跨越時(shí)空的骰子——量子通信、量子密碼的背后原理
定 價(jià):28 元
- 作者:尼古拉·吉桑 著 周榮庭 譯
- 出版時(shí)間:2016/8/1
- ISBN:9787547831342
- 出 版 社:上海科學(xué)技術(shù)出版社
- 中圖法分類:O413.1
- 頁(yè)碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16開
量子通信可以超光速嗎?如何實(shí)現(xiàn)不可破解的密碼?自然是非局域的么?電子是否也有自由意志?量子糾纏的本質(zhì)是什么?量子原理和相對(duì)論原理能否相容?……這些問題是目前科學(xué)研究的前沿,同時(shí)也是大眾所欲了解的熱點(diǎn)話題!犊缭綍r(shí)空的骰子:量子通信、量子密碼背后的原理》圍繞非局域性和量子真*性概念,以統(tǒng)一的方式對(duì)以上問題進(jìn)行了深入淺出的剖析。
不僅僅是告訴你答案,而是帶領(lǐng)你思考。這是這本書*重要的優(yōu)勢(shì)之一。本書所有論述基于*的實(shí)驗(yàn)事實(shí),既具有客觀嚴(yán)謹(jǐn)性,同時(shí)緊隨科學(xué)前沿,這是本書的另一特點(diǎn)。同時(shí),以想象中的一種游戲貝爾游戲貫穿全書,使得本書具有可讀性。這些優(yōu)勢(shì)得益于作者的獨(dú)特學(xué)術(shù)背景:吉桑是國(guó)際著名物理學(xué)家,長(zhǎng)期從事于量子信息和量子通信的前沿研究,在致力于對(duì)量子原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的同時(shí),還對(duì)量子物理的基礎(chǔ)有著濃厚的個(gè)人興趣。常年的教學(xué)實(shí)踐又使得他擅長(zhǎng)把握讀者的心思。
一見鐘情!這是吉桑(Nicolas Gisin)初次接觸到貝爾(John Bell)的理論時(shí)所說的話。聞知其感受,我的腦海中也浮現(xiàn)出1974年秋日里自己沉迷于貝爾論文時(shí)的情形。盡管這篇論文在當(dāng)時(shí)鮮為人知,我卻完全明白,這將會(huì)是通過實(shí)驗(yàn)方式詮釋量子力學(xué),解決玻爾(Niels Bohr)和愛因斯坦(Albert Einstein)分歧的關(guān)鍵!在當(dāng)時(shí),即便有些物理學(xué)家已經(jīng)知道愛因斯坦、波多爾斯基(Boris Podolsky)和羅森(Nathan Rosen)提出的EPR佯謬,卻很少有人聽說過貝爾不等式,更別說去關(guān)注量子力學(xué)的基礎(chǔ)概念了。1935年發(fā)表在《物理評(píng)論》(Physical Review)上的EPR佯謬論文,在一些大的圖書館里很容易查閱到。而貝爾的那篇論文就沒有這份幸運(yùn)了它躺在一份不為人知的新期刊上,而那份期刊僅發(fā)行了四期便遭遇了停刊的噩運(yùn)。在那個(gè)沒有互聯(lián)網(wǎng)的年代,那些沒有發(fā)表在主流期刊上的論文只能借助復(fù)印機(jī)進(jìn)行傳播。在希莫尼(Abner Shimony)的一次來訪中[受德帕尼亞(Bernard d Espagnat)邀請(qǐng)?jiān)L問奧爾賽],我得到了貝爾那篇文章的復(fù)印件復(fù)印自光學(xué)研究所(Institut d Optique)的年輕教授英伯特(Christian Imbert)所整理的文件。沉浸在貝爾帶給我的震撼中,我決定將自己的博士學(xué)位論文聚焦于對(duì)貝爾不等式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),而英伯特教授也歡迎我在他的麾下工作。在貝爾清晰無誤、讓人印象深刻的論文中,我找到了實(shí)驗(yàn)者將面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn): 當(dāng)糾纏的粒子(entangled particle)從放射源發(fā)射到測(cè)量區(qū)域時(shí),如何改變偏振檢測(cè)儀的方向?解決這一技術(shù)難題的關(guān)鍵是: 借助相對(duì)論基本原則,即物理效應(yīng)不能以超光速傳播,我們可以避免改變偏振檢測(cè)儀方向?qū)αW臃派錂C(jī)制或測(cè)量方法所造成的影響。通過這樣的實(shí)驗(yàn),我們可以精確地檢驗(yàn)兩種互相沖突的理論到底哪一個(gè)是正確的: 是玻爾的量子力學(xué)還是愛因斯坦所堅(jiān)守的局域?qū)嵲谡摚╨ocal realism)?局域?qū)嵲谡摪瑑蓚(gè)基本原則。