深度长文(值得珍藏慢慢品味)：电子双缝干涉实验到底验证了什么？

这是有史以来第一次，人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。121年前的12月12日，马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。似乎什么都没有改变。包括马可尼自己，当时没有人能够想象，在接下来的一百

　　这是有史以来第一次，人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。

　　121年前的 12 月 12 日，马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。

　　似乎什么都没有改变。

　　包括马可尼自己，当时没有人能够想象，在接下来的一百多，通信会把世界变成什么样子。

　　2016 年 8 月 16 日，世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。

　　就像当年的马可尼一样，我们也无从想象，未来的量子计算与量子通信，终将带来一个怎样的魔法时代。

　　绝对安全的信息传输？

　　智商秒杀全人类的人工智能？

　　瞬移、穿越不再是科幻？

　　潘建伟教授的量子通信卫星上天了。

　　5 年后，人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技，和你的生活毫无关系？

　　让我们先从神秘的量子理论开始，解密量子通信。

　　这注定是一场不可思议的旅程。

　　如果你完全不懂量子力学，请放心大胆地往下看，我保证不用任何公式就能让你秒懂，连 1+1=2 的幼儿园数学基础都不需要。

　　如果你自以为懂量子力学，请放心大胆地往下看，我保证你看完会仰天长叹：什么是量子力学啊？

　　正如量子力学大师费曼所说：没有人懂量子力学。如果你觉得懂了，那肯定不是真懂。

　　在烧脑、反直觉和毁人三观方面，没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校，那么唯一和量子力学专业相提并论的，只能是黑魔法。

　　然而，量子理论之所以如此神秘，并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实，在量子理论刚诞生的摇篮时期，它只是一门人畜无害的学科，专门研究电子、光子小玩意儿。

　　而 「量子」 这个现在看来很厉害的名字，本意不过是指微观世界中「一份一份」的 不连续能量 。

　　这一切，都源于一次物理学的灵异事件。

　　百年战争

　　20 世纪初，物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题：光，到底是波还是粒子？

　　粒派

　　所谓粒子，可以想象成一颗光滑的小球球。

　　每当你打开手电，无数光子就像出膛的炮弹一样，笔直地射向远方。

　　很多著名科学家（牛顿、爱因斯坦、普朗克）做了很多权威的实验，确凿无疑地证明了是一种粒子。

　　波派

　　所谓波，就像往河里扔块石头，产生的水波纹一样。

　　如果把光看作是一种，可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。

　　很多著名科学家（惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹）做了很多权威的实验，确凿无疑地证明了光是一种波，电磁波。

　　可问题是，波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊！

　　粒子可分成一个一个的最小单位，单个粒子不可再分；波是连续的能量分布，无所谓「一个波」或者「两个波」；

　　粒子是直线前进的，波却能同时向四面八方发射；

　　粒子可以静止在一个固定的位置上，波必须动态地在整个空间传播。

　　波与粒子之间，存在着不可调和的矛盾。

　　于是自古以来，塞伯坦星上的科学家就分成两派： 波派和粒派 ，两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

　　很多人问我：科学家为什么要为这种事情势不两立，大家搁置争议、共同研究不就得了。

　　为了两个字：

　　信仰！

　　千面之神

　　且问你：《权力的游戏》中，信奉七神的维斯特洛人民，为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活？

　　自古以来，人们为了信仰争端大开杀戒，早已不足为奇。

　　唯一的和谐社会可能是古希腊：他们的神多达百八十号，有管天上、有管地下，各路神仙各司其职，倒也井水不犯河水。

　　人称：希腊众神。

　　要命的是，科学家们信仰的神只有一个，而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字，叫真理 。

　　大到宇宙的诞生，小到原子的运转，科学家们相信，这个世界的万事万物都是基于同一个规律，可以用同一个理论，甚至同一套方程解释一切。比如，让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力，让月亮悬在空中掉下来的也是万有引力。用同一个方程，既能算出地球的质量，也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天，这就是科学的威力。

　　想要一个宇宙、两种规律？

　　对不起兄弟，别在科学界混了，您可以去跳个槽，比如竞选总统。

　　当然，科学家们没有谁敢自称是真理的代言人，就连牛顿谦虚起来都是这样的：「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子，而真理的大海，我还没有发现啊！」

　　就算是捡贝壳，捡多了，说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢！

　　整个科学史，就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象，搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起，真理的图像就渐渐清晰。

　　在 20 世纪初，光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得，这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现，波派和粒派的理论早已背道而驰，还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片，自以为拼得差不多了。这时突然发现，你拼出的图案居然和别人是不一样的，而且差不是一点点！

　　是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动？

　　当时波派和粒派都坚信，自己手上的拼图，才是唯一正确的版本。

　　双方僵持不下直到 1924 年，终于有人大彻大悟： 波 or 粒，为什么光不能两者都是呢？

　　也许在某些时候，粒子看起来就像是波；在另一些时候，波看起来就像是粒子。波粒如同阴阳一般相生相克，就像一枚硬币的正反两面（波粒二象性），只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

　　真理确实只有一个，但是真理的表现形式，会不会存在着多个版本？

　　难道真理就是那个千面之神，用千变万化的面目欺骗了我们如此之久？

　　灵异的实验

　　究竟是波，是粒，还是波粒二象，大家决定，用一个简单的实验来做个了断：

　　双缝干涉实验

　　双缝，顾名思义，就是在一块隔板上开两条缝。

　　用一个发射光子的机枪对着双缝扫射，从缝中漏过去的光子，打在缝后面的，就会留下一个光斑。（等效于 1961 年电子双缝干涉实验）

　　在实验之前，科学家的推测如下：

　　第一种可能

　　如果光子是纯粒子，那么屏幕留下两道杠。

　　光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过，那么屏幕上留下的一定是 2 道杠，因为其他角度的光子都被板挡住了。

　　第二种可能

　　如果光子是纯波，那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。

　　光子穿过缝时，会形成 2 个波源。两道波各自震荡交汇（干涉），波峰与波峰之间强度叠加，波峰与波谷之间正反抵消，最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线（干涉条纹）。

　　第三种可能

　　如果光子是波粒二象，那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。

　　总之，

　　两道杠 = 粒派胜；

　　斑马线 = 波派胜；

　　四不像 = 平局。

　　是波是粒还是二合一，看屏幕结果一目了然，无论实验结果如何，都在我们的预料之中。

　　第一次实验 ：把光子发射机对准双缝发射。

　　结果 ：标准的斑马线。

　　根据之前的分析，这证明光子是纯波。OK，实验结束，大家回家洗洗睡吧。

　　粒派不服：我明明知道光子是一个一个的粒子！

　　这样，我们再做一次实验，把光子一个一个地发射出去，看会怎么样，一定会变成两道杠的！

　　第二次实验 ：把光子机枪切换到点射模式，保证每次只发射一个光子。

　　结果 ：斑马线，竟然还是斑马线，怎么可能？我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊！

　　最令人震惊的是，一开始光子数量较少时，屏幕上的光点看上去一片杂乱无章，随着积少成多，渐渐显出了斑马线条纹！

　　光子要真的是波，那粒派也不得不服。

　　问题是：根据波动理论，斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加；而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝，穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉？

　　难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个？一个光子分裂成左半光子和右半光子，自己的左手和右手发生了关系？事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休，我们倒要看看，光子究竟是怎样穿过缝的。

　　第三次实验 ：在屏幕前加装两个摄像头，一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子，就说明光子穿过了哪条缝。同样，还是点射模式发射光子。

　　结果：每次不是左边的摄像头看到一个光子，就是右边看到一个。一个就是一个，从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

