遼寧
這是有史以來第一次，人類在科學實驗中正式遭遇「靈異事件」。
121年前的 12 月 12 日，馬可尼收到橫跨大西洋、人類史上第一個無線電信號的那一天。
似乎什么都沒有改變。
包括馬可尼自己，當時沒有人能夠想象，在接下來的一百多，通信會把世界變成什么樣子。
2016 年 8 月 16 日，世界第一顆量子通信衛星「墨子號」從酒泉發射的那一天。
就像當年的馬可尼一樣，我們也無從想象，未來的量子計算與量子通信，終將帶來一個怎樣的魔法時代。
絕對安全的信息傳輸？
智商秒殺全人類的人工智能？
瞬移、穿越不再是科幻？
潘建偉教授的量子通信衛星上天了。
5 年后，人人都會用無法破解的加密網絡刷信用卡。你還覺得量子理論是象牙塔里的黑科技，和你的生活毫無關系？
讓我們先從神秘的量子理論開始，解密量子通信。
這注定是一場不可思議的旅程。
如果你完全不懂量子力學，請放心大膽地往下看，我保證不用任何公式就能讓你秒懂，連 1+1=2 的幼兒園數學基礎都不需要。
如果你自以為懂量子力學，請放心大膽地往下看，我保證你看完會仰天長嘆：什么是量子力學啊？
正如量子力學大師費曼所說：沒有人懂量子力學。如果你覺得懂了，那肯定不是真懂。
在燒腦、反直覺和毀人三觀方面，沒有任何學科能夠和量子力學相比。如果把理工男最愛的大學比作霍格沃茲魔法學校，那么唯一和量子力學專業相提并論的，只能是黑魔法。
然而，量子理論之所以如此神秘，并不是因為物理學家的故弄玄虛。其實，在量子理論剛誕生的搖籃時期，它只是一門人畜無害的學科，專門研究電子、光子小玩意兒。
而 「量子」 這個現在看來很厲害的名字，本意不過是指微觀世界中「一份一份」的不連續能量 。
這一切，都源于一次物理學的靈異事件。
百年戰爭
20 世紀初，物理學家開始重點糾結一個糾結了上百年的問題：光，到底是波還是粒子？
粒派
所謂粒子，可以想象成一顆光滑的小球球。
每當你打開手電，無數光子就像出膛的炮彈一樣，筆直地射向遠方。
很多著名科學家（牛頓、愛因斯坦、普朗克）做了很多權威的實驗，確鑿無疑地證明了是一種粒子。
波派
所謂波，就像往河里扔塊石頭，產生的水波紋一樣。
如果把光看作是一種，可以完美解釋干涉、衍射、偏振等經典光學現象。
很多著名科學家（惠更斯、楊、麥克斯韋、赫茲）做了很多權威的實驗，確鑿無疑地證明了光是一種波，電磁波。
可問題是，波和粒子畢竟是兩種截然不同的東西啊！
粒子可分成一個一個的最小單位，單個粒子不可再分；波是連續的能量分布，無所謂「一個波」或者「兩個波」；
粒子是直線前進的，波卻能同時向四面八方發射；
粒子可以靜止在一個固定的位置上，波必須動態地在整個空間傳播。
波與粒子之間，存在著不可調和的矛盾。
于是自古以來，塞伯坦星上的科學家就分成兩派：波派和粒派，兩派之間勢均力敵的百年撕逼戰爭從未分出勝負。
很多人問我：科學家為什么要為這種事情勢不兩立，大家擱置爭議、共同研究不就得了。
為了兩個字：
信仰！
千面之神
且問你：《權力的游戲》中，信奉七神的維斯特洛人民，為何要與信奉舊神的關外野人拼個你死我活？
自古以來，人們為了信仰爭端大開殺戒，早已不足為奇。
唯一的和諧社會可能是古希臘：他們的神多達百八十號，有管天上、有管地下，各路神仙各司其職，倒也井水不犯河水。
人稱：希臘眾神。
要命的是，科學家們信仰的神只有一個，而且是放之宇宙而皆準的全能大神。這位神祇的名字，叫真理。
大到宇宙的誕生，小到原子的運轉，科學家們相信，這個世界的萬事萬物都是基于同一個規律，可以用同一個理論，甚至同一套方程解釋一切。比如，讓蘋果掉下來把牛頓砸暈的是萬有引力，讓月亮懸在空中掉下來的也是萬有引力。用同一個方程，既能算出地球的質量，也能讓馬斯克的獵鷹九號火箭上天，這就是科學的威力。
想要一個宇宙、兩種規律？
對不起兄弟，別在科學界混了，您可以去跳個槽，比如競選總統。
當然，科學家們沒有誰敢自稱是真理的代言人，就連牛頓謙虛起來都是這樣的：「我只是一個在海灘上撿貝殼的孩子，而真理的大海，我還沒有發現啊！」
就算是撿貝殼，撿多了，說不定拼到一起就能窺見真理之神的全貌呢！
整個科學史，就像一個集卡拼圖的過程。做實驗的科學家們每發現一個科學現象，搞理論的科學家們就絞盡腦汁推測它背后的運行規律。不同領域的大牛把各方面的知識、理論慢慢拼到一起，真理的圖像就漸漸清晰。
在 20 世紀初，光學的知識儲備和數學理論越來越完善。大家逐漸覺得，這一塊的真相總算有希望拼出來了——結果卻發現，波派和粒派的理論早已背道而馳，還各自越走越遠。這就好比你集了一輩子卡片，自以為拼得差不多了。這時突然發現，你拼出的圖案居然和別人是不一樣的，而且差不是一點點！
是不是有種把對方連人帶圖都砸爛的沖動？
當時波派和粒派都堅信，自己手上的拼圖，才是唯一正確的版本。
雙方僵持不下直到 1924 年，終于有人大徹大悟：波 or 粒，為什么光不能兩者都是呢？
也許在某些時候，粒子看起來就像是波；在另一些時候，波看起來就像是粒子。波粒如同陰陽一般相生相克，就像一枚硬幣的正反兩面（波粒二象性），只不過我們一直以來都在盲人摸象、各執一詞。
真理確實只有一個，但是真理的表現形式，會不會存在著多個版本？
難道真理就是那個千面之神，用千變萬化的面目欺騙了我們如此之久？
靈異的實驗
究竟是波，是粒，還是波粒二象，大家決定，用一個簡單的實驗來做個了斷：
雙縫干涉實驗
雙縫，顧名思義，就是在一塊隔板上開兩條縫。
用一個發射光子的機槍對著雙縫掃射，從縫中漏過去的光子，打在縫后面的，就會留下一個光斑。（等效于 1961 年電子雙縫干涉實驗）
在實驗之前，科學家的推測如下：
第一種可能
如果光子是純粒子，那么屏幕留下兩道杠。
光子像機槍發射的子彈一樣筆直地從縫中穿過，那么屏幕上留下的一定是 2 道杠，因為其他角度的光子都被板擋住了。
第二種可能
如果光子是純波，那么屏幕上會留下斑馬線般的一道道條紋。
光子穿過縫時，會形成 2 個波源。兩道波各自震蕩交匯（干涉），波峰與波峰之間強度疊加，波峰與波谷之間正反抵消，最終屏幕上會出現一道道復雜唯美的斑馬線（干涉條紋）。
第三種可能
如果光子是波粒二象，那么屏幕圖案應該是以上兩種圖形的雜交混合體。
總之，
兩道杠 = 粒派勝；
斑馬線 = 波派勝；
四不像 = 平局。
是波是粒還是二合一，看屏幕結果一目了然，無論實驗結果如何，都在我們的預料之中。
第一次實驗：把光子發射機對準雙縫發射。
結果 ：標準的斑馬線。
根據之前的分析，這證明光子是純波。OK，實驗結束，大家回家洗洗睡吧。
粒派不服：我明明知道光子是一個一個的粒子！
這樣，我們再做一次實驗，把光子一個一個地發射出去，看會怎么樣，一定會變成兩道杠的！
第二次實驗：把光子機槍切換到點射模式，保證每次只發射一個光子。
結果 ：斑馬線，竟然還是斑馬線，怎么可能？我們明明是一、個、一、個把光子發射出去的啊！
最令人震驚的是，一開始光子數量較少時，屏幕上的光點看上去一片雜亂無章，隨著積少成多，漸漸顯出了斑馬線條紋！
光子要真的是波，那粒派也不得不服。
問題是：根據波動理論，斑馬線來源于雙縫產生的兩個波源之間的干涉疊加；而單個光子要么穿過左縫、要么穿過右縫，穿過一條縫的光子到底是在和誰發生干涉？
難道……光子在穿過雙縫時分裂成了兩個？一個光子分裂成左半光子和右半光子，自己的左手和右手發生了關系？事情好像越來越復雜了。干脆一不做二不休，我們倒要看看，光子究竟是怎樣穿過縫的。
第三次實驗：在屏幕前加裝兩個攝像頭，一邊一個左右排開。哪邊的攝像頭看到光子，就說明光子穿過了哪條縫。同樣，還是點射模式發射光子。