首先,系統(tǒng)存在物理實(shí)在(physical reality);其次,局域性假設(shè)(locality assumption)成立,即由于相對(duì)論基本原則,一個(gè)系統(tǒng)不會(huì)被遙遠(yuǎn)空間外的另一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的任何事情立即影響。最終,實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)是正確的,并迫使大多數(shù)物理學(xué)家放棄了愛因斯坦所竭力維護(hù)的局域?qū)嵲谡。但是,我們是否就要因此拋棄?shí)在論(realism)或者局域論(locality)呢?放棄物理實(shí)在的論點(diǎn)無法把我說服,因?yàn)槲矣X得物理學(xué)家的使命在于精確地描述這個(gè)世界的實(shí)在,而不僅僅是預(yù)測(cè)測(cè)量?jī)x器上所呈現(xiàn)的結(jié)果。不過,倘若量子力學(xué)在這方面被證實(shí)了(時(shí)至今日,這看似已經(jīng)確鑿無疑),我們是否該認(rèn)定,這個(gè)明顯與愛因斯坦相對(duì)論準(zhǔn)則相違背的非局域相互作用(nonlocal interaction)是存在的呢?我們能否利用這種量子非局域性(quantum nonlocality)來傳輸有用的信號(hào),比如,以超越光速的速度來點(diǎn)亮一盞燈,或者在證券交易所下個(gè)訂單?但是,我們還不得不受量子力學(xué)另一特性的制約,即基本量子非決定論(fundamental quantum indeterminism)。這個(gè)理論認(rèn)為,在任何具體實(shí)驗(yàn)中,我們都不可能左右實(shí)驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果,盡管通過量子力學(xué)我們可以預(yù)見到可能出現(xiàn)的各個(gè)結(jié)果?梢源_定的是,量子力學(xué)雖然可以對(duì)實(shí)驗(yàn)中各種可能結(jié)果的概率進(jìn)行極其精確的計(jì)算,但是這些概率僅在相同實(shí)驗(yàn)多次重復(fù)時(shí)才有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義。正是這種基本量子隨機(jī)性(fundamental quantum randomness)禁止了信息的超光速傳播。在許多介紹量子物理最新進(jìn)展的科普讀物中,吉桑的這本書清晰地強(qiáng)調(diào)了基本量子隨機(jī)性的關(guān)鍵地位。比如,如果沒有基本量子隨機(jī)性,有朝一日我們可望設(shè)計(jì)出超光速電報(bào)系統(tǒng)!假使我們能發(fā)明出這種只有科幻小說里才有的神秘裝置,就不得不對(duì)以前所有的物理理論進(jìn)行一次徹底的修正。我不認(rèn)為有什么不可觸碰、無法更改的物理理論。恰恰相反,我本人一直堅(jiān)信,任何物理理論都有可能被適應(yīng)領(lǐng)域更廣闊的理論所取代。然而,如果要修改一些基石理論,就會(huì)引發(fā)一場(chǎng)真正意義上影響深遠(yuǎn)的物理觀念變革。雖然人類歷史中出現(xiàn)過幾次非同凡響的觀念變革,但這些根本上的觀念變革是極其罕見和震撼的,人們不能輕易希冀這樣的奇跡時(shí)刻會(huì)再次發(fā)生。盡管非局域性量子物理充滿了奇特之處,吉桑也未曾推翻愛因斯坦相對(duì)論中禁止超光速傳播的基本法則。我覺得這是本書很值得注意的一個(gè)重要特征。在上述問題上,本書堅(jiān)持如此獨(dú)特的立場(chǎng)而不是跟著其他科普?qǐng)D書人云亦云,這一點(diǎn)也不讓人驚訝。原因是,吉桑在20世紀(jì)最后25年那場(chǎng)量子理論革命中是一位關(guān)鍵人物。第一次量子革命于20世紀(jì)初開始,標(biāo)志是波粒二象性的發(fā)現(xiàn)。我們因此能極其精確地描述構(gòu)成物質(zhì)的原子,形成金屬、半導(dǎo)體內(nèi)電流的電子云以及構(gòu)成光束的數(shù)以億計(jì)的光子的統(tǒng)計(jì)特征。我們也終于能理解固態(tài)物質(zhì)的力學(xué)屬性,例如由相互吸引的正負(fù)電荷組成的物質(zhì)為何不會(huì)自我塌縮,這一點(diǎn)經(jīng)典物理完全無法解釋。量子力學(xué)使人們可以對(duì)物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行精確的定量描述。