　　大家都松了一口气。 光子确实是一个个粒子，然而在穿过双缝时，不知怎么就会变形成两道波同时穿过，形成干涉条纹。

　　虽然诡异了些，不过据说这就是 波粒二象性 了，具体细节以后再研究吧，这个实验做得人都要精分了。

　　然而，就在这时，真正诡异的事情发生了……

　　人们这才发现，屏幕上的图案，不知什么时候，悄悄变成了两道杠！

　　没用摄像头看，结果总是斑马线，光子是波；

　　用摄像头看了，结果就成了两道杠，光子变成了粒子。

　　实验结果取决于看没看摄像头？

　　这不科学啊，做物理实验竟然见鬼了啊！

　　一个貌似简单的小实验做到这份上，波和粒子什么的已经不重要了，重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。

　　这是有史以来第一次，人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。

　　观察者魔咒

　　你还没看出灵异在哪里？

　　好吧，请先看懂下面这个例子：

　　电视里正在直播足球比赛，一个球员起脚射门——

　　「咔」暂停，你预测一下这个球会不会进？

　　在球迷看来： 球进还是不进，和射手是不是 C 罗、梅西有关，和对方门将的状态有关，和裁判收没收钱说不定还有关。

　　在科学家看来： 有关的东西更多，比如球的受力、速度和方向，距离球门的距离，甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。

　　不过，只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算，完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁，大家都公认的是，球进与不进，至少和一件事情是绝对无关的：

　　你家的电视。

　　无论你用什么品牌的电视，无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏，无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡，当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进，该不进就是不进，哪怕你气得把电视机砸了都没用。

　　你是不是觉得，上面说的全都是废话？那么，仔细听好：

　　双缝干涉的第三次实验证明了，在其他条件完全相同的情况下，球进还是不进，直接取决于在射门的一瞬间，你看还是不看电视！

　　看还是不看，这是一个问题！

　　光子从发射器射向双缝，就好比足球射向球门；用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法，就好比用电视机看进球。

　　第三次实验与第二次的唯一区别，就是实验 3 开了摄像头观察光子（看电视），实验 2 没放摄像头（不看电视）——两次实验的结局竟截然不同。

　　这，就是观察者的魔咒。

　　难道说，不看光子它就是波，看一眼，它就瞬间变成粒子？

　　难道说，「光子是什么」这一客观事实，是由我们的观察（放不放摄像头）决定的？

　　难道说，对事物的观察方式，能够改变事物本身？

　　三观崩塌

　　在所有人懵逼的时候，还是有极少数聪明人，勇敢地提出了新的理论： 光子，其实是一种智能极高的外星 AI 机器人。

　　之所以观察会导致实验结果不同，是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了，如果发现有摄像头，它就变成粒子形态；如果发现是屏幕，就变成波的形态。

　　这个理论让我想起了传说中的：

　　难道机器人阿童木真的存在？（「阿童木」是日语「アトム」的发音直译，词语源自英语「Atom」，意即「原子」）

　　这种扯淡理论居然没被口水喷死，还要做实验去验证它，可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。

　　第四次实验： 事先，只有屏幕没有摄像头；

　　我们算好光子穿过缝的时机，等它穿过之后，再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。（等效于 1978 年惠勒延迟选择实验）

　　结果是啥？ 无论加摄像头的速度有多快，只要最终加上了摄像头，屏幕上一定是两道杠；反过来，如果一开始有摄像头，哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉，屏幕上一定是斑马线。

　　回到看球赛的那个例子，就好比：我先闭上眼睛不看电视，等球员完成射门、球飞出去 3 秒钟后，我突然睁开眼睛，球一定不进，百试百灵。

　　在你冲出门去买足彩之前，我先悄悄提醒你：这种魔咒般的黑科技，目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙，量子还做不到啊！

　　请注意，加不加摄像头，是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态，过了缝应该就定型了。

　　既然光子的状态在加摄像头之前就定型了，为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化？

　　难道说，在之后做出的人为选择（未来），能够改变之前已经发生的事实（历史）？

　　而且，加摄像头的速度，可以做到非常快（40 纳秒）。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚，当它变成波的形态穿过双缝，在最后一刻却发现面前是一个摄像头时，它也来不及再次变身了吧？

　　「主观决定客观」「未来改变历史」「外星人其实是无处不在的光子」……

　　好端端一个实验弄得谣言四起，物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。

　　与之一起崩塌的，还有全人类的三观。

　　量子魔法时代的大幕，正在徐徐拉开。

　　为了一只猫的死活，100 年前的天才哲学家，学历最高的足球运动员，撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥？

　　另一些人，却恰恰相反——他们做任何事，都是为了纠结，下面我要说的，就是另一些人的故事。

　　学历最高运动员

　　1908 年夏天。

　　丹麦，哥本哈根。

　　一名足球运动员正在思考自己的前程。

　　23 岁，是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟，已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上，哈那德·玻尔率丹麦队 17：1 血洗法国队，斩获银牌创造「丹麦童话」，一夜之间成为家喻户晓的球星。

　　而我，作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主力门将，居然从未入选国家队，这简直是一种耻辱。

　　国家队大名单里怎能没有我？

　　教练说我什么都好，唯一的弱点是喜欢思考人生。

　　上次和德国米特韦达队踢友谊赛，对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候，用一脚远射偷袭，打断我的思路！最后一刻不还是被我的闪电扑救解围，要是后卫早点上去堵枪眼，那场球踢完就可以交作业了。

　　是成为世界最伟大的门将，还是成为世界最伟大的物理学家，这是一个问题，我需要纠结一下。

　　第一章里我们讲到，100 多年前，为了搞清光子究竟是波还是粒子，科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。

　　这个实验明白无误地说明，光子既可以是波，也可以是粒子。

　　至于它到底是什么，取决于你的观测姿势 。

　　装摄像头观测光子的位置，它就变成粒子；不装摄像头，它就是波！

　　我们曾经天真地以为，无论用什么样的姿势看电视直播，都不可能影响球赛结果，可是在微观世界中，这个天经地义的常识好像并不成立，这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

　　但是在玻尔看来，将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上，纯属自寻烦恼。

　　通过常识，我们可以理解一个光滑小球的物理属性；但是凭什么断定，组成这个小球的万亿亿亿个原子，也一定有着和小球完全相同的属性？

　　凭什么在微观世界中，原子、电子、光子，一定要遵循和宏观世界同样的物理法则？

　　一般人纠结的问题无非是：量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊…… 只有天才，能够直截了当问出关键问题：这些法则是什么？ 严格来说，量子理论是一群人，而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话，我觉得非玻尔莫属，因为当别人纠结的时候，他第一个想通了。

　　通过前面那些烧脑的实验，玻尔总结了量子世界的三大基本原则：

　　态叠加原理

　　在量子世界，一切事物可以同时处于不同的状态（叠加态），各种可能性并存。比如，在双缝干涉实验中，一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态，才是最普通不过的本质形态；而在我们看来「正常」的非黑即白，才是一种特例。

　　测不准原理

　　叠加态是不可能精确测量的。比如，精确测出了粒子的位置，但它的速度却永远测不准！这并不是因为仪器精度不够高，其实，仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」，而非「有可能但目前做不到」。

　　观察者原理

　　虽然一切事物都是多种可能性的叠加，但是，我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测，必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的，其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

　　这样一来，实验解释起来就轻松多了：

　　「双缝干涉」实验的官方解释：

　　没装摄像头：光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态，以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝，形成干涉条纹； 装上摄像头：光子被观测后只能处于一个态，不能神奇地同时穿双缝了，所以干涉条纹就消失了。 这就是目前量子力学教科书上的正统理论：哥本哈根解释。

　　终于，一切都有了答案。

　　有了答案吗？

　　因为完美解释了双缝干涉等灵异现象，玻尔一（四）夜（面）成（树）名（敌）。 但小伙伴们却纷纷表示：这个理论不仅反直觉反人类，而且 bug 点很多! 比如，没有观测时，光子是混沌中的叠加态；观测的一瞬间，光子就变成了单一的确定态，请问两种态是怎样无缝切换的？ 按照玻尔的说法，观测的一瞬间，光子就随机蜕变成多种可能中的一种，还把这个过程取名叫 「塌缩」 。具体怎么个塌法，玻尔自己也说不清。

