貝爾不等式——如果發(fā)現(xiàn) A、B 之間的超距作用已然消失，只能說明一件事：在我方測量之前，已經(jīng)有人測過了。

雖然在原理上，通過驗證貝爾不等式已經(jīng)足以確保信道的安全，然而在實際應(yīng)用中，做阿斯派克特實驗實在太麻煩了。 所以量子通信衛(wèi)星「墨子號」用的是更先進(jìn)的量子密鑰分配協(xié)議——BB84 協(xié)議。和原版量子糾纏通信的不同之處在于，它利用光子的偏振方向（而非自旋態(tài)）產(chǎn)生隨機化的 0 和 1（量子比特）。 當(dāng)然，BB84 的安全性同樣依靠量子「測不準(zhǔn)原理」：竊聽者對量子信號的測量會改變信號本身，導(dǎo)致接收方收到的信號中亂碼大增，從而暴露了自身的存在。

從軍事的角度來說，比無法破解的通信更安全的，是無法竊聽的通信；比無法竊聽的通信更安全的，是能發(fā)現(xiàn)竊聽者的通信；比能發(fā)現(xiàn)竊聽者的通信更安全的，是我能發(fā)現(xiàn)有人竊聽，但竊聽者卻不知道被我發(fā)現(xiàn)了的通信。

「不被竊聽」很重要，「發(fā)現(xiàn)竊聽者」很重要，這些都容易理解，但為什么「竊聽者不知道被我發(fā)現(xiàn)」更重要呢？

因為，如果竊聽者不知道他已經(jīng)暴露了，我軍可以將計就計，故意發(fā)一些假消息引君入甕！把諜戰(zhàn)的主動權(quán)抓到自己手中，在軍事上，比被動地單純反竊聽更管用。 就拿二戰(zhàn)的逆轉(zhuǎn)戰(zhàn)役「諾曼底登陸」來說，其實希特勒早就料到盟軍會把賭注押在諾曼底，但盟軍情報部門用了一年的時間給德軍傳送假情報，發(fā)出幾千封加密電報供德軍破譯，硬是忽悠得元首大人連自己都不相信了。

量子通信就屬于第三種：「我方可以輕松發(fā)現(xiàn)竊聽，而竊聽者卻不知道被我發(fā)現(xiàn)」的加密通信，而且是當(dāng)今所有已知加密手段中，唯一能做到第三層次的技術(shù)。

當(dāng)然，竊聽者也知道量子通信的厲害。正因為如此，沒有哪個間諜敢隨便竊聽量子通信的信息，就算竊聽到了也沒人信：我怎么確定這次竊聽到的情報不會把元首坑死？ 而攻擊量子通信的唯一方法，不是竊聽、破解，只能是干擾：例如用強激光照射接收器將其「致盲」，量子信道被干擾成亂碼，把敵我雙方拉回到同一起跑線。 畢竟，量子通信的特長是反竊聽，而不是抗干擾。

但這稱不上是量子通信的弱點。其他所有傳統(tǒng)通信方式，在干擾下都會難以為繼，「無條件不受干擾」的通信，目前還沒發(fā)明出來呢。

最強之矛與最強之盾

量子通信衛(wèi)星「墨子號」上天之后，立刻遭到了某些民科的抵制。 有說陰謀論的，有說浪費納稅人錢的，就是沒有一個能說清量子通信究竟是怎么回事。 不過，在這群流言之中，讓我印象最深的，是一個網(wǎng)友的發(fā)帖。

前 4 個問題，看完前面的內(nèi)容，讀者應(yīng)該都可以自己回答了。不過，起碼人家還說對了一點：「目前的加密系統(tǒng)早就超過實際所需了，你啥時聽過有銀行是因為信息竊聽被破解的？」

講真，目前的加密系統(tǒng)并不是沒法破解，而是破解成本太高。就拿銀行最常用的非對稱加密算法 RSA 來說，2009 年，為了攻破一枚 768 比特的 RSA 密鑰，一臺超級計算機足足算了幾個月，這幾乎是當(dāng)今計算機性能的極限！

雖然理論上，RSA-768 已不再安全，但由于 RSA 算法的破解難度隨著密鑰長度指數(shù)級上升，所以讓 RSA 再次固若金湯非常簡單：把密鑰位數(shù)加長到 1024 比特，就會讓破解時間增加 1000 多倍。 其實，現(xiàn)在網(wǎng)上交易最普遍的 RSA 密鑰，至少是 2048 比特。然而，在互聯(lián)網(wǎng)時代大獲成功的 RSA 加密，真的能讓我們高枕無憂地用上 500 年嗎？

未必！

RSA 加密的前提是「加密容易解密難」。在 RSA 的核心算法中，用到了大數(shù)因式分解：把兩個素數(shù)相乘(A*B=C)，比把這個乘積 C 做因式分解還原出 A 和 B 容易得多，數(shù)字 C 的位數(shù)越多，因式分解的時間就越長。