結果：每次不是左邊的攝像頭看到一個光子，就是右邊看到一個。一個就是一個，從來沒有發現哪個光子分裂成半個的情況。
大家都松了一口氣。光子確實是一個個粒子，然而在穿過雙縫時，不知怎么就會變形成兩道波同時穿過，形成干涉條紋。
雖然詭異了些，不過據說這就是 波粒二象性 了，具體細節以后再研究吧，這個實驗做得人都要精分了。
然而，就在這時，真正詭異的事情發生了……
人們這才發現，屏幕上的圖案，不知什么時候，悄悄變成了兩道杠！
沒用攝像頭看，結果總是斑馬線，光子是波；
用攝像頭看了，結果就成了兩道杠，光子變成了粒子。
實驗結果取決于看沒看攝像頭？
這不科學啊，做物理實驗竟然見鬼了啊！
一個貌似簡單的小實驗做到這份上，波和粒子什么的已經不重要了，重要的是現在全世界的科學家都懵逼了。
這是有史以來第一次，人類在科學實驗中正式遭遇靈異事件。
觀察者魔咒
你還沒看出靈異在哪里？
好吧，請先看懂下面這個例子：
電視里正在直播足球比賽，一個球員起腳射門——
「咔」暫停，你預測一下這個球會不會進？
在球迷看來： 球進還是不進，和射手是不是 C 羅、梅西有關，和對方門將的狀態有關，和裁判收沒收錢說不定還有關。
在科學家看來： 有關的東西更多，比如球的受力、速度和方向，距離球門的距離，甚至草皮的摩擦力、球迷吼聲的分貝數等等。
不過，只要把這些因素事無巨細地考慮到方程里計算，完全可以精確預測三秒后球的狀態。但無論是誰，大家都公認的是，球進與不進，至少和一件事情是絕對無關的：
你家的電視。
無論你用什么品牌的電視，無論電視的屏幕大小、清晰度高低、質量好壞，無論你看球時是在喝啤酒還是啃炸雞，當然更無論你看不看電視直播——該進的球還是會進，該不進就是不進，哪怕你氣得把電視機砸了都沒用。
你是不是覺得，上面說的全都是廢話？那么，仔細聽好：
雙縫干涉的第三次實驗證明了，在其他條件完全相同的情況下，球進還是不進，直接取決于在射門的一瞬間，你看還是不看電視！
看還是不看，這是一個問題！
光子從發射器射向雙縫，就好比足球射向球門；用攝像頭觀測光子是否進縫、怎么個進法，就好比用電視機看進球。
第三次實驗與第二次的唯一區別，就是實驗 3 開了攝像頭觀察光子（看電視），實驗 2 沒放攝像頭（不看電視）——兩次實驗的結局竟截然不同。
這，就是觀察者的魔咒。
難道說，不看光子它就是波，看一眼，它就瞬間變成粒子？
難道說，「光子是什么」這一客觀事實，是由我們的觀察（放不放攝像頭）決定的？
難道說，對事物的觀察方式，能夠改變事物本身？
三觀崩塌
在所有人懵逼的時候，還是有極少數聰明人，勇敢地提出了新的理論： 光子，其實是一種智能極高的外星 AI 機器人。
之所以觀察會導致實驗結果不同，是因為光子在你做實驗之前就悄悄偵查過了，如果發現有攝像頭，它就變成粒子形態；如果發現是屏幕，就變成波的形態。
這個理論讓我想起了傳說中的：
難道機器人阿童木真的存在？（「阿童木」是日語「アトム」的發音直譯，詞語源自英語「Atom」，意即「原子」）
這種扯淡理論居然沒被口水噴死，還要做實驗去驗證它，可見科學家們已經集體懵逼到了什么地步。
第四次實驗： 事先，只有屏幕沒有攝像頭；
我們算好光子穿過縫的時機，等它穿過之后，再以迅雷不及掩耳之勢加上攝像頭。（等效于 1978 年惠勒延遲選擇實驗）
結果是啥？ 無論加攝像頭的速度有多快，只要最終加上了攝像頭，屏幕上一定是兩道杠；反過來，如果一開始有攝像頭，哪怕在最后一刻秒秒鐘撤掉，屏幕上一定是斑馬線。
回到看球賽的那個例子，就好比：我先閉上眼睛不看電視，等球員完成射門、球飛出去 3 秒鐘后，我突然睜開眼睛，球一定不進，百試百靈。
在你沖出門去買足彩之前，我先悄悄提醒你：這種魔咒般的黑科技，目前只能對微觀世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球這樣的大家伙，量子還做不到啊！
請注意，加不加攝像頭，是在光子已經穿過雙縫之后再決定的。不管光子在穿縫的時候變成什么形態，過了縫應該就定型了。
既然光子的狀態在加攝像頭之前就定型了，為什么實驗結果還是能在最后一刻發生變化？
難道說，在之后做出的人為選擇（未來），能夠改變之前已經發生的事實（歷史）？
而且，加攝像頭的速度，可以做到非常快（40 納秒）。就算光子真的是個狡猾的微型變形金剛，當它變成波的形態穿過雙縫，在最后一刻卻發現面前是一個攝像頭時，它也來不及再次變身了吧？
「主觀決定客觀」「未來改變歷史」「外星人其實是無處不在的光子」……
好端端一個實驗弄得謠言四起，物理學家們紛紛感到幾百年來苦心經營的科學體系正在崩塌。
與之一起崩塌的，還有全人類的三觀。
量子魔法時代的大幕，正在徐徐拉開。
為了一只貓的死活，100 年前的天才哲學家，學歷最高的足球運動員，撩妹無數的量子力學教授……他們都在糾結個啥？
另一些人，卻恰恰相反——他們做任何事，都是為了糾結，下面我要說的，就是另一些人的故事。
學歷最高運動員
1908 年夏天。
丹麥，哥本哈根。
一名足球運動員正在思考自己的前程。
23 歲，是時候做個決定了。比自己小兩歲的弟弟，已經成為國奧隊的中場核心。在剛剛結束的倫敦奧運會上，哈那德·玻爾率丹麥隊 17：1 血洗法國隊，斬獲銀牌創造「丹麥童話」，一夜之間成為家喻戶曉的球星。
而我，作為丹麥最強俱樂部——哥本哈根 AB 隊的主力門將，居然從未入選國家隊，這簡直是一種恥辱。
國家隊大名單里怎能沒有我？
教練說我什么都好，唯一的弱點是喜歡思考人生。
上次和德國米特韋達隊踢友誼賽，對手竟敢趁我在門框上寫數學公式的時候，用一腳遠射偷襲，打斷我的思路！最后一刻不還是被我的閃電撲救解圍，要是后衛早點上去堵槍眼，那場球踢完就可以交作業了。
是成為世界最偉大的門將，還是成為世界最偉大的物理學家，這是一個問題，我需要糾結一下。
第一章里我們講到，100 多年前，為了搞清光子究竟是波還是粒子，科學家們被一個貌似簡單的「雙縫干涉」實驗弄到集體「精分」。
這個實驗明白無誤地說明，光子既可以是波，也可以是粒子。
至于它到底是什么，取決于你的觀測姿勢。
裝攝像頭觀測光子的位置，它就變成粒子；不裝攝像頭，它就是波！
我們曾經天真地以為，無論用什么樣的姿勢看電視直播，都不可能影響球賽結果，可是在微觀世界中，這個天經地義的常識好像并不成立，這就是那么多高智商理工男懵逼的原因。
但是在玻爾看來，將宏觀世界的經驗常識套用到微觀世界的科學研究上，純屬自尋煩惱。
通過常識，我們可以理解一個光滑小球的物理屬性；但是憑什么斷定，組成這個小球的萬億億億個原子，也一定有著和小球完全相同的屬性？
憑什么在微觀世界中，原子、電子、光子，一定要遵循和宏觀世界同樣的物理法則？
一般人糾結的問題無非是：量子世界的物理法則為什么這么奇怪啊…… 只有天才，能夠直截了當問出關鍵問題：這些法則是什么？ 嚴格來說，量子理論是一群人，而不是一個人創立的。但是如果一定要選出一個「量子力學代言人」的話，我覺得非玻爾莫屬，因為當別人糾結的時候，他第一個想通了。
通過前面那些燒腦的實驗，玻爾總結了量子世界的三大基本原則：
態疊加原理
在量子世界，一切事物可以同時處于不同的狀態（疊加態），各種可能性并存。比如，在雙縫干涉實驗中，一個光子可以同時處在左縫和右縫。這種人類無法想象的疊加態，才是最普通不過的本質形態；而在我們看來「正常」的非黑即白，才是一種特例。
測不準原理
