星星之火-55：什么是微观量子？什么是量子的六大特征？什么是微观量子通信？

第1章什么是量子

1.1 什么量子力学

1.2 基本粒子（这是理解量子的关键）

1.3 什么量子

1.4 量子的静态属性？

1.5 量子的动态属性

第2章量子主要的外显特性

2.1 量子测不准性（不确定性原理）

2.2.量子不可克隆性（原理）

2.3 量子态叠加性（原理）

2.4.量子态纠缠性

2.5 量子态相干性

2.6 量子退相干

第3章什么是量子通信？

3.1 量子通信概述

3.2 量子计算机

3.3 量子通信：量子隐形传态

3.4 量子密钥分发

后记：

第1章什么是量子

1.1 什么量子力学

量子力学（Quantum Mechanics），为物理学理论，是研究物质世界的微观粒子的运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。

量子力学与相对论一起构成现代物理学的理论基础。它不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。

1.2 基本粒子（这是理解量子的关键）

（1）基本粒子与原子的关系

基本粒子，物理学术语，指人们认知的构成物质的最小或/及最基本的单位，是组成各种各样物体的基础。

在当前物理学中，质子和中子已经不是基本粒子了，原子还可以进一步被细分为夸克。

（2）基本粒子的3大分类

构成物质组成的基本粒子：称为费米子
传递能量和作用的粒子：称为玻色子
传递引力作用的粒子：称为引力子

（3）基本粒子的种类

这个大千世界千变万化，但组成这个世界的基本粒子的种类却不多，目前发现的基本粒子大概有60多种。

常见的与通信相关的基本粒子有：电子与光子。

电子：是构成物质组成的基本材料之一，通过电子的运动产生了电流，变化的电流产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，电磁波就这样在空间传播了。

光子（光量子）：是携带能量的最小单位，它本身不是物质的组成部分，它一定频率的光的基本能量单位。

备注：

光子并不表明光就只是粒子，而是表明携带能量的最小单位，这个最小单位的能量，可以是波的形态承载，也可以是粒子的形态承载。

1.3 什么量子

量子（quantum）是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。

电子是“电”量子，光子是“光”量子，其他的不可再分的基本粒子都是量子。所有的粒子统称为“量子”。

然后，量子的概念远远超过基本粒子。

它也可以用于其他场合。比如，最小的运动状态也是量子，最小的能量状态也是量子。

1.4 量子的静态属性？

虽然，目前已经发现了60多种基本粒子，但这些粒子在微观世界具备一些共同的特性，我们称为量子的主要特性。

（1）大小

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

（2）质量

现有的粒子质量范围很大。

光子、胶子是无质量的，即质量为0，这次是因为他们是传播能量的载体，并不是物质的构成。

电子质量很小；π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍

（3）寿命

电子、质子、中微子是稳定的，称为 "长寿命"粒子。

其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子；一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。

（4）对称性

粒子与粒子之间具有对称性。有一种粒子，必存在一种反粒子，

1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；

后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；

随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。

一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量、不含质量的光子，即粒子质量转变为能量；

反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子

（5）不可再分性（大小）

这很好理解，就是某种情形下的最小单位，无法在进一步切分了。

（6）离散性

这与不可切分性是一致的，只要有最小单位，而不是无限的切分下去，那么就是离散的。

物质的组成具有最小单位，这与经典物理学是一致的。

能量的构成与传播也具有最小的单位，并且还与，这就与经典物理学是不一致的，经典物理学认为，能量是连续的。

普朗克发现对于一定频率f的辐射，物体只能以h*f为能量单位吸收或发射它，h称之为普朗克常数。换言之，物体吸收或发射电磁辐射，只能以离散的、量子的方式进行，每个量子的能量为E=hf。

