跨越時空的骰子 量子通信、量子密碼的背後原理 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

産品特色

編輯推薦

　　不僅僅是告訴你答案，而是帶領你思考。這是這本書重要的優勢之一。本書所有論述基於新的實驗事實，既具有客觀嚴謹性，同時緊隨科學前沿，這是本書的另一特點。同時，以想象中的一種遊戲——“貝爾遊戲”貫穿全書，使得本書具有可讀性。這些優勢得益於作者的獨特學術背景：吉桑是國際著名物理學傢，長期從事於量子信息和量子通信的前沿研究，在緻力於對量子原理進行實驗檢驗的同時，還對量子物理的基礎有著濃厚的個人興趣。常年的教學實踐又使得他擅長把握讀者的心思。

內容簡介

　　量子通信可以超光速嗎？如何實現不可破解的密碼？自然是非局域的麼？電子是否也有自由意誌？量子糾纏的本質是什麼？量子原理和相對論原理能否相容？……這些問題是目前科學研究的前沿，同時也是大眾所欲瞭解的熱點話題。《跨越時空的骰子：量子通信、量子密碼背後的原理》圍繞“非局域性”和“量子真隨機性”概念，以統一的方式對以上問題進行瞭深入淺齣的剖析。

作者簡介

　　尼古拉·吉桑（作者），物理學傢，日內瓦大學教授，長期從事於量子信息和量子通信的前沿研究，曾獲得約翰·貝爾奬、國際量子通信奬、馬塞爾·伯努瓦奬等。

　　周榮庭（譯者），中國科學技術大學教授、博士生導師，科技傳播與科技政策係主任，先研院新媒體研究院院長，終身學習實驗室執行主任。

目錄

前言1
導讀1

第1章開胃小菜1
第2章局域關聯和非局域關聯8
第3章非局域性與真隨機性39
第4章量子的不可剋隆性54
第5章量子糾纏62
第6章實驗75
第7章應用84
第8章量子隱形傳態92
第9章自然是非局域的麼？105
第10章當前非局域性研究131
結語145
譯後記152