同時(shí),量子力學(xué)也為描述神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象和某些基本粒子的獨(dú)特屬性提供了必要的概念框架。在首次量子革命的照耀下,物理學(xué)家們發(fā)明了晶體管、激光發(fā)射器、集成電路等新裝置,正是這些發(fā)明引領(lǐng)我們步入了現(xiàn)今的信息時(shí)代。到了20世紀(jì)60年代,物理學(xué)家們開始追問在第一次量子物理革命中被擱置的兩個(gè)問題:第一個(gè)問題: 我們?nèi)绾伟芽梢宰龀鼍_統(tǒng)計(jì)預(yù)言的量子物理運(yùn)用到單個(gè)微觀粒子?第二個(gè)問題: 量子物體的糾纏對(duì)(entangled pair)的驚人特性是否真的與自然規(guī)律相一致?它在1935年的EPR論文上被描述過,卻從未被觀測(cè)到。我們?cè)谶@個(gè)問題的探索上是不是觸及到了量子力學(xué)的邊界?這些問題的答案,先由實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家給出,隨后理論物理學(xué)家對(duì)其加以完善。這一系列工作引發(fā)了第二次量子革命,并持續(xù)至今!單個(gè)量子的行為是目前物理學(xué)家們熱烈討論的焦點(diǎn)議題。在過去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里,大部分物理學(xué)家都認(rèn)為這個(gè)問題沒有什么意義,也不重要,因?yàn)閲L試觀測(cè)單個(gè)量子已是不可思議的事了,更別提去控制它,操縱它了。引用薛定諤(Erwin Schrdinger)的話: ……完全可以說,就像我們不能在動(dòng)物園里養(yǎng)魚龍魚龍,大型海棲爬行動(dòng)物,最早出現(xiàn)于2.5億年前,于9000萬年前滅絕。譯者注一樣,我們難以對(duì)單個(gè)微觀粒子開展實(shí)驗(yàn)研究。20世紀(jì)70年代是轉(zhuǎn)折點(diǎn),實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家設(shè)計(jì)出了觀測(cè)和操控像電子、原子、離子這樣的單個(gè)微觀粒子的實(shí)驗(yàn)方案。我一直對(duì)1980年于波士頓舉行的原子物理國(guó)際大會(huì)上人們所表現(xiàn)出的熱情記憶猶新。當(dāng)時(shí)托謝克(Peter Toschek)展示了第一張單個(gè)囚禁離子的成像圖片該種離子在激光照射下會(huì)發(fā)射熒光光子,實(shí)驗(yàn)中便是據(jù)此成像的。從那時(shí)起,實(shí)驗(yàn)上的不斷進(jìn)展使得觀測(cè)者能直接觀測(cè)到量子的躍遷,這讓數(shù)十年的論戰(zhàn)畫上了句號(hào)。這個(gè)故事表明,只要能正確解釋計(jì)算上的概率結(jié)果,量子理論可以完美地描述單個(gè)量子的特征。第二個(gè)問題和量子糾纏這一特性有關(guān)。關(guān)于這個(gè)特性的量子理論預(yù)測(cè)首先通過基于光子對(duì)(pair of photons)的實(shí)驗(yàn)獲得了檢驗(yàn);隨后一系列努力把實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景逐步推進(jìn)到了貝爾等理論物理學(xué)家所追求的理想狀態(tài)。無論這些實(shí)驗(yàn)看起來多么不可思議,它們卻非常一致地驗(yàn)證了量子理論的有效性。在20世紀(jì)80年代,吉桑不僅組建了一個(gè)研究光纖的應(yīng)用物理團(tuán)隊(duì),而且一直保持著對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的強(qiáng)烈個(gè)人興趣和理論上的執(zhí)著追求。因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)這類問題開展研究尚未被視為有價(jià)值的工作,他還要對(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人保密,至少是保持低調(diào)。所以,他成為首批對(duì)光纖中光子對(duì)的糾纏現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一是再正常不過的事了。憑借博學(xué)的光纖技術(shù)知識(shí),吉桑可以很好地使用日內(nèi)瓦周邊的商業(yè)電信光纖網(wǎng)絡(luò)來展示相距幾十公里依然存在的量子糾纏性,這讓參加實(shí)驗(yàn)的人員也頗感意外。