这就是大名鼎鼎的“黑体辐射现象”。

当然，由于电磁波的频率谱是连续的，因此宏观上感觉是能量是连续的。

1.5 量子的动态属性

（1）运动

粒子并非静止不动的，粒子是运动的。粒子绕着某种轨道运行，比如电子绕着原子核在运动。

运动就会产生运动速度和空间位置！

（2）自转

经典物理学概念中的自转，是宏观物体对于其质心的旋转，比如地球每日的自转是顺着一个通过地心的极轴所作的转动。

地球自转并不是内在性质。如果地球不转了,它还是地球。

是指物体自行旋转的运动，物体会沿着一条穿越物体本身的轴进行旋转，这条轴被称为“自转轴”。

一般而言，自转轴都会穿越天体的质心。凡卫星、行星、恒星、星系都绕着自己的轴心转动﹐地球自转是地球沿着一根通过地心的轴（自转轴，也叫地轴）做的圆周运动。谓之自转。

（3）自旋Spin（这是一个非常非常非常重要的特性）

自旋Spin是量子力学中的概念，它是描述基本粒子在向前运动的过程中或绕着原子核运动的过程中，自身还在空间中自旋，这是新发现的特性，自转就产生了角动量。

当然，量子的自旋与宏观天体的自转有着本质的不同，自旋是粒子的内在属性，就像频率、相位、幅度是正弦波的属性类似，不存在不自旋的粒子。

如果基本粒子改变了自旋形态，它就不是原先的粒子了，而是一个新的粒子！！！

不同粒子，其自旋、的形态（方位、速度）的种类是确定的。

粒子自旋是粒子的及其重要内在属性，这种属性可以用来作为粒子的标识和分类的依据。

每个粒子都有自身特有的自旋形态，且是固定的、可以观察的，并非按照任意方向任意选择，自旋数不同就是不同类别的粒子，性质也不同。

“宇宙的每一个电子，总是永远地以固定不变的速率旋转。电子自旋不是我们习惯的那类物体偶然发生的短暂的旋转运动，而是一种内禀的性质，跟它的质量和电荷一样。如果电子没有自旋，它也就不是电子了。” 这句话描述了自旋的形态对于区分粒子的重要性。

这个概念是量子力学后续概念的根基，因此有必要弄清楚在花一点篇幅进一步阐述这个概念。

--自旋的空间性

自旋并非绕着一个自身的固定的轴在转，而是会占据一定的空间，是在粒子在空间中运动特征的一种描述，而这种运动不受外力的影响，完全是自身的一种动态属性。

也就是说，不存在静止的基本粒子，包括电子和光子。每个粒子都有其特殊的自旋形态，这种自旋有点像，粒子不需要外力干预的情况下，自己能够在空间绕8字转。

不用基本粒子，在空间中自旋的形状不同，有些是8字，有些是其他状态。

--自旋的周期性

自旋并非是非周期性的，自旋实际上是周期性的，自旋的周期表示，转多长时间后，回到原先的状态。

--自旋状态的方向性？

常见的自旋方向有：上、下自旋；左、右自旋；前、后自旋；

--自旋方向的切换与叠加？

一个粒子，

在某一个时刻，只能是上自旋或下自旋；左自旋或右自旋；前自旋或后自旋；

在其自旋周期内，可能会同时会上自旋和下自旋；左自旋和右自旋；前自旋和后自旋；

但这个切换周期非常非常短，短到感觉这是同一时刻，既上自旋也下自旋，既左自旋也右自旋，既前自旋也右自旋。

这就是量子的叠加态的概念！！！

以电子为例：

如果用1表示左自旋，0表示右自旋，在某一时刻，这电子既处于0状态，也处于1状态，这就是1和0的叠加态。

--自旋状态的人为干预？

通过磁场可以干预粒子的自旋状态，比如偏振光片，只能允许特定的自旋方向的粒子通过。

与其说用偏振光片测量粒子的自旋方向，还不如说偏振光片干预了粒子的自旋状态的。

（3）守恒

物质是不断运动和变化的，在变化中也有些东西不变，即守恒。质量守恒、能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。

第2章量子主要的外显特性

2.1 量子测不准性（不确定性原理）

观察者不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。

如果测量得到了粒子的位置，那么此时无法测得粒子的速度。

如果测量得到了粒子的速度，那么此时无法测得粒子的位置。

这是因为，使用显微镜来测量电子的位置，需要通过测量光子，而光子本身会不可避免地搅扰了电子的动量，造成电子动量的不确定性

好比，在一个漆黑的房间里，有一个运动的球，你需要通过脚去感知球存在与位置。当你的脚触碰到球的一瞬间，虽然你确定了球的位置，但实际你的脚的运动已经改变了球的运动，改变了球体的速度。