疊加態是不可能精確測量的。比如，精確測出了粒子的位置，但它的速度卻永遠測不準！這并不是因為儀器精度不夠高，其實，儀器再好都沒用。這個不可能是被宇宙規律所禁錮的「不可能」，而非「有可能但目前做不到」。
觀察者原理
雖然一切事物都是多種可能性的疊加，但是，我們永遠看不到一個既左且右、又黑又白的量子物體。只要進行觀測，必然看到一個確定無疑的結果。至于到底看到哪個態則是隨機的，其概率高低取決于疊加態中哪個態的成分居多。
這樣一來，實驗解釋起來就輕松多了：
「雙縫干涉」實驗的官方解釋：
沒裝攝像頭：光子在未觀測的情況下處于「多種可能性并存」的疊加態，以 50% 的概率同時通過了左縫和右縫，形成干涉條紋； 裝上攝像頭：光子被觀測后只能處于一個態，不能神奇地同時穿雙縫了，所以干涉條紋就消失了。 這就是目前量子力學教科書上的正統理論：哥本哈根解釋。
終于，一切都有了答案。
有了答案嗎？
因為完美解釋了雙縫干涉等靈異現象，玻爾一（四）夜（面）成（樹）名（敵）。 但小伙伴們卻紛紛表示：這個理論不僅反直覺反人類，而且 bug 點很多! 比如，沒有觀測時，光子是混沌中的疊加態；觀測的一瞬間，光子就變成了單一的確定態，請問兩種態是怎樣無縫切換的？ 按照玻爾的說法，觀測的一瞬間，光子就隨機蛻變成多種可能中的一種，還把這個過程取名叫 「塌縮」 。具體怎么個塌法，玻爾自己也說不清。
再比如，既然觸發「塌縮」的前提是「觀測」，那么誰能夠成為合格的觀察者呢？ 科學家、人類、一切生命體、還是包括人工智能在內的任何智慧形態？ 眾說紛紜之際，給玻爾帶來致命一擊的，是一只貓。
一只貓的拷問
10 年前，正是薛老師親手寫下了量子波動方程，與矩陣力學、路徑積分一起，被后人并稱為量子力學的三大基石。
10 年后的 1935 年，對「哥本哈根解釋」的群起而攻之，薛老師打響了第一槍。 當時，幾乎所有人覺得「疊加態」是個純屬幻想的玩意兒，卻沒人能真正駁倒玻爾和他的哥本哈根學派。 因為，「態疊加」「測不準」「觀察者」無論這三大原理違和感多么強，都被玻爾視作量子世界不可挑戰的公理。所謂公理，就像「兩點之間有且只有一條直線」，或者牛頓力學三定律一樣，是無法、也無須證明的宇宙基本大法。
在玻爾看來，物理學家的任務是透過現象找規律，而不是去質問上帝：你為什么要把宇宙設計成這樣子？ 而且，憑什么微觀世界的宇宙法則，一定要和宏觀世界的生活經驗相符呢？ 無懈可擊的玻爾之盾，也只有金槍不倒的薛定諤之矛能夠與之一戰。
「薛定諤的貓」就是薛老師用來挑戰玻爾的頭腦實驗（以下實驗純屬想象、推理，沒有任何無辜的貓因此而被害）。 把一只貓關在封閉的箱子里。
和貓同處一室的還有個自動化裝置，內含一個放射性原子：如果原子核衰變，就會激發α射線->射線觸發開關->開關啟動錘子->錘子落下->打破毒藥瓶，于是貓當場斃命。 在這個邪惡的連環機關中，貓的死活直接取決于原子是否衰變；然而，具體什么時候衰變是無法精確預測的隨機事件。
只要不打開盒子看，我們就永遠沒法確定，貓此時此刻到底是死是活。
刑具準備完畢，現在，薛老師對玻爾的拷問開始：
1. 原子啊、衰變啊、射線啊，這些都屬于你們整天研究的「微觀世界」，自然得符合量子三大定律，沒錯吧？
2. 按照玻爾你自己的說法，在沒打開盒子觀測之前，這個原子處于「衰變」+「沒衰變」的疊加態，沒錯吧？
3. 既然貓的死活取決于原子是否衰變，而原子又處于「衰/不衰」的疊加態，那是不是意味著，貓也處在「死/沒死」的疊加態？
原子衰變 = 死貓；原子沒衰變 = 活貓；疊加態原子 = 疊加態的貓。
所以，按照哥本哈根解釋，箱中的貓是不死不活、又死又活的混沌之貓，直到開箱那一刻才瞬間「塌縮」成一只死貓或者活貓？
薛老師的邏輯，其實就是反證法：以子之矛，攻子之盾。先假裝你是完全正確的，然后順著你的說法推理啊，直到推出一個荒謬透頂的結論——那只能說明你從一開始就錯了！
至于為什么要放進一只貓，這又是薛老師的高明之處。 以前大家研究原子、光子，總覺得那是與日常完全不同的另一個世界；無論量子多么詭異，我們總可以安慰自己說：微觀世界的規律，不一定適用于宏觀物體。 科學家們做完燒腦的實驗，還能回歸老婆孩子熱炕頭的正常生活。 現在，薛老師把微觀的粒子和宏觀的貓綁在一起，要么你承認疊加態什么的都是不切實際的胡思亂想，要么你承認貓是不死不活的疊加態——別糾結，二選一。
連三歲小孩都知道，如果打開箱子看到一只死貓，那說明貓早就死了，而不是開箱的瞬間才死的——只不過它被毒死的時候，你裝作沒聽到慘叫聲而已。
你的理論告訴我們，貓在被觀測前是不死不活的；那么，如果把你關進一個密室，你不也變成不死不活了嗎？或者，在密室中的你看來，全世界的人都是不死不活的僵尸態？還是說，地球和太陽是否存在，都變成不確定的了？ 薛老師的貓，本意是想讓玻爾下不了臺，萬萬沒想到，這只貓卻引發了唯心、唯物主義的大辯論。 哲學家們突然發現，終于有機會以專家的身份，來對科學界說三道四了。
「我思故我在」的誤會
400 年前，一個法國大叔的思考，奠定了唯心主義哲學的核心思想。 假設世間一切都是幻覺，所謂人生，也許只是我們的大腦在黑客帝國的 AI 里做的一個夢，說不定身體正插滿管子泡在培養皿中。
那么問題來了：如果一切都可能是幻覺，那么，還有沒有絕對不是幻覺的東西呢？
有。
唯一不可能是幻覺的，只有「我們正在思考世界是不是幻覺」這件事。
我在思考，至少說明我還是個東西。
其實，唯心主義并不是「我想要什么存在它就存在」，而是「只有我的意識（心）無可置疑，世界卻可能是幻覺」。所以，如果你認真看那些唯心主義哲學大師的著作，會發現他們的邏輯嚴密得令人發指。
而唯物主義者的觀點則是「我在故我思」：世界肯定不是幻覺，不過每個人都把自己版本的幻覺當作客觀世界的真相。但是，到底哪一個世界觀才對呢？
由于唯物主義者無法證明這個世界一定不可能是黑客帝國，而唯心主義者也拿不出這個世界一定就是黑客帝國的確鑿證據，所以誰也無法說服對方。
直到唯心主義者們聽說了量子力學。
這么說來，主張「心外無物」的明代哲學家王陽明，早在 500 年前就發明了量子力學！
王陽明與友人同游南鎮，友人問曰：
「天下無心外之物，如此花樹，在深山中自開自落，于我心亦何相關？」
先生答曰：
「你未看此花時，此花與汝心同歸于寂，你來看此花時，則此花顏色一時明白起來，便知此花不在你的心外。」
唯心所現，唯識所變。
未看此花時，花的存在是不確定的疊加態；起心動念的一剎，花才會從不確定態「塌縮」為確定態，你觀察的世界因此呈現。
意識與物質互為因果，無法割裂。量子力學的「觀測導致塌縮」就是唯心主義的鐵證！ 然而，很多人至今都不知道「意識決定觀測結果」這個名聲在外的量子黑科技，其實是道聽途說導致的誤會。 回到雙縫干涉實驗，如果科學家故意不觀測實驗結果，而是用機器自動記錄；去掉人類的「意識」干擾，是不是量子態就不會塌縮了？
再比如，做實驗時突然飛過一只蒼蠅，在它的 N 只復眼注視下，光子的疊加態會因此而塌縮嗎？（你以為蒼蠅就沒有意識嗎？）
結果，根本沒有任何影響！
屏幕結果是代表波動的斑馬線還是代表粒子的兩道杠，只與實驗設備的設置有關，和誰來觀測、是否觀測無關。 只要實驗中雙縫全開，哪怕有一億雙眼睛盯著，看見的仍然是未塌縮的疊加態光子產生的干涉條紋。 現在看來，比玻爾那句毀人不倦的「觀察導致塌縮」更準確的表述是：
只要微觀粒子處于「可能被精確測量」的環境下，它就會自動塌縮，并不需要等待「觀察者」就位。
所以歸根到底，量子實驗仍然是不以主觀意志為轉移的。
眼見為實？