　　再比如，既然触发「塌缩」的前提是「观测」，那么谁能够成为合格的观察者呢？ 科学家、人类、一切生命体、还是包括人工智能在内的任何智慧形态？ 众说纷纭之际，给玻尔带来致命一击的，是一只猫。

　　一只猫的拷问

　　10 年前，正是薛老师亲手写下了量子波动方程，与矩阵力学、路径积分一起，被后人并称为量子力学的三大基石。

　　10 年后的 1935 年，对「哥本哈根解释」的群起而攻之，薛老师打响了第一枪。 当时，几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿，却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。 因为，「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强，都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理，就像「两点之间有且只有一条直线」，或者牛顿力学三定律一样，是无法、也无须证明的宇宙基本大法。

　　在玻尔看来，物理学家的任务是透过现象找规律，而不是去质问上帝：你为什么要把宇宙设计成这样子？ 而且，凭什么微观世界的宇宙法则，一定要和宏观世界的生活经验相符呢？ 无懈可击的玻尔之盾，也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战。

　　「薛定谔的猫」 就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验（以下实验纯属想象、推理，没有任何无辜的猫因此而被害）。 把一只猫关在封闭的箱子里。

　　和猫同处一室的还有个自动化装置，内含一个放射性原子：如果原子核衰变，就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤子->锤子落下->打破毒药瓶，于是猫当场毙命。 在这个邪恶的连环机关中，猫的死活直接取决于原子是否衰变；然而，具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

　　只要不打开盒子看，我们就永远没法确定，猫此时此刻到底是死是活。

　　刑具准备完毕，现在，薛老师对玻尔的拷问开始：

　　1. 原子啊、衰变啊、射线啊，这些都属于你们整天研究的「微观世界」，自然得符合量子三大定律，没错吧？

　　2. 按照玻尔你自己的说法，在没打开盒子观测之前，这个原子处于「衰变」+「没衰变」的叠加态，没错吧？

　　3. 既然猫的死活取决于原子是否衰变，而原子又处于「衰/不衰」的叠加态，那是不是意味着，猫也处在「死/没死」的叠加态？

　　原子衰变 = 死猫；原子没衰变 = 活猫；叠加态原子 = 叠加态的猫。

　　所以，按照哥本哈根解释，箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫，直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫？

　　薛老师的逻辑，其实就是反证法：以子之矛，攻子之盾。先假装你是完全正确的，然后顺着你的说法推理啊，直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了！

　　至于为什么要放进一只猫，这又是薛老师的高明之处。 以前大家研究原子、光子，总觉得那是与日常完全不同的另一个世界；无论量子多么诡异，我们总可以安慰自己说：微观世界的规律，不一定适用于宏观物体。 科学家们做完烧脑的实验，还能回归老婆孩子热炕头的正常生活。 现在，薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起，要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想，要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结，二选一。

　　连三岁小孩都知道，如果打开箱子看到一只死猫，那说明猫早就死了，而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候，你装作没听到惨叫声而已。

　　你的理论告诉我们，猫在被观测前是不死不活的；那么，如果把你关进一个密室，你不也变成不死不活了吗？或者，在密室中的你看来，全世界的人都是不死不活的僵尸态？还是说，地球和太阳是否存在，都变成不确定的了？ 薛老师的猫，本意是想让玻尔下不了台，万万没想到，这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。 哲学家们突然发现，终于有机会以专家的身份，来对科学界说三道四了。

　　「我思故我在」的误会

　　400 年前，一个法国大叔的思考，奠定了唯心主义哲学的核心思想。 假设世间一切都是幻觉，所谓人生，也许只是我们的大脑在黑客帝国的 AI 里做的一个梦，说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

　　那么问题来了：如果一切都可能是幻觉，那么，还有没有绝对不是幻觉的东西呢？

　　有。

　　唯一不可能是幻觉的，只有「我们正在思考世界是不是幻觉」这件事。

　　我在思考，至少说明我还是个东西。

　　其实，唯心主义并不是「我想要什么存在它就存在」，而是「只有我的意识（心）无可置疑，世界却可能是幻觉」。所以，如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作，会发现他们的逻辑严密得令人发指。

　　而唯物主义者的观点则是「我在故我思」：世界肯定不是幻觉，不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相。但是，到底哪一个世界观才对呢？

　　由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国，而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据，所以谁也无法说服对方。

　　直到唯心主义者们听说了量子力学。

　　这么说来，主张「心外无物」的明代哲学家王阳明，早在 500 年前就发明了量子力学！

　　王阳明与友人同游南镇，友人问曰：

　　「天下无心外之物，如此花树，在深山中自开自落，于我心亦何相关？」

　　先生答曰：

　　「你未看此花时，此花与汝心同归于寂，你来看此花时，则此花颜色一时明白起来，便知此花不在你的心外。」

　　唯心所现，唯识所变。

　　未看此花时，花的存在是不确定的叠加态；起心动念的一刹，花才会从不确定态「塌缩」为确定态，你观察的世界因此呈现。

　　意识与物质互为因果，无法割裂。量子力学的「观测导致塌缩」就是唯心主义的铁证！ 然而，很多人至今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量子黑科技，其实是道听途说导致的误会。 回到双缝干涉实验，如果科学家故意不观测实验结果，而是用机器自动记录；去掉人类的「意识」干扰，是不是量子态就不会塌缩了？

　　再比如，做实验时突然飞过一只苍蝇，在它的 N 只复眼注视下，光子的叠加态会因此而塌缩吗？（你以为苍蝇就没有意识吗？）

　　结果， 根本没有任何影响 ！

　　屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠，只与实验设备的设置有关，和谁来观测、是否观测无关。 只要实验中双缝全开，哪怕有一亿双眼睛盯着，看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹。 现在看来，比玻尔那句毁人不倦的「观察导致塌缩」更准确的表述是：

　　只要微观粒子处于「可能被精确测量」的环境下，它就会自动塌缩，并不需要等待「观察者」就位。

　　所以归根到底，量子实验仍然是不以主观意志为转移的。

　　眼见为实？

　　只不过，我们无法精确测量，只能用概率分布来计算这个客观世界，那么，薛定谔的猫真的存在吗？ 一开始，包括薛老师和玻尔本人在内，没有人相信世界上真会有不死不活、既死又活的猫。 可是不久之后，科学家们惊恐地发现，这件看似显然的事，居然没法证伪（证明猫不是叠加态）。

　　按理说，猫到底是不是叠加态，做个实验不就明白了？ 可惜，这个实验至今做不出来——毕竟，我们没法让猫产生干涉条纹啊！ 证伪不行，证实的方法倒是有一个：把这只猫造出来。 令人细思恐极的是，我们已经做到了。

　　1996 年，美国人梦露（男）用单个铍离子制成「薛定谔猫态」并拍下了快照，发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态，而同时又在第二个位置自旋向下，而这两个状态相距 80 纳米之遥！

　　这是人类有史以来第一次，亲眼「看」到活生生的量子叠加现象。 不过，这毕竟只是单个离子，和猫相比还差了十万八千里啊！ 2004 年，潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态。虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有 5 个光子，但还是令玻尔的追随者信心大增。

　　这说明，从单个微观粒子到严格意义上的薛猫（宏观量子叠加态），也许只是量变而非质变，它被亲切地称为：薛定谔的小猫。 如果继续增加粒子数量，是不是能把小猫慢慢喂肥成大猫呢？

　　然而，现实很残酷：目前「薛猫」的最高纪录，仍然是潘建伟 2012 年实现的 8 光子叠加态。要知道，为了增加区区 3 个光子，实验用了整整 8 年时间。可想而知，要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态，绝非易事。