但是，有沒有這樣一種可能：隨著算力越來越強，解密的時間越來越短，會不會有朝一日再長的密碼都可以秒破呢？甚至，有沒有可能出現(xiàn)，解密的速度比加密還快的尷尬局面？ 這就是困擾計算機系的同學(xué)們 50 年的經(jīng)典問題：P 是否等于 NP？

P 就是能在多項式時間內(nèi)解決的問題，NP 就是能在多項式時間驗證答案正確與否的問題。拋開復(fù)雜的定義不談，P=NP 實際上問的是：如果答案的對錯可以很快驗證，它是否也可以很快計算？

一開始人們覺得，P 顯然不等于 NP。

比如，「找出大數(shù) 53308290611 是哪兩個數(shù)的乘積？」很難，但要問「224737 是否可以整除 53308290611？」這小學(xué)生都會算。 在密碼學(xué)領(lǐng)域，這正好是我們想要的結(jié)果：加密（相乘）容易解密（因式分解）難。

如果 P=NP，就勢必存在一種算法，使得對 53308290611 做因式分解和驗證 224737 是否是因子一樣快（加密和解密同樣容易）。 如果 P 真的等于 NP，為什么這么多年，都沒人想出這種逆天的算法呢？

然而，令人細(xì)思恐極的是，我們至今還沒法嚴(yán)格證明 P 不等于 NP，反而有人發(fā)現(xiàn)，在某種特定的計算模型下：P=NP 竟然是成立的！

這種 「特定的計算模型」 叫作 量子計算機 。和非 0 即 1 的傳統(tǒng)計算機不同，量子計算機的「量子比特」可以處于「既是 0 又是 1」的量子態(tài)。

在量子世界，這種不可思議的「既死又活」，反而是最平常的現(xiàn)象：量子疊加態(tài)。還記得薛老師那只不死不活、又死又活的混沌貓嗎？

量子疊加，使得量子計算機具有傳統(tǒng)計算機做夢都想不到的超能力： 在一次運算中，同時對 2^N 個輸入數(shù)進(jìn)行計算。

舉例說：

如果變量 X=0， 運行 A 邏輯； 如果變量 X=1， 則運行 B 邏輯。

這種最普通不過的條件判斷程序，在傳統(tǒng)計算機內(nèi)部，永遠(yuǎn)只會執(zhí)行 A 或 B 的一種邏輯分支，除非把 X=0 和 X=1 的兩種情況各運行 1 次（共運行 2 次）。

但對于量子計算機，A 和 B 在一次計算中就同時執(zhí)行了，因為變量 X 是量子疊加態(tài)，既等于 0，又等于 1，這就意味著，普通計算機要算 2 次的程序，量子計算機只需算 1 次。

如果把量子比特的數(shù)量增加到 2 個： 如果變量 X=00，運行 A； 如果變量 X=01，運行 B； 如果變量 X=10，運行 C； 如果變量 X=11，運行 D。 有了 2 個量子比特，普通計算機要算 4 次的程序，量子計算機也只要算 1 次。

如果把量子比特加到 10 個，那么普通計算機要算 2^10=1024 次，或用 1024 個 CPU 同時算的程序，量子計算機只需要用 1 個 CPU 算 1 次。

看出問題的嚴(yán)重性了嗎？

把量子比特加到 100 個以上，那么，當(dāng)今地球上所有計算機同時運行 100 萬年的工作量，量子計算機干完只要幾分鐘！

對于曾經(jīng)需要消耗巨大算力才能破解的 RSA 加密，這是一個災(zāi)難性的未來。

1994 年，全球 1600 個工作站同時運算了 8 個月，才破解了 129 位的 RSA 密鑰。若用同樣的算力，破解 250 位 RSA 要用 80 萬年，1000 位則要 10^25 年——而對于量子計算機，1000 位數(shù)的因式分解連 1 秒鐘都不到。

在量子計算機的最強之矛面前，現(xiàn)在最流行的 RSA 加密將無密可保，所有基于 RSA 的金融系統(tǒng)將瞬間變成透明人。 唯一能防住量子計算機的，只有最強之盾：量子加密通信。

和 RSA 等依賴計算復(fù)雜度增加破解成本的加密方式不同，量子加密通信是「無條件安全」的，對量子計算機的恐怖計算能力先天免疫。

雖然量子比特的制備極為困難，目前最高紀(jì)錄只有可憐的 5 個量子比特，但誰也不知道，量子計算機的爆發(fā)——或者說傳統(tǒng)加密的末日，將會在何時到來。

這就是為什么，在廣大人民群眾一片「看不懂」的聲音中：量子通信衛(wèi)星「墨子號」上天了；京滬量子通信干線快建成了；工商銀行在北京用上了量子通信做同城加密傳輸；阿里云的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)在用量子通信組網(wǎng)。

暫時落后的歐盟，也信誓旦旦，要2018 年投入 了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(xué)》。

你還覺得這種高深的學(xué)問，懂不懂也沒什么關(guān)系，反正全世界也沒幾個人能懂？

未來，已來！