只不過，我們無法精確測量，只能用概率分布來計算這個客觀世界，那么，薛定諤的貓真的存在嗎？ 一開始，包括薛老師和玻爾本人在內，沒有人相信世界上真會有不死不活、既死又活的貓。 可是不久之后，科學家們驚恐地發現，這件看似顯然的事，居然沒法證偽（證明貓不是疊加態）。
按理說，貓到底是不是疊加態，做個實驗不就明白了？ 可惜，這個實驗至今做不出來——畢竟，我們沒法讓貓產生干涉條紋啊！ 證偽不行，證實的方法倒是有一個：把這只貓造出來。 令人細思恐極的是，我們已經做到了。
1996 年，美國人夢露（男）用單個鈹離子制成「薛定諤貓態」并拍下了快照，發現鈹離子在第一個位置處于自旋向上的狀態，而同時又在第二個位置自旋向下，而這兩個狀態相距 80 納米之遙！
這是人類有史以來第一次，親眼「看」到活生生的量子疊加現象。 不過，這畢竟只是單個離子，和貓相比還差了十萬八千里啊！ 2004 年，潘建偉團隊首次實現了多光子的薛定諤貓態。雖然這只貓的身材依舊苗條——渾身上下只有 5 個光子，但還是令玻爾的追隨者信心大增。
這說明，從單個微觀粒子到嚴格意義上的薛貓（宏觀量子疊加態），也許只是量變而非質變，它被親切地稱為：薛定諤的小貓。 如果繼續增加粒子數量，是不是能把小貓慢慢喂肥成大貓呢？
然而，現實很殘酷：目前「薛貓」的最高紀錄，仍然是潘建偉 2012 年實現的 8 光子疊加態。要知道，為了增加區區 3 個光子，實驗用了整整 8 年時間。可想而知，要讓貓身上億個原子同時處于量子疊加態，絕非易事。
在樂觀者看來，這不過是暫時的技術困難，假以時日遲早會攻克；但也有人認為，量子世界與宏觀世界之間存在著一道天然的結界，像貓一樣大的宏觀疊加態，也許是這個宇宙明令禁止的。
有朝一日，能不能造出一只眼見為實的大薛貓，至少現在，我們還不知道。 但是我們已經知道：即使是小貓，也蘊含著無比驚人的能量。
1935 年，薛老師很忙。 除了 N 多前女友和養貓以外，薛老師發現了量子的另一個詭異之處，而當時幾乎沒有人注意到這個問題。 為了研究微觀世界，看看原子核這個大西瓜肚子里都有些什么籽兒，科學家祭出了最強大的武器：粒子對撞機。 歐核中心（CERN）的加速器就是干這個的：
最常見的現象是：母粒子被撞擊后，分裂成兩個更小的粒子 A 和 B。
因為能量守恒原理，子粒子能量相同，方向相反。比如說，因為母粒子靜止不動，所以分裂后的子粒子 A 向左邊飛，B 一定往右邊飛，這樣才能左右抵消。同理，A 的自旋（角動量）向上，B 的自旋一定向下。 至于具體是向上還是向下，這是個隨機事件，必須觀測后才能知道。
那么問題來了：根據量子理論，在不被觀測的情況下，粒子處于多種可能性的疊加態。
舉個例子。 就像箱子里那只不死不活的薛定諤的貓一樣：A 和 B 這對龍鳳胎粒子，自打出娘胎起，他們的性別就沒確定，直到有人來看了一眼，這才瞬間分出男女！
然而和薛貓不同的是，箱子里的貓只有一只，孿生粒子卻有兩個。而且，這兩個粒子即使相隔很遠很遠，疊加態也能保持不變。如同在千里之外，瞬間產生聯系……
是時候@愛因斯坦了。
來自幽靈的威脅
大家都知道愛因斯坦創立了相對論。但很少有人知道，大神在 35 歲就已經功成名就（完成狹義+廣義相對論），而在之后 40 年的悠長歲月里，他其實都在糾結一件事：量子力學。 曾經，他也是一個集美貌與才華于一身的男子：
研究量子力學 30 年之后：
能讓愛因斯坦這種大神級人物「不明白」的，不是深奧的理論和復雜的公式，而是宇宙的意義。 愛因斯坦深信，宇宙在本質上是高度和諧的，這種和諧是可以通過數學之美體現出來的。 所以，一個理論如果不美，倒不是說一定是錯的，但它肯定不夠本質。 在更高的層面上，和諧，比對錯更重要。而量子力學，在愛因斯坦看來，就是一種不和諧（不完備）的理論。
比如，量子力學的核心思想是：
微觀世界的一切只能用概率統計來表達，而具體到單個的粒子，它的狀態是不確定的疊加態。把這個粒子放大 N 億倍，就成了薛定諤的貓。
這是第一個讓愛因斯坦不爽的地方：量子力學否認了物質的實在性。 愛因斯坦認為，根本不存在薛定諤思想實驗中那只不死不活的疊加態的貓。貓的死活在觀測之前就是定數，只不過愚蠢的人類看不見箱子里發生的一切，只能推測出「50% 活 or 50% 死」的概率。 你是不是突然有一種，和愛因斯坦英雄所見略同的感覺？
打個不太恰當的比方（給量子打個恰當的比方真的好難！）： 比如，我在知乎的粉絲男女比例是 80:20。 我相信，每個關注我的知友，一定都對自己的性別深信不疑。 然而，那些發明量子力學的瘋狂科學家們，他們竟然說：80:20 的比例，說明每位知友的性別是不確定的，見面時 80% 的可能性會變成男生，20% 的可能性變成女生！
因為只有這樣我才能解釋，為什么線下活動時見面的都是男生，而索要福利的都是女生。至于女生為什么沒來，可能是出于一些很簡單的原因，比如當天身體不舒服。 僅僅因為我們不知道背后的原因，就認為人的性別是可以按一定概率隨機改變的，純屬不切實際的猜想。
這個「背后隱藏的原因」，學名叫作 「隱變量」 。
當時包括愛因斯坦在內的很多人都以為，一旦我們揪出了隱變量，量子力學那些混沌不清的陰暗角落，就會被照亮得一覽無余。 一個不擲骰子的上帝，一個確定無疑的世界，一個可以被人類的直覺完全理解的宇宙——這就是愛因斯坦的終極夢想。到那時，「薛定諤的貓」之類的奇幻故事，只能給孫子當哈利波特講了。
結果，貓的故事還沒講完，薛老師又想了一出「孿生粒子疊加態」，第二次觸怒了愛因斯坦大神。 因為這一次，量子力學要挑戰的是相對論。 研究微觀小世界的量子力學，怎么會和研究宏觀大宇宙的相對論結下梁子呢？ 這又是薛老師「一不小心」捅下的簍子。 在薛定諤「孿生粒子」的思想實驗中，兩個相距萬里的粒子，觀測出 A 的狀態，也就知道 B 的狀態，因為 A 和 B 都是一個母粒子分裂而成的，B 的狀態一定和 A 相反 。
因為 A、B 兩個粒子的 命運緊密相連 ，牽一發而動全身，所以薛老師給起了個性感的名字： 量子糾纏 。 這就好比如：母親把一雙鞋分給兄弟倆，他們各帶一只遠走他鄉。中國的哥哥打開盒子發現是左腳，就知道弟弟帶到美國的另一只一定是右腳。
看上去，這并沒有什么稀奇。
稀奇的是，根據量子力學的說法，弟弟那只鞋左還是右，不是他媽決定的，而是哥哥「打開盒子」的行為決定的。在哥哥看到左腳鞋的一瞬間，鞋里飛出一個神秘的信號，閃電般穿過千山萬水，通知美國的另一只鞋變成右腳！
這個速度能有多快？
無限快。
但是，上帝允許無限快的瞬時傳送嗎？ 在這個宇宙中，沒有東西能超過真空光速。不要說超過光速，就是試圖接近光速的行為，都會導致時空的畸變。
宇宙的尺度是以「億光年」為單位計的，在恢宏的空間中，銀河系一邊發生的任何事情，不可能立即對彼岸的世界造成影響。 就算此時此刻太陽爆炸了，我們還能逍遙自在地活 8 分鐘，因為 8 分鐘后，光才來得及從太陽飛到地球。 通過對粒子 A 的觀測，居然瞬間讓遠方的粒子 B 的量子疊加態塌縮了——這被愛因斯坦斥為「幽靈般的超距作用」。
在嚴謹的學術界，「幽靈」是一個讓人聯想起偽科學的詞。不存在超光速，更不存在超距作用，因為這是相對論的大前提：局域性。如果量子糾纏允許超光速，那么，是量子力學錯了，還是已經被無數次實驗證實的相對論錯了？
在愛因斯坦看來，這壓根不是個問題。 一雙鞋，倆兄弟當時分到的就是哥左弟右；兩個粒子，在分裂的一瞬間 A、B 的狀態就是確定的。塵埃落定之后，你愛怎么觀察就怎么觀察，為什么要信量子力學那一套「觀察決定實驗」的鬼話？ 只可惜，在量子面前，人類的直覺和常識又一次大錯特錯。