　　在乐观者看来，这不过是暂时的技术困难，假以时日迟早会攻克；但也有人认为，量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界，像猫一样大的宏观叠加态，也许是这个宇宙明令禁止的。

　　有朝一日，能不能造出一只眼见为实的大薛猫，至少现在，我们还不知道。 但是我们已经知道：即使是小猫，也蕴含着无比惊人的能量。

　　1935 年，薛老师很忙。 除了 N 多前女友和养猫以外，薛老师发现了量子的另一个诡异之处，而当时几乎没有人注意到这个问题。 为了研究微观世界，看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿，科学家祭出了最强大的武器：粒子对撞机。 欧核中心（CERN）的加速器就是干这个的：

　　最常见的现象是：母粒子被撞击后，分裂成两个更小的粒子 A 和 B。

　　因为能量守恒原理，子粒子能量相同，方向相反。比如说，因为母粒子静止不动，所以分裂后的子粒子 A 向左边飞，B 一定往右边飞，这样才能左右抵消。同理，A 的自旋（角动量）向上，B 的自旋一定向下。 至于具体是向上还是向下，这是个随机事件，必须观测后才能知道。

　　那么问题来了：根据量子理论，在不被观测的情况下，粒子处于多种可能性的叠加态。

　　举个例子。 就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样：A 和 B 这对龙凤胎粒子，自打出娘胎起，他们的性别就没确定，直到有人来看了一眼，这才瞬间分出男女！

　　然而和薛猫不同的是，箱子里的猫只有一只，孪生粒子却有两个。而且，这两个粒子即使相隔很远很远，叠加态也能保持不变。如同在千里之外，瞬间产生联系……

　　是时候@爱因斯坦了。

　　来自幽灵的威胁

　　大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道，大神在 35 岁就已经功成名就（完成狭义+广义相对论），而在之后 40 年的悠长岁月里，他其实都在纠结一件事：量子力学。 曾经，他也是一个集美貌与才华于一身的男子：

　　研究量子力学 30 年之后：

　　能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的，不是深奥的理论和复杂的公式，而是宇宙的意义。 爱因斯坦深信，宇宙在本质上是高度和谐的，这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。 所以，一个理论如果不美，倒不是说一定是错的，但它肯定不够本质。 在更高的层面上，和谐，比对错更重要。而量子力学，在爱因斯坦看来，就是一种不和谐（不完备）的理论。

　　比如，量子力学的核心思想是：

　　微观世界的一切只能用概率统计来表达，而具体到单个的粒子，它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大 N 亿倍，就成了薛定谔的猫。

　　这是第一个让爱因斯坦不爽的地方：量子力学否认了物质的实在性。 爱因斯坦认为，根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数，只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切，只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。 你是不是突然有一种，和爱因斯坦英雄所见略同的感觉？

　　打个不太恰当的比方（给量子打个恰当的比方真的好难！）： 比如，我在知乎的粉丝男女比例是 80:20。 我相信，每个关注我的知友，一定都对自己的性别深信不疑。 然而，那些发明量子力学的疯狂科学家们，他们竟然说：80:20 的比例，说明每位知友的性别是不确定的，见面时 80% 的可能性会变成男生，20% 的可能性变成女生！

　　因为只有这样我才能解释，为什么线下活动时见面的都是男生，而索要福利的都是女生。至于女生为什么没来，可能是出于一些很简单的原因，比如当天身体不舒服。 仅仅因为我们不知道背后的原因，就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的，纯属不切实际的猜想。

　　这个「背后隐藏的原因」，学名叫作 「隐变量」 。

　　当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为，一旦我们揪出了隐变量，量子力学那些混沌不清的阴暗角落，就会被照亮得一览无余。 一个不掷骰子的上帝，一个确定无疑的世界，一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。到那时，「薛定谔的猫」之类的奇幻故事，只能给孙子当哈利波特讲了。

　　结果，猫的故事还没讲完，薛老师又想了一出「孪生粒子叠加态」，第二次触怒了爱因斯坦大神。 因为这一次，量子力学要挑战的是相对论。 研究微观小世界的量子力学，怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢？ 这又是薛老师「一不小心」捅下的篓子。 在薛定谔「孪生粒子」的思想实验中，两个相距万里的粒子，观测出 A 的状态，也就知道 B 的状态，因为 A 和 B 都是一个母粒子分裂而成的， B 的状态一定和 A 相反 。

　　因为 A、B 两个粒子的 命运紧密相连 ，牵一发而动全身，所以薛老师给起了个性感的名字： 量子纠缠 。 这就好比如：母亲把一双鞋分给兄弟俩，他们各带一只远走他乡。中国的哥哥打开盒子发现是左脚，就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚。

　　看上去，这并没有什么稀奇。

　　稀奇的是，根据量子力学的说法，弟弟那只鞋左还是右，不是他妈决定的，而是哥哥「打开盒子」的行为决定的。在哥哥看到左脚鞋的一瞬间，鞋里飞出一个神秘的信号，闪电般穿过千山万水，通知美国的另一只鞋变成右脚！

　　这个速度能有多快？

　　无限快。

　　但是，上帝允许无限快的瞬时传送吗？ 在这个宇宙中，没有东西能超过真空光速。不要说超过光速，就是试图接近光速的行为，都会导致时空的畸变。

　　宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的，在恢宏的空间中，银河系一边发生的任何事情，不可能立即对彼岸的世界造成影响。 就算此时此刻太阳爆炸了，我们还能逍遥自在地活 8 分钟，因为 8 分钟后，光才来得及从太阳飞到地球。 通过对粒子 A 的观测，居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作用」。

　　在严谨的学术界，「幽灵」是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速，更不存在超距作用，因为这是相对论的大前提：局域性。如果量子纠缠允许超光速，那么，是量子力学错了，还是已经被无数次实验证实的相对论错了？

　　在爱因斯坦看来，这压根不是个问题。 一双鞋，俩兄弟当时分到的就是哥左弟右；两个粒子，在分裂的一瞬间 A、B 的状态就是确定的。尘埃落定之后，你爱怎么观察就怎么观察，为什么要信量子力学那一套「观察决定实验」的鬼话？ 只可惜，在量子面前，人类的直觉和常识又一次大错特错。

　　终极黑客：约翰·贝尔

　　超距作用（量子）vs 局域性（爱因斯坦），人们曾经以为，这是个永远不会有答案的问题。 因为如果做实验验证，这两者根本没法区分啊！ 比方说，先制备一对所谓的纠缠态粒子，然后一个运到北京，一个放在上海。我先测量到上海的 A 粒子自旋向上，然后打电话去问北京的同事：哥们，你那边测下 B 是什么态？ 100% 是自旋向下！

　　爱因斯坦和量子理论都预言，B 的自旋一定和 A 相反。 也就是说，仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的，这就好比两个人都赌同一个球队赢，如何分胜负呢？但是不测量，又怎么可能知道它在测量之前是什么？ 显然，这个问题无解。

　　30 年过去，爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇，然而还是没有人认真思考过这个问题。

　　也许这就是为什么，做出这个近代物理学最重要的大发现的人，不是某位著名的教授，而是一位当时还默默无闻的工程师，也难怪当他投稿之后，文章居然被杂志编辑「不小心」弄丢了，拖了一两年才发表。

　　约翰·贝尔，36 岁提出「贝尔不等式」，欧核中心（CERN）加速器设计工程师，爱因斯坦的粉，业余爱好是研究量子力学的基础理论。

　　我一直觉得，贝尔不像个正统科学家，更像个「物理学黑客」。虽然和计算机黑客相比，他破解的是原子而非比特；但是，论及思维之独特、技巧之高超、发现漏洞之敏锐，则是有过之而无不及。