通過一些基于基礎(chǔ)概念的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn),他證實(shí)了遙遠(yuǎn)物體間能發(fā)生糾纏,并讓量子隱形傳態(tài)協(xié)議(quantum teleportation protocol)投入應(yīng)用。他既是量子基礎(chǔ)方面的優(yōu)秀理論家,也是光纖應(yīng)用方面的專家,因此,他成為首批將量子糾纏性應(yīng)用于量子密碼(quantum cryptography)和真隨機(jī)數(shù)(truly random number)生成的科學(xué)家之一。我們能在這本充滿奇幻的書中發(fā)現(xiàn)吉桑的智慧所在。他用對(duì)大眾來說淺顯易懂的語(yǔ)言來描述量子物理中最特殊、最難以琢磨的問題(這一點(diǎn)是冒險(xiǎn)的,而他成功了),并且避免使用數(shù)學(xué)公式。他解釋了什么是量子糾纏、量子非局域性以及量子隨機(jī)性(quantum randomness),同時(shí)還為我們展示了與這些理論相關(guān)的應(yīng)用。但是,這本書又不僅僅是一本科普書,專業(yè)量子物理學(xué)者也可以就其中一些現(xiàn)象進(jìn)行深層次的討論,正如吉桑所強(qiáng)調(diào)的: 我們還遠(yuǎn)沒有搞清萬物運(yùn)行的機(jī)制以及運(yùn)行結(jié)果。那么,即使局域?qū)嵲谝驯粚?shí)驗(yàn)否定,我們是否就要拋棄物理實(shí)在或者局域性呢?對(duì)于這個(gè)問題,我跟吉桑處于同一個(gè)戰(zhàn)壕: 局域論和實(shí)在論曾經(jīng)密不可分,并且作為同一個(gè)理論在邏輯上是自洽的,那么將它一分為二并堅(jiān)持其中之一也就是不可取的。如果某個(gè)局域的系統(tǒng)會(huì)立即受到空間上相互隔離的另一系統(tǒng)的影響,我們?cè)撊绾味x這個(gè)局域系統(tǒng)中物理實(shí)在的獨(dú)立性?這本書為我們提供了較為溫和的解決方法。如果基礎(chǔ)量子隨機(jī)性存在,那么非局域性物理實(shí)在就能和愛因斯坦的相對(duì)論共存了。即使了解這些問題的物理學(xué)家們也將在吉桑的書中找到讓他們思考更上一層樓的資料;而一般讀者在世界上最優(yōu)秀的前沿專家的精心指引下,將直入問題的精妙之處,欣賞到量子糾纏和量子非局域性的神奇特性。
尼古拉·吉桑(作者):物理學(xué)家,日內(nèi)瓦大學(xué)教授,長(zhǎng)期從事于量子信息和量子通信的前沿研究,曾獲得約翰·貝爾獎(jiǎng)、國(guó)際量子通信獎(jiǎng)(量子信息領(lǐng)域最高獎(jiǎng))、馬塞爾·伯努瓦獎(jiǎng)(瑞士國(guó)家最高獎(jiǎng))等。
周榮庭(譯者):中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,科技傳播與科技政策系主任,先研院新媒體研究院院長(zhǎng),終身學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任。
阿蘭·阿斯佩克特(原文序作者):物理學(xué)家,完成了貝爾不等式的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。曾獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)、愛因斯坦獎(jiǎng)?wù)碌取?/p>
潘建偉(中文序作者):物理學(xué)家,中國(guó)科學(xué)院院士,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授。主要從事于量子物理和量子信息等方面的研究,是量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域開拓者之一。作為首席科學(xué)家主持京滬干線量子保密通信工程和量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程。曾獲得國(guó)際量子通信獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等。
前言1
導(dǎo)讀1
第1章開胃小菜1
第2章局域關(guān)聯(lián)和非局域關(guān)聯(lián)8
第3章非局域性與真隨機(jī)性39
第4章量子的不可克隆性54
第5章量子糾纏62
第6章實(shí)驗(yàn)75
第7章應(yīng)用84
第8章量子隱形傳態(tài)92
第9章自然是非局域的么?105
第10章當(dāng)前非局域性研究131
結(jié)語(yǔ)145
譯后記152