終極黑客：約翰·貝爾
超距作用（量子）vs 局域性（愛因斯坦），人們曾經以為，這是個永遠不會有答案的問題。 因為如果做實驗驗證，這兩者根本沒法區分啊！ 比方說，先制備一對所謂的糾纏態粒子，然后一個運到北京，一個放在上海。我先測量到上海的 A 粒子自旋向上，然后打電話去問北京的同事：哥們，你那邊測下 B 是什么態？ 100% 是自旋向下！
愛因斯坦和量子理論都預言，B 的自旋一定和 A 相反。 也就是說，僅憑測量是不可能區分兩種說法誰對誰錯的，這就好比兩個人都賭同一個球隊贏，如何分勝負呢？但是不測量，又怎么可能知道它在測量之前是什么？ 顯然，這個問題無解。
30 年過去，愛因斯坦、玻爾、薛定諤等一代宗師已經成為逝去的傳奇，然而還是沒有人認真思考過這個問題。
也許這就是為什么，做出這個近代物理學最重要的大發現的人，不是某位著名的教授，而是一位當時還默默無聞的工程師，也難怪當他投稿之后，文章居然被雜志編輯「不小心」弄丟了，拖了一兩年才發表。
約翰·貝爾，36 歲提出「貝爾不等式」，歐核中心（CERN）加速器設計工程師，愛因斯坦的粉，業余愛好是研究量子力學的基礎理論。
我一直覺得，貝爾不像個正統科學家，更像個「物理學黑客」。雖然和計算機黑客相比，他破解的是原子而非比特；但是，論及思維之獨特、技巧之高超、發現漏洞之敏銳，則是有過之而無不及。
眾所周知，粒子 A 的自旋一定和 B 相反；但貝爾發現，所有人都忽略了一件事：自旋在三維空間是有 3 個分量的。
A 在 X 軸的自旋分量（Ax）如果向上，B 在 X 軸的自旋（Bx）一定向下，但是 B 在 Y 軸和 Z 軸上的自旋（By、Bz）呢？ 如果愛因斯坦的局域性理論是對的，By、Bz 應該和 Ax 一毛錢關系沒有，但是用量子力學算出來的結果，卻有著微妙的區別：在某些情況下，By、Bz 和 Ax 之間竟存在著微弱的關聯！
其他科學家們看到「貝爾不等式」先是嗤之以鼻，接著目瞪口呆，最后是深深的悔恨。這個深藏 30 年的宇宙級 bug，就這樣被貝爾這位工程師挖了出來。 貝爾不等式的誕生，宣告了量子局域性之爭，從哲學思辨變為實驗可證偽的科學理論。
20 年后（1982），法國人阿茲派克特（Aspect）第一個成功驗證了貝爾不等式，結論：
萬萬沒想到，實驗結果揭曉之后，最高興不起來的居然是貝爾本人。原來貝爾是愛因斯坦的忠實信徒，人家下班不約會而去搞不等式的目的，就是為了證明量子力學錯了！ 之后，貝爾花了大半輩子的時間，試圖找出實驗的漏洞，直到去世之前還在思考如何修正局域性理論。 當然，這一切并沒有什么用。
從阿茲派克特實驗至今 30 多年，人們在光子、原子、離子、超導比特、固態量子比特等許多系統中都驗證了貝爾不等式，所有的實驗無一例外，全部支持量子理論。 如今，除了層出不窮的民科，已經沒有人懷疑量子世界的奇異和真實。但很多人還是忍不住會想，貝爾不等式什么的還是太抽象了，能不能親眼見證量子糾纏的魔力呢？
幽靈成像實驗
比起喜歡用數學公式講道理的貝爾，搞量子光學的史硯華可就實在多了。 我覺得，史教授 2008 年發明的「幽靈成像」，應該是證明量子糾纏絕非幻想的最直觀的實驗。 請認真看下圖：
幽靈成像的原理通俗易懂：先把紅光子和藍光子「糾纏」到一起，然后兩者分開各走各路。紅光穿過狹縫打出一定形狀的圖案，藍光不穿縫正常走。 實驗結果絕對震撼：明明沒有穿過狹縫的藍光，竟然也投射出了與紅光相同形狀的圖像！ 如果這個實驗能夠早 70 年做出來，我真想看看愛因斯坦的表情。
這次，你總不能說：光子在糾纏之前就已經是那個形狀了吧！ 穿縫還是不穿縫，顯然是在光子出發后才決定的。發生在紅光子身上的所有事，藍光子也會分毫不差地經歷一遍。這樣看來，僅僅把量子糾纏比作龍鳳胎還遠遠不夠，他們出生時珠聯璧合，長大成人之后仍然是生死與共！而且，通過改變紅光那邊狹縫的形狀，想讓藍光打出什么樣的圖案都可以。
這就意味著，我們可以遠程發送圖像甚至視頻，而無論距離多遠、哪怕從宇宙的另一端傳過來都是瞬時傳輸的，延遲時間永遠為 0。 然而，這豈不是違反相對論（任何信息和物質不能超過光速）的公理了嗎？ 并沒有！ 雖然信息是瞬時傳送過來了，但要把其中的亂碼剔除，提取出真正的內容，還是必須把圖像用不超光速的傳統方式再發一遍。讓愛因斯坦操碎了心的「超光速」問題，原來只是杞人憂天！
大自然就是如此微妙。
宇宙的規則也許看似奇怪，內在卻有著驚人的自洽性。 我們只能說相對論和量子力學之間存在著理論上的矛盾，但從來沒發現物理規律本身有自相矛盾的地方。 如果把宇宙看作一個產品，最令人細思恐極的是：無論狡猾的人類搗鼓出多么刁鉆古怪的實驗，這個同時在線用戶數高達 10^80（1 后面跟 80 個 0）的產品卻從來不會被搞出 bug。
如果宇宙真有一個產品經理的話，請收下我卑微的膝蓋，順便想問一個問題是：為什么您的宇宙中會有量子糾纏呢？
量子糾纏背后的秘密
100 年前，量子力學的祖師爺玻爾說： 如果誰沒有被量子力學驚到，那他肯定不懂量子力學。 愛因斯坦：我思考量子力學的時間百倍于廣義相對論，但依然不明白。 造出第一顆原子彈的費曼更直接： 沒有人懂量子力學！ 學了 100 多年的量子力學，今天，我們懂了嗎？
墨子號首席科學家、中國量子通信第一人潘建偉說：「如果能搞清楚為什么有量子糾纏，我可以現在去死」，接著潘老師又說：「但是現在還沒搞清楚，所以我想活得長一點……」
考慮到潘院士今年才 51 歲，這句話似乎暗示著，我們在 50 年后都不一定能搞懂量子了。
這些牛人說的「不懂」，可不是小學生學不會四則運算的那種「不懂」。我們已經搞清了微觀世界的所有基本規則，建立了強大的數學模型，算出來的理論預測和實驗結果分毫不差，但我們還只是一個拿到使用說明書的孩子，對于其意義和目的一無所知，莫名地好委屈。
然而現在，越來越多的線索顯示，量子糾纏的背后，可能隱藏著一個巨大的秘密。
2013 年，Maldancena 和 Susskind 發現，量子糾纏和蟲洞（蟲洞即愛因斯坦·羅森橋）在數學模型上非常相似。他們猜想，量子糾纏也許就是一個微型蟲洞。 量子糾纏中最神秘的現象「超距作用」其實并沒有超越光速，而是像蟲洞那樣穿越了時空。這就是為什么，孿生粒子能夠異地千里，同呼吸、共命運的真正原因。 請認真看下圖：
而在 2010 年 Van Raamsdonk 的獨立研究中，發現了更為驚人的線索。 他建立了一個類似真實宇宙的三維宇宙模型，一旦在模型中去掉量子糾纏，時間和空間就會被打亂成碎片。 正是無處不在的量子糾纏，像建筑物的鋼筋結構件一樣，把本應支離破碎的時空編織成了一個整體。 請認真看下圖：
在有進一步的實驗證據之前，我們無法評價這些猜想有多靠譜。但是令理論物理學家們心跳加速的是，各條獨立的線索似乎指向著同一個寶藏。找到它，發現量子糾纏真正的秘密，就有可能理解在開天辟地、宇宙洪荒的大爆炸時刻，宇宙是怎樣被建造出來的。
為了傳說中的 One Piece，越來越多身懷絕技的人踏上了量子時代的大航海之路。 有人說：哲學家們總是用各種方式解釋世界，但問題在于改變世界。其實，科學和文明的高度，取決于我們對于世界理解的深度。 通過認識和理解世界，猿人把手中的石塊換成了自然規律，擁有了改天換日的力量。當一群不食人間煙火的理工男在實驗室熱烈地爭論原子模型時，誰能想到，30 年后廣島在火海中的哭喊？