　　众所周知，粒子 A 的自旋一定和 B 相反；但贝尔发现，所有人都忽略了一件事：自旋在三维空间是有 3 个分量的。

　　A 在 X 轴的自旋分量（Ax）如果向上，B 在 X 轴的自旋（Bx）一定向下，但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的自旋（By、Bz）呢？ 如果爱因斯坦的局域性理论是对的，By、Bz 应该和 Ax 一毛钱关系没有，但是用量子力学算出来的结果，却有着微妙的区别：在某些情况下，By、Bz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联！

　　其他科学家们看到「贝尔不等式」先是嗤之以鼻，接着目瞪口呆，最后是深深的悔恨。这个深藏 30 年的宇宙级 bug，就这样被贝尔这位工程师挖了出来。 贝尔不等式的诞生，宣告了量子局域性之争，从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。

　　20 年后（1982），法国人阿兹派克特（Aspect）第一个成功验证了贝尔不等式，结论：

　　万万没想到，实验结果揭晓之后，最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒，人家下班不约会而去搞不等式的目的，就是为了证明量子力学错了！ 之后，贝尔花了大半辈子的时间，试图找出实验的漏洞，直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。 当然，这一切并没有什么用。

　　从阿兹派克特实验至今 30 多年，人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式，所有的实验无一例外，全部支持量子理论。 如今，除了层出不穷的民科，已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实。但很多人还是忍不住会想，贝尔不等式什么的还是太抽象了，能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢？

　　幽灵成像实验

　　比起喜欢用数学公式讲道理的贝尔，搞量子光学的史砚华可就实在多了。 我觉得，史教授 2008 年发明的「幽灵成像」，应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验。 请认真看下图：

　　幽灵成像的原理通俗易懂：先把红光子和蓝光子「纠缠」到一起，然后两者分开各走各路。红光穿过狭缝打出一定形状的图案，蓝光不穿缝正常走。 实验结果绝对震撼：明明没有穿过狭缝的蓝光，竟然也投射出了与红光相同形状的图像！ 如果这个实验能够早 70 年做出来，我真想看看爱因斯坦的表情。

　　这次，你总不能说：光子在纠缠之前就已经是那个形状了吧！ 穿缝还是不穿缝，显然是在光子出发后才决定的。发生在红光子身上的所有事，蓝光子也会分毫不差地经历一遍。这样看来，仅仅把量子纠缠比作龙凤胎还远远不够，他们出生时珠联璧合，长大成人之后仍然是生死与共！而且，通过改变红光那边狭缝的形状，想让蓝光打出什么样的图案都可以。

　　这就意味着，我们可以远程发送图像甚至视频，而无论距离多远、哪怕从宇宙的另一端传过来都是瞬时传输的，延迟时间永远为 0。 然而，这岂不是违反相对论（任何信息和物质不能超过光速）的公理了吗？ 并没有！ 虽然信息是瞬时传送过来了，但要把其中的乱码剔除，提取出真正的内容，还是必须把图像用不超光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心的「超光速」问题，原来只是杞人忧天！

　　大自然就是如此微妙。

　　宇宙的规则也许看似奇怪，内在却有着惊人的自洽性。 我们只能说相对论和量子力学之间存在着理论上的矛盾，但从来没发现物理规律本身有自相矛盾的地方。 如果把宇宙看作一个产品，最令人细思恐极的是：无论狡猾的人类捣鼓出多么刁钻古怪的实验，这个同时在线用户数高达 10^80（1 后面跟 80 个 0）的产品却从来不会被搞出 bug。

　　如果宇宙真有一个产品经理的话，请收下我卑微的膝盖，顺便想问一个问题是：为什么您的宇宙中会有量子纠缠呢？

　　量子纠缠背后的秘密

　　100 年前，量子力学的祖师爷玻尔说： 如果谁没有被量子力学惊到，那他肯定不懂量子力学。 爱因斯坦： 我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。 造出第一颗原子弹的费曼更直接： 没有人懂量子力学！ 学了 100 多年的量子力学，今天，我们懂了吗？

　　墨子号首席科学家、中国量子通信第一人潘建伟说：「如果能搞清楚为什么有量子纠缠，我可以现在去死」，接着潘老师又说：「但是现在还没搞清楚，所以我想活得长一点……」

　　考虑到潘院士今年才 51 岁，这句话似乎暗示着，我们在 50 年后都不一定能搞懂量子了。

　　这些牛人说的「不懂」，可不是小学生学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清了微观世界的所有基本规则，建立了强大的数学模型，算出来的理论预测和实验结果分毫不差，但我们还只是一个拿到使用说明书的孩子，对于其意义和目的一无所知，莫名地好委屈。

　　然而现在，越来越多的线索显示，量子纠缠的背后，可能隐藏着一个巨大的秘密。

　　2013 年，Maldancena 和 Susskind 发现，量子纠缠和虫洞（虫洞即爱因斯坦·罗森桥）在数学模型上非常相似。他们猜想，量子纠缠也许就是一个微型虫洞。 量子纠缠中最神秘的现象「超距作用」其实并没有超越光速，而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么，孪生粒子能够异地千里，同呼吸、共命运的真正原因。 请认真看下图：

　　而在 2010 年 Van Raamsdonk 的独立研究中，发现了更为惊人的线索。 他建立了一个类似真实宇宙的三维宇宙模型，一旦在模型中去掉量子纠缠，时间和空间就会被打乱成碎片。 正是无处不在的量子纠缠，像建筑物的钢筋结构件一样，把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。 请认真看下图：

　　在有进一步的实验证据之前，我们无法评价这些猜想有多靠谱。但是令理论物理学家们心跳加速的是，各条独立的线索似乎指向着同一个宝藏。找到它，发现量子纠缠真正的秘密，就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的大爆炸时刻，宇宙是怎样被建造出来的。

　　为了传说中的 One Piece，越来越多身怀绝技的人踏上了量子时代的大航海之路。 有人说：哲学家们总是用各种方式解释世界，但问题在于改变世界。其实，科学和文明的高度，取决于我们对于世界理解的深度。 通过认识和理解世界，猿人把手中的石块换成了自然规律，拥有了改天换日的力量。当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时，谁能想到，30 年后广岛在火海中的哭喊？

　　自从 1900 年普朗克发明「Quantum」这个单词至今，量子终于从哲学辩论会的题材，变成了魔法般的黑科技。 基于量子纠缠，可以造出比现在快 1 亿倍的量子计算机，而超距作用和贝尔不等式，则把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器。

　　改变世界的时刻真的到了！

　　公元前 54 年，深冬。 高卢，毕布拉克德。 罗马共和国高卢行省长——尤里乌斯·恺撒，借着帐篷里的烛火，正在一张羊皮上写着什么。 战况紧急！ 恺撒的爱将西塞罗，突然遭到维尔纳人的围攻。 现在，必须立刻派一名骑兵送信给西塞罗，命令他重整旗鼓，两军合力突围。 可是，万一这封信被敌人截获怎么办？ 想到这里，他不由自主地停下了笔，棱角分明的脸上，分明掠过一丝狡猾的微笑……

　　恺撒大帝、福尔摩斯与密码学

　　作为罗马的第一位独裁者，恺撒大帝还有一个鲜为人知的技能点：

　　其实，大帝不是历史上第一个想出加密算法的人。据说，我朝的姜子牙在 3000 年前，就发明了古装版密码本「阴书」。

　　但恺撒密码，却很有可能是首个广泛运用到军事通信领域的加密技术。 恺撒密码的原理，说白了就是一个字： 替换 ！ 如果心里想的是字母 A，纸上就写 B；要写 B，就用 C 代替。当然，我也可以用 D 替换 A，用 E 替换 B，以此类推（偏移 3 个字母）。

　　只要收发双方都知道偏移量是几，就能轻松加密和解密；而外人看到的无非是一堆乱码。 这就让上课传小纸条，有了新招数！心里想（明文）：I love U，老师看到（密文）：L oryh X。 在今天看来，这种算法极易破解，毫无技术含量可言。但在当年的罗马战场，这就是令吃瓜群众望而生畏的黑科技！ 在恺撒制霸罗马的全盛时期，就连教主耶稣都不得不服： 上帝的归上帝，恺撒的归恺撒。