而用显微镜观察眼睛观察电子运动时，与此类似，只是用“光子”替代了人的脚，去探测电子的位置。

这种不确定性，主要是因为如下的两个因素：

（1）一个原因是：由于被观察的对象（基本粒子）太小太小，小到一个可见光的“光粒子”对它的碰撞都会改变其速度和位置。

（2）另一个原因是：人类观察某个未知的基本粒子，必须借助于其他已知的粒子，不可能不借助与任何粒子的部分状态，观察另一个粒子的所有状态。

不存在一种观察手段，不影响粒子的任何状态，而获得它的所有状态，到目前为止，人类还没有这样的手段。

人眼看到的外部世界，也不过是经过“光”照到物体上，经过物体对光的反射，获得了物体的视觉效果：形状、位置等。如果没有光，在一个漆黑的房间里，即使有大量的物体存在，人类也感知不到。

2.2.量子不可克隆性（原理）

一个未知的量子态不能被完全地克隆。

所谓克隆，顾名思义就是把某种事物通过一定的方式再现出来，且保留原先事物不变。

所谓量子克隆，实际上是指克隆粒子的状态，即就是先观察粒子，获得粒子的状态，然后复制原先粒子的状态，并保留原先粒子的状态。

根据《量子测不准原理》，观察粒子的过程，就会干扰粒子原先的状态，不可能出现一种测量方法，不改变粒子原先的所有状态，而获得该粒子的所有状态。

测量电子的某种状态时，获得了粒子的某种状态，然而测量后，粒子原先的状态就会因为观察、测量行为本身而改变，不可能保留原先的状态。

因此，我们无法克隆的状态，这就是量子不可克隆原理。

也就是说，我们可以通过观察、测量获得粒子的某种状态，但不能在观察、测量后，还保持粒子原先的状态。

当然，这里的前提条件是：克隆的对象是单个粒子的微观状态，而不是一群粒子呈现的宏站状态。

2.3 量子态叠加性（原理）

量子态叠加性就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上

一个粒子，

在某一个时刻，只能是上自旋或下自旋；左自旋或右自旋；前自旋或后自旋；

在其自旋周期内，可能会同时会上自旋和下自旋；左自旋和右自旋；前自旋和后自旋；

但这个切换周期非常非常短，短到感觉这是同一时刻，既上自旋也下自旋，既左自旋也右自旋，既前自旋也右自旋。

这就是量子的叠加态的概念！！！

以电子为例：

如果用1表示左自旋，0表示右自旋，在某一时刻，这电子既处于0状态，也处于1状态，这就是1和0的叠加态。

2.4.量子态纠缠性

两个及以上的量子在特定的(温度、磁场)环境下可以处于较稳定的量子纠缠状态。

当两个微观粒子处于纠缠态，不论分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应改变。爱因斯坦称之为为“鬼魅般的超距作用”。

比如，通过磁场，干预其中一个粒子，使得其为“上”自旋，那么与之量子纠缠状态的另一个粒子，无论距离多远，其状态就变成“下”自旋。

2.5 量子态相干性

量子相干性，或者说“态之间的关联性”。

其中一种说法就是爱因斯坦和其合作者在1935年根据假想实验作出的一个预言。

这个假想实验是这样的：在高能加速器中，由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行，在没有人观测时，两者都处于向右和向左自旋的叠加态，而进行观测时，如果观测到电子处于向右自旋的状态，那么正电子就一定处于向左自旋的状态。

这是因为，正电子和电子本是通过能量无中生有而来，必须遵守守恒定律。这也就是说，“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的，称作“量子相干性”。这种相干性只有用量子理论才能说明。

在一个封闭的、不受干扰的系统中，具有相干性的粒子之间会一直处于这种相干性状态。

2.6 量子退相干

开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失，这效应称为量子退相干（英语：Quantum decoherence），又称为量子去相干。

量子退相干是量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果。由于量子相干性而产生的干涉现象会因为量子退相干而变得消失无踪。

第3章什么是量子通信？

3.1 量子通信概述

量子通信是指利用量子特性进行信息传递的新型通信方式。包括：

（1）利用量子叠加原理的量子计算。

（2）利用量子纠缠的原理实现量子超距传输，即量子通信。

（3）基于量子的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理，提供了无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。