自從 1900 年普朗克發明「Quantum」這個單詞至今，量子終于從哲學辯論會的題材，變成了魔法般的黑科技。 基于量子糾纏，可以造出比現在快 1 億倍的量子計算機，而超距作用和貝爾不等式，則把量子糾纏變成了加密通信領域的終極武器。
改變世界的時刻真的到了！
公元前 54 年，深冬。 高盧，畢布拉克德。 羅馬共和國高盧行省長——尤里烏斯·愷撒，借著帳篷里的燭火，正在一張羊皮上寫著什么。 戰況緊急！ 愷撒的愛將西塞羅，突然遭到維爾納人的圍攻。 現在，必須立刻派一名騎兵送信給西塞羅，命令他重整旗鼓，兩軍合力突圍。 可是，萬一這封信被敵人截獲怎么辦？ 想到這里，他不由自主地停下了筆，棱角分明的臉上，分明掠過一絲狡猾的微笑……
愷撒大帝、福爾摩斯與密碼學
作為羅馬的第一位獨裁者，愷撒大帝還有一個鮮為人知的技能點：
其實，大帝不是歷史上第一個想出加密算法的人。據說，我朝的姜子牙在 3000 年前，就發明了古裝版密碼本「陰書」。
但愷撒密碼，卻很有可能是首個廣泛運用到軍事通信領域的加密技術。 愷撒密碼的原理，說白了就是一個字： 替換 ！ 如果心里想的是字母 A，紙上就寫 B；要寫 B，就用 C 代替。當然，我也可以用 D 替換 A，用 E 替換 B，以此類推（偏移 3 個字母）。
只要收發雙方都知道偏移量是幾，就能輕松加密和解密；而外人看到的無非是一堆亂碼。 這就讓上課傳小紙條，有了新招數！心里想（明文）：I love U，老師看到（密文）：L oryh X。 在今天看來，這種算法極易破解，毫無技術含量可言。但在當年的羅馬戰場，這就是令吃瓜群眾望而生畏的黑科技！ 在愷撒制霸羅馬的全盛時期，就連教主耶穌都不得不服： 上帝的歸上帝，愷撒的歸愷撒。
然而諷刺的是，這樣一位狂拽酷炫屌炸天、還精通密碼諜戰的軍事天才，卻死于一場密謀政變，生生被戳了 23 刀。為了紀念大帝，人們把愷撒制成了撲克牌上的標本：方塊 K。
又過了一千多年，愷撒大帝和他的羅馬帝國早已灰飛煙滅，愷撒密碼和撲克卻被后人發揚光大。 原版的愷撒密碼，是用字母替換字母，而且所有字母還是按照偏移量順序替換的，極大地降低了破解難度。到了維多利亞時代，這兩個弱點終于被改進。于是，連福爾摩斯逮到的一個普通黑幫小弟，都學會原創這樣的密碼了：
我們來看，傳說中的卷福，是怎樣破解這種圖形密碼的。 在英文字母中 E 最常見。第一張紙條上的 15 個小人，其中有 4 個完全一樣，因此猜它是 E。
這些圖形中，有的帶小旗，有的沒有小旗。從小旗的分布來看，帶旗的圖形可能是用來把這個句子分成一個個單詞。 現在最難的問題來了。 因為，除了 E 以外，英文字母出現次數的順序并不很清楚，要是把每一種組合都試一遍，那會是一項繁瑣且無止境的工作。 根據似乎只有一個單詞的一句話，我找出了第 2 個和第 4 個都是 E。
這個單詞可能是 sever（切斷），也可能是 lever（杠桿），或者 never（決不）。
毫無疑問，使用 never 這個詞來回答一項請求的可能性極大，所以其他三個小人分別代表 N、V 和 R。 如此這般以此類推，福爾摩斯利用上（主）下（角）文（光）逐（環）個（的）擊（加）破（持），分分鐘破譯了全部 52 個密文：
不過，所有基于替換法的加密算法，都有一個致命的弱點：因為凡是用字母構成的文字，其字母分布都要符合語言規律，比如英文單詞中 E 最常見，Z 和 X 最罕見，無論把字母替換成多么奇葩的東西，符號的分布規律永遠不會變，用概率統計+窮舉法+玩填字游戲的基本技巧，任何密文的破解只是時間問題。
就當小伙伴們都以為愷撒密碼的發展已經走到頭的時候，德國人謝爾比烏斯卻給替換式密碼來了一次大升級，造就了有史以來最可靠的加密系統，一度令盟軍絕望的噩夢，讓希特勒成也蕭何敗也蕭何的二戰諜報神器——英格瑪密碼機，又叫恩尼格瑪密碼機（ENIGMA）。
二戰諜報神器跌落神壇
英格瑪（Enigma）密碼機牛在哪里？
1．機器加密
這是世界首臺全自動的加密機器，而此前編碼、譯碼一直靠人力。 我國由于國情原因，直到 20 世紀 80 年代還在用鉛筆+紙的人肉編碼方法。 用機器的好處不僅是省力，而且，可以輕松搞定人力難以企及的復雜算法。
2．復式替換
雖然基礎原理和愷撒密碼相同，但英格瑪的字符替換方式卻高級了不止一個檔次：復式替換。 也就是說，如果你連打 3 個 A，愷撒密碼的密文可能是 DDD，但英格瑪的密文卻可能是 BDA。 英格瑪的神奇之處在于「轉子」，它通過轉動的方式實時改變替換方式，每敲一個字所用的替換方式都不同，這讓依賴頻率分析、概率統計的破解方法從此無的放矢。
原版的英格瑪密碼機只有一個轉子，二戰時期德軍為了萬無一失，把轉子加到了 3 個。
每個轉子都有獨立的設置，3 個轉子所有可能的設置，高達 105654 種組合！這樣一來，連窮舉法暴力破解的一線希望都斷了念想。 正因為英格瑪在當時太過逆天，以至于德軍從此高枕無憂，以為盟軍這輩子也別想破解了。 他們說得沒錯。單憑人力，是不可能干過英格瑪密碼機的。能夠破解這臺機器的，只能是另一臺機器，一臺算力更強大的機器。
馬拉松運動員同志阿蘭·圖靈 1941 年發明的機器解碼，用傳統的頻率分析+機器暴力窮舉干掉了英格瑪，從此軍情六處把德軍的情報兜了個底朝天。直到盟軍諾曼底登陸，德國人還沒有反應過來，他們正是被自己的傳家寶坑死的。
而圖靈的這臺機器，就是世界上第一臺計算機。 在計算機時代，復式替換加密從此跌落神壇、萬劫不復。 而且實戰中還發現，有時最容易攻破的反而不是算法，而是人。 只要搞定那個掌握密碼本的人，一切密鑰都不攻自破。
全民加密：RSA 技術
顯然，擁有密碼本的人越少越好。 但問題是 How？ 曾經，這是個無解的難題。 道理很簡單：密碼本必須人手一本，否則臥底同志們還拿什么來加密通信呢？
歷史告訴我們，當所有人都認為無解的時候，換個思路，往往就是柳暗花明、醍醐灌頂的時刻。 傳統的密碼學中，無論采用何種加密算法，都默默地遵循著一個思維定式：加密和解密是互逆的，也就是說，只要知道如何加密，就一定知道如何解密，反之亦然。
這被稱為「對稱加密」。
而世間還有一種「非對稱加密」（RSA）：我可以把加密方法公開給全世界（公鑰），但解密算法（私鑰）只有我一個人知道，就算你知道如何加密，也不可能據此推出如何解密。 RSA 為什么能做到「知道加密算法也推不出解密算法」？
這基于一個數學事實：將兩個大素數相乘十分容易，但對乘積因式分解、還原成兩個素數卻極其困難，而且數字越大，困難級別指數上升。 解密靠的是私鑰，而破解私鑰的唯一方法是猜出公鑰是哪兩個數字的乘積，因此，把大數乘積作為公鑰公開是非常安全的。
舉個例子：
37×97=3589 小學生都會手算，但是，問 3589 是哪兩個數的乘積？你回答得出來嗎？ 如果覺得靠運氣能湊出答案，你可以挑戰一下這個：
在對稱加密時代，密碼本只能人手一本；有了 RSA，真正的密碼本（私鑰）只要總部的領導一個人知道就行，在各地臥底的特工們靠公鑰就能加密發密文。 這就是為什么 RSA 能在短短 40 年內取代流傳兩千多年的愷撒，成為當今世界全民加密的事實標準：方便。
生活中，當你網購時，瀏覽器用公開下載的公鑰把你的付款信息加密發送給服務器，服務器用沒人知道的私鑰解密信息，這一切是在你沒有絲毫察覺的情況下悄然完成的。更給力的是，RSA 還是一個相當堅固的加密算法。