精彩書摘

　　“一見鍾情！”這是吉桑（Nicolas Gisin）初次接觸到貝爾（John Bell）的理論時所說的話。聞知其感受，我的腦海中也浮現齣1974年鞦日裏自己沉迷於貝爾論文時的情形。盡管這篇論文在當時鮮為人知，我卻完全明白，這將會是通過實驗方式詮釋量子力學，解決玻爾（Niels Bohr）和愛因斯坦（Albert Einstein）分歧的關鍵！
　　在當時，即便有些物理學傢已經知道愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）提齣的“EPR佯謬”，卻很少有人聽說過貝爾不等式，更彆說去關注量子力學的基礎概念瞭。1935年發錶在《物理評論》（Physical Review）上的EPR佯謬論文，在一些大的圖書館裏很容易查閱到。而貝爾的那篇論文就沒有這份幸運瞭——它躺在一份不為人知的新期刊上，而那份期刊僅發行瞭四期便遭遇瞭停刊的噩運。在那個沒有互聯網的年代，那些沒有發錶在主流期刊上的論文隻能藉助復印機進行傳播。在希莫尼（Abner Shimony）的一次來訪中［受德帕尼亞（Bernard d�餎spagnat）邀請訪問奧爾賽］，我得到瞭貝爾那篇文章的復印件——復印自光學研究所（Institut d�餙ptique）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位論文聚焦於對貝爾不等式進行實驗檢驗，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，我找到瞭實驗者將麵臨的嚴峻挑戰： 當糾纏的粒子（entangled particle）從放射源發射到測量區域時，如何改變偏振檢測儀的方嚮？解決這一技術難題的關鍵是： 藉助相對論基本原則，即物理效應不能以超光速傳播，我們可以避免改變偏振檢測儀方嚮對粒子放射機製或測量方法所造成的影響。通過這樣的實驗，我們可以精確地檢驗兩種互相衝突的理論到底哪一個是正確的： 是玻爾的量子力學還是愛因斯坦所堅守的局域實在論（local realism）？局域實在論包含兩個基本原則。首先，係統存在物理實在（physical reality）；其次，局域性假設（locality assumption）成立，即由於相對論基本原則，一個係統不會被遙遠空間外的另一個封閉係統內所發生的任何事情立即影響。最終，實驗證明量子力學是正確的，並迫使大多數物理學傢放棄瞭愛因斯坦所竭力維護的局域實在論。但是，我們是否就要因此拋棄實在論(realism)或者局域論(locality)呢？
　　放棄物理實在的論點無法把我說服，因為我覺得物理學傢的使命在於精確地描述這個世界的實在，而不僅僅是預測測量儀器上所呈現的結果。不過，倘若量子力學在這方麵被證實瞭（時至今日，這看似已經確鑿無疑），我們是否該認定，這個明顯與愛因斯坦相對論準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，比如，以超越光速的速度來點亮一盞燈，或者在證券交易所下個訂單？但是，我們還不得不受量子力學另一特性的製約，即基本量子非決定論（fundamental quantum indeterminism）。這個理論認為，在任何具體實驗中，我們都不可能左右實驗的實際結果，盡管通過量子力學我們可以預見到可能齣現的各個結果。可以確定的是，量子力學雖然可以對實驗中各種可能結果的概率進行極其精確的計算，但是這些概率僅在相同實驗多次重復時纔有統計學上的意義。正是這種基本量子隨機性（fundamental quantum randomness）禁止瞭信息的超光速傳播。
　　在許多介紹量子物理最新進展的科普讀物中，吉桑的這本書清晰地強調瞭基本量子隨機性的關鍵地位。比如，如果沒有基本量子隨機性，有朝一日我們可望設計齣超光速電報係統！假使我們能發明齣這種隻有科幻小說裏纔有的神秘裝置，就不得不對以前所有的物理理論進行一次徹底的修正。我不認為有什麼不可觸碰、無法更改的物理理論。恰恰相反，我本人一直堅信，任何物理理論都有可能被適應領域更廣闊的理論所取代。然而，如果要修改一些基石理論，就會引發一場真正意義上影響深遠的物理觀念變革。雖然人類曆史中齣現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刻會再次發生。盡管非局域性量子物理充滿瞭奇特之處，吉桑也未曾推翻愛因斯坦相對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重要特徵。
　　在上述問題上，本書堅持如此獨特的立場而不是跟著其他科普圖書人雲亦雲，這一點也不讓人驚訝。原因是，吉桑在20世紀最後25年那場量子理論革命中是一位關鍵人物。
　　第一次量子革命於20世紀初開始，標誌是波粒二象性的發現。我們因此能極其精確地描述構成物質的原子，形成金屬、半導體內電流的電子雲以及構成光束的數以億計的光子的統計特徵。我們也終於能理解固態物質的力學屬性，例如由相互吸引的正負電荷組成的物質為何不會自我塌縮，這一點經典物理完全無法解釋。量子力學使人們可以對物質的光學性質、電學性質進行精確的定量描述。同時，量子力學也為描述神奇的超導現象和某些基本粒子的獨特屬性提供瞭必要的概念框架。在首次量子革命的照耀下，物理學傢們發明瞭晶體管、激光發射器、集成電路等新裝置，正是這些發明引領我們步入瞭現今的信息時代。