3.2 量子计算机

量子力学与电子计算机相遇，于是就诞生了量子计算机。

（1）传统的计算机中的0和1

传统的电子计算机，在处理信息上都是采用2进制，也就是1、0，计算机的最小单位是比特，因为计算机是二进制，所以这一比特要么就是1，要么就是0，不存在其他的选项。

例如信息：1010，其中就包含了4个比特，8个比特组成1B，1024B等于1K，1024K等于1M，1024M等于1G以此类推。

比如32比特的二进制数，就有2^32个不同的数值，如果计算机需要处理2^32个不同的数值，必须穷举每个数值，一共需要穷举2^32个数的数。

（2）量子计算机中的比特0和1

因为计算机中信息流存在最小的单位—比特，那么计算机处理信息就是可以量子化的，这个最小单位比特就是计算机处理信息的量子，我们将比特成为量子比特。

在量子力学中，任何微观粒子、量子在没有被观测之前都处于多种状态的叠加，也就是说微观粒子、量子在没有被观测之前都是无法确定的。

那么在计算机的信息处理中，比特作为量子的存在，在没有被观测之前也是不能被确定的，也就是说比特没有被观测之前可能是1、可能是0、也可能是既是1、又是0。

传统的计算机中，每一个比特位，0和1状态是不能共存的，而在量子计算中，根据量子叠加原理0和1是可以共存的，既可以是1，也可以是0。

（3）量子计算机的并行计算

针对32比特的数据，如果需要穷举每个数据，只需要取一次数据即可，因为32bit每个的每一位已经同时代表了0和1，而传统计算机需要取2^32个数据。

这就是量子计算机的巨大的优势！

（4）量子霸权

量子霸权，代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力。

2019年9月20日，多家英媒披露，科技巨头谷歌(Google)一份内部研究报告显示，其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内，完成传统计算机需1万年时间处理的问题，并声称是全球首次实现“量子霸权”。

（5）量子计算的适用场合

量子计算并非适合传统计算机领域的所有场合，从目前来看，只使用传统计算机的极小的应用领域，只有在极少的领域，其性能远远超越现代的传统计算机。

量子计算只适应于需要无穷次穷举N的数值计算的场合，可把穷举的效率直接提升到N倍。

当量子计算机并不适合逻辑处理的场合，即不需要穷举的场合，有明确的逻辑分支的场合。

（6）量子计算机编程语言

QRunes、Q#、SILQ

3.3 量子通信：量子隐形传态

（1）量子通信的信息传输的载体

传统的“电”、“光”通信：载体是电磁波，它利用的是一群电子的外显的、宏观的、行为特征，如电磁波的频率、幅度、相位。
量子通信：载体是单个粒子，如单个电子或单个光子，它利用是单个粒子内在的、微观的、行为特征，如粒子的自旋方向。

（2）二进制比特信息的调制

所谓调制，用传输载体的特征来标识要传输的二进制比特。

电磁波通信的调制方法有：

幅度调制：利用交变的电信号的不同幅度承载和区分信息，称为幅度调制。AM调制就是这种调制方式。
频率调制：利用交变的电信号的不同频率承载和区分信息，称为频率调制。FM调制就是这种调制方式。
相位调制：利用交变的电信号的不同相位承载和区分信息，称为相位调制。PM调制就是这种调制方式。
幅度相位调制：同时利用通过交变的电信号的不同幅度和不同相位承载和区分信息，称为幅度相位调制， QAM调制就是这种调制。
能量调制：利用交变的电信号的不同能量承载和区分信息，称为能量调制。能量调制是对幅度调制的改进。扩频通信、QAM调制，都是利用积分的手段，提取接收信号的能量，最后折算成幅度。

量子通信的调制方法：

使用粒子的自旋方向来承载0和1，如左旋标识1，表示0。

调制方：通过一定的仪器，来控制有纠缠关系的两个粒子中的一个粒子的自旋方向。

解调方：通通过一定的仪器，来检查有纠缠关系的两个粒子中的另一个粒子的自旋方向，从而获得0和1的数据。

（3）调制后信号的瞬间、超距传输

现行流行的量子纠缠说法是指在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和“影响”对方的状态。

量子通信的传输是不受时间的影响，是瞬间完成。

量子通信的传输也不受距离的影响，不管多远，不管中间隔着什么物理，都能够进行感应。

这种超越光速的信息传输的现象被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

笔者认为：

会不会纠缠的粒子之间通过“鬼魅般的超距作用”来交换信息或许是通过目前还没有发现的高纬空间进行的？
母子之前，孪生子身体的细胞之间，是不是也会有大量的相互纠缠的粒子？导致所谓的心灵感应？

