袁岚峰：《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》补遗
(2015-03-09 16:05:37)
《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》补遗
《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》（http://weibo.com/p/1001603817899448994963?from=page_100505_profile&wvr=6&mod=wenzhangmod）一文引起了很多人的兴趣，传播了中国最新的科技成就。在欣慰的表示“懂了”之外，也有不少读者提出了若干很好的问题。在这里，我把一些问题集中回答一下，以飨读者。
问：关于光的波动说的故事讲错了，不是牛顿和惠更斯，而是泊松和菲涅耳。
答：是的，谢谢指正。1818年，菲涅耳计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹。泊松指出，按照菲涅耳的理论，在不透明圆板的正后方中央会出现一个亮点。他认为这是不可能的，于是宣称驳倒了波动说。但菲涅耳和阿拉果立即做实验，果然有个亮斑，波动说大获全胜。后人把这个亮点称为泊松亮斑。
问：我有高中文化程度，为什么还是看不懂？
答：原因可能有两点。一，虽然矢量在高中就学了，但内积属于空间解析几何，可能是大学的数学内容。二，人对新概念的接受能力有个上限，当一次性涌入太多新概念的时候，就反应不过来了。这个上限是学习能力的关键组成部分，而不同的人上限相差很大。这就是为什么有人能自学成数学大师（如华罗庚），而很多人一见到严肃著作就读不下去。所以相应的建议是：一，跳过关于内积的部分，不妨碍整体理解；二，分几次慢慢看，一次只理清几个概念。如果还是不懂……请转发给其他人，让他们看懂了以后解释给你听！：-）
问（@王小东）：（1）居然大致看懂了，这是我第一次有点明白量子通讯的原理，谢谢啊（2）知道了原理后，感觉中文“隐形传态”比英文原词好得多。
答：谢谢支持。中文作为科技语言确实有很多优势，准确，简练。
问（@zzzuz）：你文章开头提到的很多词汇地球上大部分人根本都不懂。中国大部分人不知道什么是矢量，德国大部分人也不知道什么是德语矢量。
答：高中学过矢量，但确实有很多人还给老师了。不过能对这种科普文章感兴趣的人，应该还记得矢量。如果不记得矢量的人因为这篇文章重新学习了矢量，不也是好事一桩吗？
问（@HD起不出名字）：非本征态的不确定性，是因为每次测量都是干扰，所以不确定？这是否与不确定性是本身性质有矛盾？
答：为什么测量就不会干扰本征态呢？这说明非本征态的不确定性是本质的。事实上，从爱因斯坦以来，物理学树立了一个基本的观念：谈一个概念，必须跟它的测量方法联系在一起，脱离测量手段的概念是没有意义的。爱因斯坦正是通过对空间、时间测量方法的考察，推导出了狭义相对论的尺缩效应和钟慢效应。
问（@V小V_Z）：非本征态的存在，是不是由于微观世界是多维而宏观世界是3维？对于非本征态P值s的测量相当于测量粒子在三维空间的投影？
答：这不是量子力学的标准解释。如果你能证明这种理解能得到跟正统说法相同的预测（这是关键），那么怎么理解是你的自由。实际上量子力学的哲学解释有很多种，在正统解释之外还有多世界解释、隐变量解释等等，但它们对实验都得到同样的预测。
答：量子力学最大的神秘之一，就是测量的本质谁也不知道！目前只能把测量理解为一种操作定义：对本征态的测量不改变状态，得到本征值；对非本征态的测量随机地把它改变成某个本征态，得到相应的本征值。
问（@乔华莘）：以后信息传播速度可以不受光速限制。如果某个离地球500万光年的星球有智慧生命，俺们想跟他们通话，也可以是即时的。
答：错了，在量子隐形传态中，不但物质没有传过去，信息传播速度也不能超光速，因为要依靠经典信道传输密码，经典信道的速度不能超光速。相对论规定信息传输不能超光速，量子力学从未违反这一条。所谓密码就是A和C作用的结果，是在作用之后才产生的，所以不能用“预先约好”绕过这个问题。引用@轩辕小聪的解释：“其实是在C与B纠缠起来之后，对C和A进行一次联合测量，这个测量的结果在事先是不确定的，得测量后才知道，测量过程中远处的B的状态也相应地被改变了。再将测量结果通过经典信道告知B那边的人，他们按照结果对B进行逆向操作，才把B变成原来A的状态。”
问（@乔华莘）：ERP对中的圆态AB粒子，A的状态发生变化，B的状态是否也发生变化以维持二者和为零？如果是这样，不就可以通过在一地改变A的状态，使另一地的B的状态改变来传输信息吗？
答：A的状态变成什么样是不可预测的。请注意原文前面的话：对圆状态测方向，圆状态会以相同的几率变成任何一个箭头状态，得到的是这个新的箭头状态的方向。
问（@轩叔_眠不足）: 就是说现在的成果是能够远距离还原【或者说是复制？】一个光子的运动状态...么？好厉害....