　　到瞭20世紀60年代，物理學傢們開始追問在第一次量子物理革命中被擱置的兩個問題：
　　第一個問題： 我們如何把可以做齣精確統計預言的量子物理運用到單個微觀粒子？
　　第二個問題： 量子物體的糾纏對（entangled pair）的驚人特性是否真的與自然規律相一緻？它在1935年的EPR論文上被描述過，卻從未被觀測到。我們在這個問題的探索上是不是觸及到瞭量子力學的邊界？
　　這些問題的答案，先由實驗物理學傢給齣，隨後理論物理學傢對其加以完善。這一係列工作引發瞭第二次量子革命，並持續至今！
　　單個量子的行為是目前物理學傢們熱烈討論的焦點議題。在過去相當長一段時間裏，大部分物理學傢都認為這個問題沒有什麼意義，也不重要，因為嘗試觀測單個量子已是不可思議的事瞭，更彆提去控製它，操縱它瞭。引用薛定諤（Erwin Schr�塪inger）的話： “……完全可以說，就像我們不能在動物園裏養魚龍魚龍，大型海棲爬行動物，最早齣現於2.5億年前，於9000萬年前滅絕。——譯者注一樣，我們難以對單個微觀粒子開展實驗研究。”20世紀70年代是轉摺點，實驗物理學傢設計齣瞭觀測和操控像電子、原子、離子這樣的單個微觀粒子的實驗方案。我一直對1980年於波士頓舉行的原子物理國際大會上人們所錶現齣的熱情記憶猶新。當時托謝剋（Peter Toschek）展示瞭第一張單個囚禁離子的成像圖片——該種離子在激光照射下會發射熒光光子，實驗中便是據此成像的。從那時起，實驗上的不斷進展使得觀測者能直接觀測到量子的躍遷，這讓數十年的論戰畫上瞭句號。這個故事錶明，隻要能正確解釋計算上的概率結果，量子理論可以完美地描述單個量子的特徵。
　　第二個問題和量子糾纏這一特性有關。關於這個特性的量子理論預測首先通過基於光子對（pair of photons）的實驗獲得瞭檢驗；隨後一係列努力把實驗場景逐步推進到瞭貝爾等理論物理學傢所追求的理想狀態。無論這些實驗看起來多麼不可思議，它們卻非常一緻地驗證瞭量子理論的有效性。
　　在20世紀80年代，吉桑不僅組建瞭一個研究光縴的應用物理團隊，而且一直保持著對量子力學基礎問題的強烈個人興趣和理論上的執著追求。因為當時對這類問題開展研究尚未被視為有價值的工作，他還要對項目負責人保密，至少是保持低調。所以，他成為首批對光縴中光子對的糾纏現象進行檢驗的實驗物理學傢之一是再正常不過的事瞭。憑藉博學的光縴技術知識，吉桑可以很好地使用日內瓦周邊的商業電信光縴網絡來展示相距幾十公裏依然存在的量子糾纏性，這讓參加實驗的人員也頗感意外。通過一些基於基礎概念的簡單實驗，他證實瞭遙遠物體間能發生糾纏，並讓量子隱形傳態協議（quantum teleportation�� protocol）投入應用。他既是量子基礎方麵的優秀理論傢，也是光縴應用方麵的專傢，因此，他成為首批將量子糾纏性應用於量子密碼（quantum cryptography）和真隨機數（truly random number）生成的科學傢之一。
　　我們能在這本充滿奇幻的書中發現吉桑的智慧所在。他用對大眾來說淺顯易懂的語言來描述量子物理中最特殊、最難以琢磨的問題（這一點是冒險的，而他成功瞭），並且避免使用數學公式。他解釋瞭什麼是量子糾纏、量子非局域性以及量子隨機性(quantum randomness)，同時還為我們展示瞭與這些理論相關的應用。但是，這本書又不僅僅是一本科普書，專業量子物理學者也可以就其中一些現象進行深層次的討論，正如吉桑所強調的： 我們還遠沒有搞清萬物運行的機製以及運行結果。那麼，即使局域實在已被實驗否定，我們是否就要拋棄物理實在或者局域性呢？對於這個問題，我跟吉桑處於同一個戰壕： 局域論和實在論曾經密不可分，並且作為同一個理論在邏輯上是自洽的，那麼將它一分為二並堅持其中之一也就是不可取的。如果某個局域的係統會立即受到空間上相互隔離的另一係統的影響，我們該如何定義這個局域係統中物理實在的獨立性？這本書為我們提供瞭較為溫和的解決方法。如果基礎量子隨機性存在，那麼非局域性物理實在就能和愛因斯坦的相對論共存瞭。
　　即使瞭解這些問題的物理學傢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秀的前沿專傢的精心指引下，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。
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簡單地說，量子物理的奇妙理論告訴我們，兩個在空間上分得很開的物體形成一個單獨個體的可能性不僅存在，而且極其常見，這就是糾纏。此時，如果我們“擾動”兩部分中的其中一個，這兩部分都會發生“振動”。首先需要注意1瑚是是，當我們進行“擾動”，即對一個量子個體實量的時候，將會産生一個完全隨機的響應——這響應隻是眾多可能結果中的一種，而每個結果發生的概率是可以由量子理論精確預測的。由於這是一個隨機事件，我們不能通過糾纏個體所錶現齣的整體性來發送信息。事實上，接收者隻能接收到噪音——完全隨機的一種振動。我們又一次看到瞭真隨機的重要性！但是你也許會說，如果我們不擾動第一個物體，那麼第二個物體就不會振動。因此我們可以僅僅通過決定是否擾動第一個物體來發送信息。但問題是：我們如何知道第二個物體是否發生瞭振動？為瞭證實這一點，我們不得不對其進行測量，而這測量本身就有可能使它振動。簡而言之，不管它可能和我們的直覺多麼相悖，兩個糾纏的物體實際上組成一個單獨個體的想法是不能通過簡單的爭辯來否決的。