　　然而讽刺的是，这样一位狂拽酷炫屌炸天、还精通密码谍战的军事天才，却死于一场密谋政变，生生被戳了 23 刀。为了纪念大帝，人们把恺撒制成了扑克牌上的标本：方块 K。

　　又过了一千多年，恺撒大帝和他的罗马帝国早已灰飞烟灭，恺撒密码和扑克却被后人发扬光大。 原版的恺撒密码，是用字母替换字母，而且所有字母还是按照偏移量顺序替换的，极大地降低了破解难度。到了维多利亚时代，这两个弱点终于被改进。于是，连福尔摩斯逮到的一个普通黑帮小弟，都学会原创这样的密码了：

　　我们来看，传说中的卷福，是怎样破解这种图形密码的。 在英文字母中 E 最常见。第一张纸条上的 15 个小人，其中有 4 个完全一样，因此猜它是 E。

　　这些图形中，有的带小旗，有的没有小旗。从小旗的分布来看，带旗的图形可能是用来把这个句子分成一个个单词。 现在最难的问题来了。 因为，除了 E 以外，英文字母出现次数的顺序并不很清楚，要是把每一种组合都试一遍，那会是一项繁琐且无止境的工作。 根据似乎只有一个单词的一句话，我找出了第 2 个和第 4 个都是 E。

　　这个单词可能是 sever（切断），也可能是 lever（杠杆），或者 never（决不）。

　　毫无疑问，使用 never 这个词来回答一项请求的可能性极大，所以其他三个小人分别代表 N、V 和 R。 如此这般以此类推，福尔摩斯利用上（主）下（角）文（光）逐（环）个（的）击（加）破（持），分分钟破译了全部 52 个密文：

　　不过，所有基于替换法的加密算法，都有一个致命的弱点：因为凡是用字母构成的文字，其字母分布都要符合语言规律，比如英文单词中 E 最常见，Z 和 X 最罕见，无论把字母替换成多么奇葩的东西，符号的分布规律永远不会变，用概率统计+穷举法+玩填字游戏的基本技巧，任何密文的破解只是时间问题。

　　就当小伙伴们都以为恺撒密码的发展已经走到头的时候，德国人谢尔比乌斯却给替换式密码来了一次大升级，造就了有史以来最可靠的加密系统，一度令盟军绝望的噩梦，让希特勒成也萧何败也萧何的二战谍报神器——英格玛密码机，又叫恩尼格玛密码机（ENIGMA）。

　　二战谍报神器跌落神坛

　　英格玛（Enigma）密码机牛在哪里？

　　1．机器加密

　　这是世界首台全自动的加密机器，而此前编码、译码一直靠人力。 我国由于国情原因，直到 20 世纪 80 年代还在用铅笔+纸的人肉编码方法。 用机器的好处不仅是省力，而且，可以轻松搞定人力难以企及的复杂算法。

　　2．复式替换

　　虽然基础原理和恺撒密码相同，但英格玛的字符替换方式却高级了不止一个档次：复式替换。 也就是说，如果你连打 3 个 A，恺撒密码的密文可能是 DDD，但英格玛的密文却可能是 BDA。 英格玛的神奇之处在于「转子」，它通过转动的方式实时改变替换方式，每敲一个字所用的替换方式都不同，这让依赖频率分析、概率统计的破解方法从此无的放矢。

　　原版的英格玛密码机只有一个转子，二战时期德军为了万无一失，把转子加到了 3 个。

　　每个转子都有独立的设置，3 个转子所有可能的设置，高达 105654 种组合！这样一来，连穷举法暴力破解的一线希望都断了念想。 正因为英格玛在当时太过逆天，以至于德军从此高枕无忧，以为盟军这辈子也别想破解了。 他们说得没错。单凭人力，是不可能干过英格玛密码机的。能够破解这台机器的，只能是另一台机器，一台算力更强大的机器。

　　马拉松运动员同志阿兰·图灵 1941 年发明的机器解码，用传统的频率分析+机器暴力穷举干掉了英格玛，从此军情六处把德军的情报兜了个底朝天。直到盟军诺曼底登陆，德国人还没有反应过来，他们正是被自己的传家宝坑死的。

　　而图灵的这台机器，就是世界上第一台计算机。 在计算机时代，复式替换加密从此跌落神坛、万劫不复。 而且实战中还发现，有时最容易攻破的反而不是算法，而是人。 只要搞定那个掌握密码本的人，一切密钥都不攻自破。

　　全民加密：RSA 技术

　　显然，拥有密码本的人越少越好。 但问题是 How？ 曾经，这是个无解的难题。 道理很简单：密码本必须人手一本，否则卧底同志们还拿什么来加密通信呢？

　　历史告诉我们，当所有人都认为无解的时候，换个思路，往往就是柳暗花明、醍醐灌顶的时刻。 传统的密码学中，无论采用何种加密算法，都默默地遵循着一个思维定式：加密和解密是互逆的，也就是说，只要知道如何加密，就一定知道如何解密，反之亦然。

　　这被称为「对称加密」。

　　而世间还有一种「非对称加密」（RSA）：我可以把加密方法公开给全世界（公钥），但解密算法（私钥）只有我一个人知道，就算你知道如何加密，也不可能据此推出如何解密。 RSA 为什么能做到「知道加密算法也推不出解密算法」？

　　这基于一个数学事实：将两个大素数相乘十分容易，但对乘积因式分解、还原成两个素数却极其困难，而且数字越大，困难级别指数上升。 解密靠的是私钥，而破解私钥的唯一方法是猜出公钥是哪两个数字的乘积，因此，把大数乘积作为公钥公开是非常安全的。

　　举个例子：

　　37×97=3589 小学生都会手算，但是，问 3589 是哪两个数的乘积？你回答得出来吗？ 如果觉得靠运气能凑出答案，你可以挑战一下这个：

　　在对称加密时代，密码本只能人手一本；有了 RSA，真正的密码本（私钥）只要总部的领导一个人知道就行，在各地卧底的特工们靠公钥就能加密发密文。 这就是为什么 RSA 能在短短 40 年内取代流传两千多年的恺撒，成为当今世界全民加密的事实标准：方便。

　　生活中，当你网购时，浏览器用公开下载的公钥把你的付款信息加密发送给服务器，服务器用没人知道的私钥解密信息，这一切是在你没有丝毫察觉的情况下悄然完成的。更给力的是，RSA 还是一个相当坚固的加密算法。

　　比如，上面那个用来吓人的数字，有 232 位（768 比特），这已经是当今地球上计算机能分解的最大整数了。 而你在网上随便申请一个免费的 https 加密证书，长度都有 2048 比特！ 在回顾了人类几千年来的密码学成果之后，请你，把它们统统忘掉。 因为现在，无敌的量子通信来了。 它靠的可不是什么逆天的算法，而仅仅是两枚神奇的硬币。 当所有的密码都可以秒破，只有量子通信可以做到无条件安全。

　　未来，已来。

　　由一枚硬币开启的超距传输

　　喂，年轻人！我看你骨骼精奇，是万中无一的创业奇才。 我这里有一对魔法硬币，与你有缘，就十块钱卖给你吧！ 别看它长得和普通的一元硬币差不多，这种硬币有一项：

　　你想啊，这种硬币如果做成情侣版，肯定大卖！尤其是异地恋：

　　你和你伴侣人手一枚，你在北京不断抛硬币 A，发出「正正反反」之类的信号，她在西雅图的硬币 B 就会自动变成「反反正正」，编码成「0011……」，再转成 ASCII 码就是：