比如，上面那個用來嚇人的數字，有 232 位（768 比特），這已經是當今地球上計算機能分解的最大整數了。 而你在網上隨便申請一個免費的 https 加密證書，長度都有 2048 比特！ 在回顧了人類幾千年來的密碼學成果之后，請你，把它們統統忘掉。 因為現在，無敵的量子通信來了。 它靠的可不是什么逆天的算法，而僅僅是兩枚神奇的硬幣。 當所有的密碼都可以秒破，只有量子通信可以做到無條件安全。
未來，已來。
由一枚硬幣開啟的超距傳輸
喂，年輕人！我看你骨骼精奇，是萬中無一的創業奇才。 我這里有一對魔法硬幣，與你有緣，就十塊錢賣給你吧！ 別看它長得和普通的一元硬幣差不多，這種硬幣有一項：
你想啊，這種硬幣如果做成情侶版，肯定大賣！尤其是異地戀：
你和你伴侶人手一枚，你在北京不斷拋硬幣 A，發出「正正反反」之類的信號，她在西雅圖的硬幣 B 就會自動變成「反反正正」，編碼成「0011……」，再轉成 ASCII 碼就是：
I LOVE U
理工男的浪漫，你懂不懂！
再想想，如果能好好包裝一把，還能賣給國家航天局、NASA 之類的土豪機構！ 從月球到地球 38 萬公里，電磁波信號需要走 2 秒多。月球的宇航員別說游戲玩不了，打個電話都卡死機。火星就更遠啦，1 億公里，得延遲 5 分鐘！
但是用無延遲的魔法硬幣做星際通信，網游不卡了，電話不等了，干啥都流暢！ 要問魔法硬幣有沒有缺點？ 你還別說，是有個小問題，不過不影響使用啦——就是每次拋硬幣時，翻到正面還是反面，要看人品（喂，喂！年輕人，別走啊…… ）
好啦！以上故事是玩笑，但魔法硬幣可不是玩笑。 用量子糾纏態的一對孿生粒子，自旋向上=硬幣正面，自旋向下=硬幣反面，就能做出如假包換的「魔法硬幣」。 無論相隔多遠的距離，處于「糾纏態」兩個孿生粒子就像有心靈感應般，零延遲、發生同步反應。如果把孿生粒子放在兩地，在地球觀測粒子 A 發現自旋向上，火星上的粒子 B 會因此而瞬間變成自旋向下，仿佛兩個粒子之間始終有一道穿越時空的紐帶——這就是傳說中的「超距作用」。
因為 A 的粒子自旋態始終和 B 的相反，所以地球人只需觀測一下粒子 A，就能實時改變粒子 B 被火星人觀測到的自旋態。當火星人讀取出 B 的自旋態時，相當于接收到了地球發來的一個比特。 如果把孿生粒子比作一對魔法硬幣，通信雙方重復以上步驟、通過「拋量子硬幣」傳送信號的方式，就叫作量子通信。
問題在于，就算擁有把愛因斯坦嚇傻的超能力「超距作用」，量子通信卻沒法用來瞬時傳數據！ 因為，每次硬幣（自旋）是正是反，是個完全隨機事件，不要說控制，連影響都做不到。你想發「正正反反」，它給你來個「反正反正」——試想如果不能暢所欲言，對方接收到的都是亂碼，還談何通信呢？
既然發的是一團亂碼，那么就算能夠穿越宇宙瞬時傳送，也稱不上是真正的通信。 愛因斯坦當年杞人憂天的「超光速通信」問題，就這樣被「隨機性亂碼」天衣無縫地解決了。 要想用量子傳點有意義的東西，解決的辦法只有一個： 用量子通信發完「反正反正」之后，趕緊再用微信給對方補個留言「錯對對錯」，告訴他哪些信號是發錯的，讓他自己糾正。
也就是說，對方收到量子信息雖然是瞬時的，但要從一團亂碼中找出真正的意義，還得靠傳統通信方式，微信、電話延遲多久，量子通信就延遲多久。你是不是在想：既然如此，不如我直接發個微信得了，還要用量子通信干嗎？
所以，只有聰明人才能看出，量子通信真正的威力。
無條件安全，可能嗎？
每次我和朋友聊起「無條件安全」的量子通信，幾乎所有人都認為我在吹牛。 大多數人直覺上認為，凡事無絕對。 你說破解難度很高，OK；說 99.99% 安全，或許吧；但打死我也不信，世界上存在無懈可擊的東西。 但是他們忘了，絕對安全的加密通信，其實早在 75 年前就被發現了。 1941 年，信息論的祖師爺香農，在數學上嚴格證明了：不知道密碼就絕對無法破解的安全系統，是存在的。
而且，更令人驚訝的是，這種絕對安全的密碼出人意料的簡單——只需符合以下 3 個條件：
一次一密：每傳一條信息都用不同的密鑰加密，斷了敵人截獲一本密碼本后，一勞永逸的妄想；
隨機密鑰：生成的密鑰是完全隨機的，不可預測，不可重現，破解者更不可能猜出規律，自己生成所有密鑰；
明密等長：密鑰長度至少要和明文（傳輸的內容）一樣長，破解者窮舉所有密鑰，相當于窮舉所有可能的明文。
誰要是有本事通過窮舉猜出明文，還來勞什子破解密鑰干嗎？
奇怪的是，香農發明「無條件安全」的 75 年后，我們居然還沒能用上這個黑科技。因為在當時的技術條件下，要同時符合這 3 個要求根本不可能！
先說「隨機密鑰」：請計算機程序 rand() 生成的隨機數其實并不是真正的隨機，理論上，如果知道已經產生的隨機數，就有可能獲得接下來的隨機數序列（可預測）。 再看「明密等長」：如果我能輕松吧這么長的密鑰安全地發送給對方，為什么不干脆發送明文呢？這樣豈不是多此一舉？
最后「一次一密」：每發一次信息就要更新密鑰，但通信雙方又不能天天見面接頭，否則還要加密通信干什么？ 然而，在不計成本的最高級別通信場合下，「一次一密」還真的用上了。 比如先編寫一部超級長的密碼本，派特工直接交到對方手里，然后雙方就可以暫時安全通信了。 僅僅是暫時。 密碼本用完之后，特工又得出動再送一本新的……（007：你以為我是快遞小哥嗎？）
就這樣，我們研究了 75 年的密碼學，什么對稱加密、非對稱加密（RSA）和黑客們展開了無數次「道高一尺魔高一丈」的攻防大戰…… 直到我們遇見了香農 75 年前預言的密碼學終極形態：無條件安全的量子通信。75 年前沒有人能想到，那些「看上去幾乎不可能實現」的三大要求，簡直就是為量子通信量身定做的。 就拿最簡單的量子通信協議——孿生粒子的量子糾纏來舉個例子：
1. 隨機密鑰：服務器生成一對孿生粒子 A 和 B，分別發送給通信雙方。注意，A、B 被觀測后的自旋狀態是完全隨機的，不要說敵人，就連自己人都看不出規律來！。
2.明密等長：要發送的「正正反反」是明文編碼，量子通信隨機產生的「反正反正」相當于密鑰，微信發送的糾錯碼「錯對對錯」是加密后的傳送內容。此時，正文、密鑰、糾錯碼，三者的長度完全相同。
3. 一次一密：為了發送 4 個比特的明文編碼「正正反反」，服務器總共生成了 4 次隨機密鑰，每次傳輸 1 比特明文，都有 1 比特密鑰保駕護航。 此時，破解的可能性，不是萬分之一，也不是億萬分之一，就是 0。而且，最令人不可思議的是，量子通信不僅無法破解，還自帶反竊聽屬性。就算敵人截獲了每一次密鑰，同時拿到了「正正反反」「反正反正」「錯對對錯」三條信息，量子通信仍然是安全的！
下面，就是見證奇跡的時刻。
反竊聽，掌握主動權
量子通信為啥能反竊聽？
因為量子世界三大定律之一：測不準原理。 如果敵人想要截獲量子密鑰，必須先截獲 A、B 兩個糾纏態粒子，然后測一下自旋態。 問題就出在這里。 量子態不是先天決定的，而是被你的測量決定的：你測了，它就從魔法般的量子糾纏態，變成平淡無奇的確定態了。 還記得前面提到的工程師貝爾嗎？
他發明的「貝爾不等式」原理，就是用來檢測糾纏態粒子之間是否存在「超距作用」。 當被敵人測過的 A、B 粒子到達我們的同志手中，他們只要做一件事，就能看出量子密鑰是否被動過手腳：用阿斯派克特實驗驗證貝爾不等式——如果發現 A、B 之間的超距作用已然消失，只能說明一件事：在我方測量之前，已經有人測過了。
雖然在原理上，通過驗證貝爾不等式已經足以確保信道的安全，然而在實際應用中，做阿斯派克特實驗實在太麻煩了。 所以量子通信衛星「墨子號」用的是更先進的量子密鑰分配協議——BB84 協議。和原版量子糾纏通信的不同之處在于，它利用光子的偏振方向（而非自旋態）產生隨機化的 0 和 1（量子比特）。 當然，BB84 的安全性同樣依靠量子「測不準原理」：竊聽者對量子信號的測量會改變信號本身，導致接收方收到的信號中亂碼大增，從而暴露了自身的存在。
