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如何用“大白話”描述量子通信?

去年年底,保障君曾經轉了一篇由中國科學技術大學上海研究院(中科院量子資訊與量子科技前沿卓越創新中心)副研究員張文卓老師撰寫的文章——《阿裡巴巴投資研究量子計算,有什麼用?》,文章很深入地講解了量子技術及相關的應用。不過,很多同學在文章下面留言說仍舊看不太明白,于是保障君到處搜羅,最終整理出以下的内容。

先看看潘建偉院士是如何形容“量子糾纏态”的

量子糾纏态是什麼概念?比如說我到北京來,送給饒毅一個骰子,我事先做好了,他的這個骰子跟我這個骰子是糾纏态。然後我回到上海去了,我就跟他說,饒毅,你扔手中的那個骰子。他扔了好多次,把結果寫下來,每次都是随機得到1到6裡面的某一個點數。我就跟他說你第一次是多少,第二次是多少,我都可以猜得出來。這樣的現象,我們把它叫作遙遠地點之間的詭異互動。

如何用“大白話”描述量子通信?

然後,我們再來看看,其他人是怎麼通俗地解釋量子通信的。

《第一财經》駐矽谷記者宋下木是這麼說的

假設你有兩個朋友,一個在廣州,一個在北京,你自己則在中間的上海。你們三個人事先說好,你會随機給這兩個朋友中的一個人寄一個蘋果,另一個人寄一根香蕉。

那麼當你的廣州朋友收到蘋果時,他會瞬間知道你給你的北京朋友送的是香蕉。

在你廣州朋友打開盒子看到蘋果的那一個瞬間,确實是以比光速還要快的速度獲得了關于你北京朋友收到了香蕉的這個資訊。當然真正的量子通信要遠比兩個水果複雜得多,但本質完全一樣。

量子通信差別于經典通信,實質上是量子的“不可破解性”。比如上個例子中的“蘋果”和“香蕉”,可以看成是兩個糾纏起來了的量子,一個人拿到了其中一個,就可以判斷出另一個。

但如果不知道“蘋果”和“香蕉”的糾纏關系,哪怕截獲了整個蘋果,也猜不出另一方收到的是什麼水果。

知乎網友“獨魚僅一”是這麼說的

假設有兩枚魔法硬币包在各自的盒子裡,如果用一種方法打開盒子,兩枚硬币一正一反。用另一種方法打開,兩枚硬币正反相同。

現在兩個人帶着盒子分别在兩個地方。甲先打開盒子,然後打電話告訴乙自己硬币的正反。乙看一眼自己的硬币,就知道甲用哪種方法打開的硬币,資訊也就傳遞了。這種方式下,哪怕别人竊聽了電話,也沒法知道資訊内容,是以量子通信是一種安全的資訊加密方法。

知乎網友“韓越”是這麼說的

比方說,中國要發送情報給美國,于是派了一個信使乘飛機過去。這個信使從一盒撲克裡随機抽取了一部分紙牌帶在身上。(可以認為信使帶的撲克和剩下的撲克處于糾纏态,因為隻要檢視一方就能知道另一方,但如果不檢視撲克,撲克的狀态就是随機的。)

等信使到了美國,然後聯系中國說“我到了,請發資訊過來吧”,于是中國一方用那盒撲克裡剩下的紙牌做密鑰把情報加密,發送過去。在信使檢視紙牌前,誰也不知道紙的狀态,但當他一打開紙牌(塌縮),他同時也就知道了中國那邊紙牌的内容,也就是密鑰。這樣情報接收友善可以解密收到的資訊,獲得情報。

在這個過程中,如果有第三方進行破壞,比如在半路搶走信使的撲克牌(密鑰),或者對通信進行偵聽,他都無法得到情報的内容。

知乎網友“hai gary”是這麼說的

話說b國出産一種奇特的寶石,有圓形和方形兩種形狀和紅藍兩種顔色。這種寶石奇異之處在于,人們無法同時知道寶石的形狀和顔色。寶石平時處于高速旋轉狀态,看不出來是方的還是圓的,但是可以看出顔色是紅的或者是藍的;當你用手緊緊抓住這個寶石,不讓它旋轉的時候,它的形狀是确定知道是圓的還是方的了,可是這個不轉動的寶石的顔色卻變成了紅色和藍色不停閃動的紫色;一旦松開手,它又開始旋轉,顔色卻固定顯示為紅色和藍色,不過不一定是你剛才抓它前的顔色。

彼時a國和b國處于敵對狀态,戰争一觸即發。b國潛伏在a國政府高層的間諜刺探a國的國力和軍力情報。然後用這種奇異的寶石向b國報告是否發起戰争的資訊,由于b國間諜隻能派a國人送信,他也不能确定送信人是否會偷看這些寶石。

b國間諜在黑暗中摸索挑選出100顆同樣形狀的寶石,然後再裝進一個密封的箱子裡,派信使送到b國。

按預先的約定,b國收信人同樣在黑暗中摸索這些寶石:全是方形表示要開戰,全是圓形表示講和,不是同一種形狀的話,殺死信使。

這些密封在箱子裡的寶石一旦被人看見其顔色,再去摸它們的時候會發現本來一樣形狀的寶石,瞬間變成随機的兩種形狀。這樣以來,如果信使偷偷打開箱子看到了這些寶石,本來是同一種形狀的寶石會以五五開的機率變成圓形和方形兩種形狀。

大家覺得哪一個描述最為準确直覺?當然,如果看完還是不明白,那麼你很可能是個文科生。

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如何用“大白話”描述量子通信?

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