　　I LOVE U

　　理工男的浪漫，你懂不懂！

　　再想想，如果能好好包装一把，还能卖给国家航天局、NASA 之类的土豪机构！ 从月球到地球 38 万公里，电磁波信号需要走 2 秒多。月球的宇航员别说游戏玩不了，打个电话都卡死机。火星就更远啦，1 亿公里，得延迟 5 分钟！

　　但是用无延迟的魔法硬币做星际通信，网游不卡了，电话不等了，干啥都流畅！ 要问魔法硬币有没有缺点？ 你还别说，是有个小问题，不过不影响使用啦——就是每次抛硬币时，翻到正面还是反面，要看人品（喂，喂！年轻人，别走啊…… ）

　　好啦！以上故事是玩笑，但魔法硬币可不是玩笑。 用量子纠缠态的一对孪生粒子，自旋向上=硬币正面，自旋向下=硬币反面，就能做出如假包换的「魔法硬币」。 无论相隔多远的距离，处于「纠缠态」两个孪生粒子就像有心灵感应般，零延迟、发生同步反应。如果把孪生粒子放在两地，在地球观测粒子 A 发现自旋向上，火星上的粒子 B 会因此而瞬间变成自旋向下，仿佛两个粒子之间始终有一道穿越时空的纽带——这就是传说中的「超距作用」。

　　因为 A 的粒子自旋态始终和 B 的相反，所以地球人只需观测一下粒子 A，就能实时改变粒子 B 被火星人观测到的自旋态。当火星人读取出 B 的自旋态时，相当于接收到了地球发来的一个比特。 如果把孪生粒子比作一对魔法硬币，通信双方重复以上步骤、通过「抛量子硬币」传送信号的方式，就叫作量子通信。

　　问题在于，就算拥有把爱因斯坦吓傻的超能力「超距作用」，量子通信却没法用来瞬时传数据！ 因为，每次硬币（自旋）是正是反，是个完全随机事件，不要说控制，连影响都做不到。你想发「正正反反」，它给你来个「反正反正」——试想如果不能畅所欲言，对方接收到的都是乱码，还谈何通信呢？

　　既然发的是一团乱码，那么就算能够穿越宇宙瞬时传送，也称不上是真正的通信。 爱因斯坦当年杞人忧天的「超光速通信」问题，就这样被「随机性乱码」天衣无缝地解决了。 要想用量子传点有意义的东西，解决的办法只有一个： 用量子通信发完「反正反正」之后，赶紧再用微信给对方补个留言「错对对错」，告诉他哪些信号是发错的，让他自己纠正。

　　也就是说，对方收到量子信息虽然是瞬时的，但要从一团乱码中找出真正的意义，还得靠传统通信方式，微信、电话延迟多久，量子通信就延迟多久。你是不是在想：既然如此，不如我直接发个微信得了，还要用量子通信干吗？

　　所以，只有聪明人才能看出，量子通信真正的威力。

　　无条件安全，可能吗？

　　每次我和朋友聊起「无条件安全」的量子通信，几乎所有人都认为我在吹牛。 大多数人直觉上认为，凡事无绝对。 你说破解难度很高，OK；说 99.99% 安全，或许吧；但打死我也不信，世界上存在无懈可击的东西。 但是他们忘了，绝对安全的加密通信，其实早在 75 年前就被发现了。 1941 年，信息论的祖师爷香农，在数学上严格证明了：不知道密码就绝对无法破解的安全系统，是存在的。

　　而且，更令人惊讶的是，这种绝对安全的密码出人意料的简单——只需符合以下 3 个条件：

　　一次一密：每传一条信息都用不同的密钥加密，断了敌人截获一本密码本后，一劳永逸的妄想；

　　随机密钥：生成的密钥是完全随机的，不可预测，不可重现，破解者更不可能猜出规律，自己生成所有密钥；

　　明密等长：密钥长度至少要和明文（传输的内容）一样长，破解者穷举所有密钥，相当于穷举所有可能的明文。

　　谁要是有本事通过穷举猜出明文，还来劳什子破解密钥干吗？

　　奇怪的是，香农发明「无条件安全」的 75 年后，我们居然还没能用上这个黑科技。因为在当时的技术条件下，要同时符合这 3 个要求根本不可能！

　　先说「随机密钥」：请计算机程序 rand() 生成的随机数其实并不是真正的随机，理论上，如果知道已经产生的随机数，就有可能获得接下来的随机数序列（可预测）。 再看「明密等长」：如果我能轻松吧这么长的密钥安全地发送给对方，为什么不干脆发送明文呢？这样岂不是多此一举？

　　最后「一次一密」：每发一次信息就要更新密钥，但通信双方又不能天天见面接头，否则还要加密通信干什么？ 然而，在不计成本的最高级别通信场合下，「一次一密」还真的用上了。 比如先编写一部超级长的密码本，派特工直接交到对方手里，然后双方就可以暂时安全通信了。 仅仅是暂时。 密码本用完之后，特工又得出动再送一本新的……（007：你以为我是快递小哥吗？）

　　就这样，我们研究了 75 年的密码学，什么对称加密、非对称加密（RSA）和黑客们展开了无数次「道高一尺魔高一丈」的攻防大战…… 直到我们遇见了香农 75 年前预言的密码学终极形态：无条件安全的量子通信。75 年前没有人能想到，那些「看上去几乎不可能实现」的三大要求，简直就是为量子通信量身定做的。 就拿最简单的量子通信协议——孪生粒子的量子纠缠来举个例子：

　　1. 随机密钥：服务器生成一对孪生粒子 A 和 B，分别发送给通信双方。注意，A、B 被观测后的自旋状态是完全随机的，不要说敌人，就连自己人都看不出规律来！。

　　2.明密等长：要发送的「正正反反」是明文编码，量子通信随机产生的「反正反正」相当于密钥，微信发送的纠错码「错对对错」是加密后的传送内容。此时，正文、密钥、纠错码，三者的长度完全相同。

　　3. 一次一密：为了发送 4 个比特的明文编码「正正反反」，服务器总共生成了 4 次随机密钥，每次传输 1 比特明文，都有 1 比特密钥保驾护航。 此时，破解的可能性，不是万分之一，也不是亿万分之一，就是 0。而且，最令人不可思议的是，量子通信不仅无法破解，还自带反窃听属性。就算敌人截获了每一次密钥，同时拿到了「正正反反」「反正反正」「错对对错」三条信息，量子通信仍然是安全的！

　　下面，就是见证奇迹的时刻。

　　反窃听，掌握主动权

　　量子通信为啥能反窃听？

　　因为量子世界三大定律之一：测不准原理。 如果敌人想要截获量子密钥，必须先截获 A、B 两个纠缠态粒子，然后测一下自旋态。 问题就出在这里。 量子态不是先天决定的，而是被你的测量决定的：你测了，它就从魔法般的量子纠缠态，变成平淡无奇的确定态了。 还记得前面提到的工程师贝尔吗？

　　他发明的「贝尔不等式」原理，就是用来检测纠缠态粒子之间是否存在「超距作用」。 当被敌人测过的 A、B 粒子到达我们的同志手中，他们只要做一件事，就能看出量子密钥是否被动过手脚：用阿斯派克特实验验证贝尔不等式——如果发现 A、B 之间的超距作用已然消失，只能说明一件事：在我方测量之前，已经有人测过了。

　　虽然在原理上，通过验证贝尔不等式已经足以确保信道的安全，然而在实际应用中，做阿斯派克特实验实在太麻烦了。 所以量子通信卫星「墨子号」用的是更先进的量子密钥分配协议——BB84 协议。和原版量子纠缠通信的不同之处在于，它利用光子的偏振方向（而非自旋态）产生随机化的 0 和 1（量子比特）。 当然，BB84 的安全性同样依靠量子「测不准原理」：窃听者对量子信号的测量会改变信号本身，导致接收方收到的信号中乱码大增，从而暴露了自身的存在。