從軍事的角度來說，比無法破解的通信更安全的，是無法竊聽的通信；比無法竊聽的通信更安全的，是能發現竊聽者的通信；比能發現竊聽者的通信更安全的，是我能發現有人竊聽，但竊聽者卻不知道被我發現了的通信。
「不被竊聽」很重要，「發現竊聽者」很重要，這些都容易理解，但為什么「竊聽者不知道被我發現」更重要呢？
因為，如果竊聽者不知道他已經暴露了，我軍可以將計就計，故意發一些假消息引君入甕！把諜戰的主動權抓到自己手中，在軍事上，比被動地單純反竊聽更管用。 就拿二戰的逆轉戰役「諾曼底登陸」來說，其實希特勒早就料到盟軍會把賭注押在諾曼底，但盟軍情報部門用了一年的時間給德軍傳送假情報，發出幾千封加密電報供德軍破譯，硬是忽悠得元首大人連自己都不相信了。
量子通信就屬于第三種：「我方可以輕松發現竊聽，而竊聽者卻不知道被我發現」的加密通信，而且是當今所有已知加密手段中，唯一能做到第三層次的技術。
當然，竊聽者也知道量子通信的厲害。正因為如此，沒有哪個間諜敢隨便竊聽量子通信的信息，就算竊聽到了也沒人信：我怎么確定這次竊聽到的情報不會把元首坑死？ 而攻擊量子通信的唯一方法，不是竊聽、破解，只能是干擾：例如用強激光照射接收器將其「致盲」，量子信道被干擾成亂碼，把敵我雙方拉回到同一起跑線。 畢竟，量子通信的特長是反竊聽，而不是抗干擾。
但這稱不上是量子通信的弱點。其他所有傳統通信方式，在干擾下都會難以為繼，「無條件不受干擾」的通信，目前還沒發明出來呢。
最強之矛與最強之盾
量子通信衛星「墨子號」上天之后，立刻遭到了某些民科的抵制。 有說陰謀論的，有說浪費納稅人錢的，就是沒有一個能說清量子通信究竟是怎么回事。 不過，在這群流言之中，讓我印象最深的，是一個網友的發帖。
前 4 個問題，看完前面的內容，讀者應該都可以自己回答了。不過，起碼人家還說對了一點：「目前的加密系統早就超過實際所需了，你啥時聽過有銀行是因為信息竊聽被破解的？」
講真，目前的加密系統并不是沒法破解，而是破解成本太高。就拿銀行最常用的非對稱加密算法 RSA 來說，2009 年，為了攻破一枚 768 比特的 RSA 密鑰，一臺超級計算機足足算了幾個月，這幾乎是當今計算機性能的極限！
雖然理論上，RSA-768 已不再安全，但由于 RSA 算法的破解難度隨著密鑰長度指數級上升，所以讓 RSA 再次固若金湯非常簡單：把密鑰位數加長到 1024 比特，就會讓破解時間增加 1000 多倍。 其實，現在網上交易最普遍的 RSA 密鑰，至少是 2048 比特。然而，在互聯網時代大獲成功的 RSA 加密，真的能讓我們高枕無憂地用上 500 年嗎？
未必！
RSA 加密的前提是「加密容易解密難」。在 RSA 的核心算法中，用到了大數因式分解：把兩個素數相乘(A*B=C)，比把這個乘積 C 做因式分解還原出 A 和 B 容易得多，數字 C 的位數越多，因式分解的時間就越長。
但是，有沒有這樣一種可能：隨著算力越來越強，解密的時間越來越短，會不會有朝一日再長的密碼都可以秒破呢？甚至，有沒有可能出現，解密的速度比加密還快的尷尬局面？ 這就是困擾計算機系的同學們 50 年的經典問題：P 是否等于 NP？
P 就是能在多項式時間內解決的問題，NP 就是能在多項式時間驗證答案正確與否的問題。拋開復雜的定義不談，P=NP 實際上問的是：如果答案的對錯可以很快驗證，它是否也可以很快計算？
一開始人們覺得，P 顯然不等于 NP。
比如，「找出大數 53308290611 是哪兩個數的乘積？」很難，但要問「224737 是否可以整除 53308290611？」這小學生都會算。 在密碼學領域，這正好是我們想要的結果：加密（相乘）容易解密（因式分解）難。
如果 P=NP，就勢必存在一種算法，使得對 53308290611 做因式分解和驗證 224737 是否是因子一樣快（加密和解密同樣容易）。 如果 P 真的等于 NP，為什么這么多年，都沒人想出這種逆天的算法呢？
然而，令人細思恐極的是，我們至今還沒法嚴格證明 P 不等于 NP，反而有人發現，在某種特定的計算模型下：P=NP 竟然是成立的！
這種 「特定的計算模型」 叫作 量子計算機 。和非 0 即 1 的傳統計算機不同，量子計算機的「量子比特」可以處于「既是 0 又是 1」的量子態。
在量子世界，這種不可思議的「既死又活」，反而是最平常的現象：量子疊加態。還記得薛老師那只不死不活、又死又活的混沌貓嗎？
量子疊加，使得量子計算機具有傳統計算機做夢都想不到的超能力： 在一次運算中，同時對 2^N 個輸入數進行計算。
舉例說：
如果變量 X=0， 運行 A 邏輯； 如果變量 X=1， 則運行 B 邏輯。
這種最普通不過的條件判斷程序，在傳統計算機內部，永遠只會執行 A 或 B 的一種邏輯分支，除非把 X=0 和 X=1 的兩種情況各運行 1 次（共運行 2 次）。
但對于量子計算機，A 和 B 在一次計算中就同時執行了，因為變量 X 是量子疊加態，既等于 0，又等于 1，這就意味著，普通計算機要算 2 次的程序，量子計算機只需算 1 次。
如果把量子比特的數量增加到 2 個： 如果變量 X=00，運行 A； 如果變量 X=01，運行 B； 如果變量 X=10，運行 C； 如果變量 X=11，運行 D。 有了 2 個量子比特，普通計算機要算 4 次的程序，量子計算機也只要算 1 次。
如果把量子比特加到 10 個，那么普通計算機要算 2^10=1024 次，或用 1024 個 CPU 同時算的程序，量子計算機只需要用 1 個 CPU 算 1 次。
看出問題的嚴重性了嗎？
把量子比特加到 100 個以上，那么，當今地球上所有計算機同時運行 100 萬年的工作量，量子計算機干完只要幾分鐘！
對于曾經需要消耗巨大算力才能破解的 RSA 加密，這是一個災難性的未來。
1994 年，全球 1600 個工作站同時運算了 8 個月，才破解了 129 位的 RSA 密鑰。若用同樣的算力，破解 250 位 RSA 要用 80 萬年，1000 位則要 10^25 年——而對于量子計算機，1000 位數的因式分解連 1 秒鐘都不到。
在量子計算機的最強之矛面前，現在最流行的 RSA 加密將無密可保，所有基于 RSA 的金融系統將瞬間變成透明人。 唯一能防住量子計算機的，只有最強之盾：量子加密通信。
和 RSA 等依賴計算復雜度增加破解成本的加密方式不同，量子加密通信是「無條件安全」的，對量子計算機的恐怖計算能力先天免疫。
雖然量子比特的制備極為困難，目前最高紀錄只有可憐的 5 個量子比特，但誰也不知道，量子計算機的爆發——或者說傳統加密的末日，將會在何時到來。
這就是為什么，在廣大人民群眾一片「看不懂」的聲音中：量子通信衛星「墨子號」上天了；京滬量子通信干線快建成了；工商銀行在北京用上了量子通信做同城加密傳輸；阿里云的數據中心已經在用量子通信組網。
暫時落后的歐盟，也信誓旦旦，要2018 年投入 了10 億歐元做量子通信。 就連扎克伯格未滿月的女兒，都讓他爹讀《寶寶的量子物理學》。
你還覺得這種高深的學問，懂不懂也沒什么關系，反正全世界也沒幾個人能懂？
未來，已來！
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