（4）二进制比特信息的解调

使用粒子的自旋方向来承载0和1，如左旋标识1，表示0。

调制方：通过一定的仪器，来控制有纠缠关系的两个粒子中的一个粒子的自旋方向，一旦改变了其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态也随之改变，这就是量子纠缠。

解调方：通通过一定的仪器，来检测有纠缠关系的两个粒子中的另一个粒子的自旋方向，从而获得0和1的数据。

量子隐形传态是一种超距信息传输方法，是一种绝对安全的信息传输方法，中途决不可能被窃听。

这是因为纠缠的两个量子之间的信息传递是瞬间、瞬时完成的，可以跨越任何的空间，或者说，根本就经过任何的三维空间进行传输，有如何被窃听呢？

3.4 量子密钥分发

先回顾一下现有的传统的加密方法

（1）对称加密

对称加密，就是发送方加密和接收方解密使用相同的、事先约好的秘钥。

优点：

加密和解密的速度快。

缺点：

中途密文被截获后，双方其实并不知道
一旦密码破解后，通信双方也并不知道
发送方更改密码后，接收方无法及时的知道对方更改的密码，因为密码是事先约好的，更改后，必须提前通知对方，如何把密码通知对方是一个大麻烦。（量子密钥分发实际上就是要解决此问题的）

（2）不对称加密

为解决对称加密方法传递秘钥、更改秘钥及其不方便问题。提出了一种不对称加密。

接收发公开自己的公钥，公钥和私钥是成对出现的，用公钥加密的数据，必须通过私钥才能解开。
发送方利用公钥对数据进行加密。
接收方使用私钥对数据进行解码。

优点：

不对称加密很好的解决了秘钥安全传输的问题
不对称加密也很好的解决了接收方随时更改秘钥的问题，更改完，公布自己的公钥就可以了，发送加密方使用新的公钥对数据进行加密。

缺点：

加解密的效率非常低，远不如对称加密，因此通常需要硬件加解密引擎，提高加解密的效率。

（3）对称加密+不对称加密配合

使用不对称加密传递更改后的对称加解密的秘钥。
对称加密用于对数据进行加解密。

优点：

使用对称加解密对数据进行加解密，提升了加解密的效率。
不对称加密用于传递更改后的对称加解密的秘钥，解决了对称加密秘钥更改后不能及时安全传递给加密方的问题。

缺点：

没有明显的缺点。
唯一的缺点就是：上述步骤1过程，接收和发送方都不知道传输信道被别人窃取，因此如果对称加密的秘钥被窃取后，收发双发都无法知晓。有没有一种方法，传递对称加密的秘钥的时候，如果中途被窃取，双发双发都能够感受到，然后立即更换新的秘钥？

（4）量子密钥分发，也称量子密码

量子量子密钥分发就是解决使用一种绝对安全的方法传递或分发对称加密的秘钥。

它借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享，再通过一次一密的对称加密体制，即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作，实现无条件绝对安全的保密通信。

以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。

（a）在发送方和接收方建立两个信道，一个经典信道，采用对称加密数据，一个是量子信道，传递对称加密的秘钥。

·（b）为了安全性，每次传输都通过量子信道更改新的对称加密的秘钥。

（c）发送方使用单光子传输对称加密的秘钥，当中途有窃听窃取了量子信道的光子，根据量子的不可复制性原理，光子的状态一定会因为中途的监听，其状态就会发生变化。

（d）接收方受到受窃听方窃听过、其状态已经不同于发送方原始数据。

（e）接收方再通过传统信道把自己的收到的信息反馈给发送方。

（f）这样接收方就知道量子信道被人监听，如果有人监听，则丢弃该秘钥，重新发送一组新的秘钥，依次类推。

优点：

秘钥的分发是绝对安全的，如果中途被任何窃听者窃听，都会被检测到。

后记：

（1）量子通信还远没有得到适用的阶段，还处于前沿的研究阶段

（2）量子计算只是在部分需要穷举计算的领域极大的远远超越现代计算机，但它无法替代现有的计算机，很多的逻辑运算的领域不是量子计算机的强项。

（3）量子通信也只是解决了在两个节点之间安全的二进制信息的传递，然而，现代通信系统远比这个复杂得多。