　　从军事的角度来说，比无法破解的通信更安全的，是无法窃听的通信；比无法窃听的通信更安全的，是能发现窃听者的通信；比能发现窃听者的通信更安全的，是我能发现有人窃听，但窃听者却不知道被我发现了的通信。

　　「不被窃听」很重要，「发现窃听者」很重要，这些都容易理解，但为什么「窃听者不知道被我发现」更重要呢？

　　因为，如果窃听者不知道他已经暴露了，我军可以将计就计，故意发一些假消息引君入瓮！把谍战的主动权抓到自己手中，在军事上，比被动地单纯反窃听更管用。 就拿二战的逆转战役「诺曼底登陆」来说，其实希特勒早就料到盟军会把赌注押在诺曼底，但盟军情报部门用了一年的时间给德军传送假情报，发出几千封加密电报供德军破译，硬是忽悠得元首大人连自己都不相信了。

　　量子通信就属于第三种：「我方可以轻松发现窃听，而窃听者却不知道被我发现」的加密通信，而且是当今所有已知加密手段中，唯一能做到第三层次的技术。

　　当然，窃听者也知道量子通信的厉害。正因为如此，没有哪个间谍敢随便窃听量子通信的信息，就算窃听到了也没人信：我怎么确定这次窃听到的情报不会把元首坑死？ 而攻击量子通信的唯一方法，不是窃听、破解，只能是干扰：例如用强激光照射接收器将其「致盲」，量子信道被干扰成乱码，把敌我双方拉回到同一起跑线。 毕竟，量子通信的特长是反窃听，而不是抗干扰。

　　但这称不上是量子通信的弱点。其他所有传统通信方式，在干扰下都会难以为继，「无条件不受干扰」的通信，目前还没发明出来呢。

　　最强之矛与最强之盾

　　量子通信卫星「墨子号」上天之后，立刻遭到了某些民科的抵制。 有说阴谋论的，有说浪费纳税人钱的，就是没有一个能说清量子通信究竟是怎么回事。 不过，在这群流言之中，让我印象最深的，是一个网友的发帖。

　　前 4 个问题，看完前面的内容，读者应该都可以自己回答了。不过，起码人家还说对了一点：「目前的加密系统早就超过实际所需了，你啥时听过有银行是因为信息窃听被破解的？」

　　讲真，目前的加密系统并不是没法破解，而是破解成本太高。就拿银行最常用的非对称加密算法 RSA 来说，2009 年，为了攻破一枚 768 比特的 RSA 密钥，一台超级计算机足足算了几个月，这几乎是当今计算机性能的极限！

　　虽然理论上，RSA-768 已不再安全，但由于 RSA 算法的破解难度随着密钥长度指数级上升，所以让 RSA 再次固若金汤非常简单：把密钥位数加长到 1024 比特，就会让破解时间增加 1000 多倍。 其实，现在网上交易最普遍的 RSA 密钥，至少是 2048 比特。然而，在互联网时代大获成功的 RSA 加密，真的能让我们高枕无忧地用上 500 年吗？

　　未必！

　　RSA 加密的前提是「加密容易解密难」。在 RSA 的核心算法中，用到了大数因式分解：把两个素数相乘(A*B=C)，比把这个乘积 C 做因式分解还原出 A 和 B 容易得多，数字 C 的位数越多，因式分解的时间就越长。

　　但是，有没有这样一种可能：随着算力越来越强，解密的时间越来越短，会不会有朝一日再长的密码都可以秒破呢？甚至，有没有可能出现，解密的速度比加密还快的尴尬局面？ 这就是困扰计算机系的同学们 50 年的经典问题：P 是否等于 NP？

　　P 就是能在多项式时间内解决的问题，NP 就是能在多项式时间验证答案正确与否的问题。抛开复杂的定义不谈，P=NP 实际上问的是：如果答案的对错可以很快验证，它是否也可以很快计算？

　　一开始人们觉得，P 显然不等于 NP。

　　比如，「找出大数 53308290611 是哪两个数的乘积？」很难，但要问「224737 是否可以整除 53308290611？」这小学生都会算。 在密码学领域，这正好是我们想要的结果：加密（相乘）容易解密（因式分解）难。

　　如果 P=NP，就势必存在一种算法，使得对 53308290611 做因式分解和验证 224737 是否是因子一样快（加密和解密同样容易）。 如果 P 真的等于 NP，为什么这么多年，都没人想出这种逆天的算法呢？

　　然而，令人细思恐极的是，我们至今还没法严格证明 P 不等于 NP，反而有人发现，在某种特定的计算模型下： P=NP 竟然是成立的！

　　这种 「特定的计算模型」 叫作 量子计算机 。和非 0 即 1 的传统计算机不同，量子计算机的「量子比特」可以处于「既是 0 又是 1」的量子态。

　　在量子世界，这种不可思议的「既死又活」，反而是最平常的现象：量子叠加态。还记得薛老师那只不死不活、又死又活的混沌猫吗？

　　量子叠加，使得量子计算机具有传统计算机做梦都想不到的超能力： 在一次运算中，同时对 2^N 个输入数进行计算。

　　举例说：

　　如果变量 X=0， 运行 A 逻辑； 如果变量 X=1， 则运行 B 逻辑。

　　这种最普通不过的条件判断程序，在传统计算机内部，永远只会执行 A 或 B 的一种逻辑分支，除非把 X=0 和 X=1 的两种情况各运行 1 次（共运行 2 次）。

　　但对于量子计算机，A 和 B 在一次计算中就同时执行了，因为变量 X 是量子叠加态，既等于 0，又等于 1，这就意味着，普通计算机要算 2 次的程序，量子计算机只需算 1 次。

　　如果把量子比特的数量增加到 2 个： 如果变量 X=00，运行 A； 如果变量 X=01，运行 B； 如果变量 X=10，运行 C； 如果变量 X=11，运行 D。 有了 2 个量子比特，普通计算机要算 4 次的程序，量子计算机也只要算 1 次。

　　如果把量子比特加到 10 个，那么普通计算机要算 2^10=1024 次，或用 1024 个 CPU 同时算的程序，量子计算机只需要用 1 个 CPU 算 1 次。

　　看出问题的严重性了吗？

　　把量子比特加到 100 个以上，那么，当今地球上所有计算机同时运行 100 万年的工作量，量子计算机干完只要几分钟！

　　对于曾经需要消耗巨大算力才能破解的 RSA 加密，这是一个灾难性的未来。

　　1994 年，全球 1600 个工作站同时运算了 8 个月，才破解了 129 位的 RSA 密钥。若用同样的算力，破解 250 位 RSA 要用 80 万年，1000 位则要 10^25 年——而对于量子计算机，1000 位数的因式分解连 1 秒钟都不到。

　　在量子计算机的最强之矛面前，现在最流行的 RSA 加密将无密可保，所有基于 RSA 的金融系统将瞬间变成透明人。 唯一能防住量子计算机的，只有最强之盾：量子加密通信。

　　和 RSA 等依赖计算复杂度增加破解成本的加密方式不同， 量子加密通信是「无条件安全」的，对量子计算机的恐怖计算能力先天免疫。

　　虽然量子比特的制备极为困难，目前最高纪录只有可怜的 5 个量子比特，但谁也不知道，量子计算机的爆发——或者说传统加密的末日，将会在何时到来。

　　这就是为什么，在广大人民群众一片「看不懂」的声音中：量子通信卫星「墨子号」上天了；京沪量子通信干线快建成了；工商银行在北京用上了量子通信做同城加密传输；阿里云的数据中心已经在用量子通信组网。

　　暂时落后的欧盟，也信誓旦旦，要2018 年投入 了10 亿欧元做量子通信。 就连扎克伯格未满月的女儿，都让他爹读《宝宝的量子物理学》。

　　你还觉得这种高深的学问，懂不懂也没什么关系，反正全世界也没几个人能懂？

　　未来，已来