答：正是。但是需要强调，这是一种破坏性的复制，A跟C作用后自己的状态也变化了，B复制的是A最初的状态。所以不会出现两个相同的状态，也不会出现科幻小说中人和复制人的伦理问题。
问（@老爸Mr2）：实验中传输的光子的多个自由度信息，是本征态的信息还是非本征态的信息？
答：本征态的信息。光子的自旋角动量相当于光的偏振，轨道角动量相当于光的方向。科研的一般顺序是从易到难，不先把简单的本征态的实验做成功了，是不会去做复杂的非本征态的。
答：通过光学方法，从激光器中产生很多个光子，从中挑选形成了EPR对的。EPR对就是两个光子的“纠缠态”，表示它们的状态纠缠在一起，影响一个必然同时影响另一个。通过这种方法不止可以找到两个光子的纠缠态，还可以找到3个、4个以至8个光子的纠缠态，但随着光子数的增加概率迅速降低，实验难度迅速增大。在潘建伟研究组的这项最新工作中，就用到了8光子的纠缠态。这也是这项实验别的研究组做不成的原因之一。
问（@松人薏米）：从通信或者信息论的角度看，40%的差错率或者失真度完全不是问题。技术挑战只在于：“描述一个人”这件事情能否办得到。如果贵领域能办到这一点，通信领域在40%的失败率的情况，可以设计出信道编码和通信协议，能保证实现100%的成功率——这在通信领域已经极其成熟，没有任何悬念。
答：好！事实上，郭光灿研究组研究过量子纠错码、量子避错码，不知是否跟这些有关。
问：《中科大潘建伟项目组实现量子瞬间传输技术重大突破》（http://m.guancha.cn/Science/2015_03_06_311259http://m.guancha.cn/Science/2015_03_06_311259）的报道中提到，“潘建伟教授的项目组2013年也测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级”。这句话是什么意思？
答：这句话说的是：假设EPR对在测量时不是像量子力学说的那样同时变化，而是像EPR以为的那样，A发生变化后把信息传给B，B再变化，然后在这个假设下测量信息传输的速度，发现至少是3万亿米每秒，光速的一万倍。这当然不等于说信息传递真的超过了光速，仅仅是说在EPR的假设下超了光速而已，证明EPR假设确实和相对论矛盾。这种类型的物理实验经常有人做，如测量一个理论上认为应该为零的量，给出一个实验上限，这并不是说发现它不是零了，仅仅是对理论给出一个更加定量的限制。这层意思太复杂了，根本不该写到这篇报道里。我严重怀疑小编知不知道自己在说什么。更糟糕的是，原文是：“科学家如今认为，量子纠缠其实也是需要信道的，潘建伟教授的项目组2013年也测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。”量子纠缠需要信道是量子隐形传态的基本操作之一，跟“量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级”根本是两回事，两者单独出现已经够难懂的了，连在一起就更加让读者如坠云里雾里。这样的表达比比皆是，这就是科技报道经常是“你们说的每一个字我都认识，但是你们说的东西我特么一点都听不懂”的原因。
答：那是科学论文的写法，强调创新之处。而科普的问题是绝大多数人不知道背景，所以要多介绍背景。技术性的原因是，隐形传态的具体操作我只了解到这个程度，不过这个程度对科普也足够了。如果你对量子隐形传态的细节很感兴趣，那么你应该仔细去读教材和论文。
答：量子隐形传态现在刚刚达到传两个自由度的水平，相当于只能传两个比特的数据，离应用还非常远。已经获得应用的是量子密码，中国建了好几个量子的政务网，2016年要发射量子卫星。科大说不定已经搞了个公司在做。量子密码的作用，是使别人即使窃听了你们的通信也解读不出信息，而且你立刻就知道有人在窃听。值得注意的是，量子密码跟量子隐形传态是两回事，比后者容易得多，因为它只用到了“量子态不可克隆定理”（因为你对未知的量子态一测量就会改变它）。所以量子密码已经实用化了，而量子隐形传态还遥遥无期。
问（@带上你的眼睛）：量子传输技术的应用，只仅限于光纤通信领域（光子），还是也可能用于无线通信领域？
答：量子通信是个基础原理，有多种可能的实现介质，光子
是一种，其它的也有可能。当然，在实践中最有用的大概就是光子。
问：量子隐形传态能传送人吗？
答：原则上或许可能，但文章里说了，要做到传送10的28次方个自由度，而我们现在只达到2个自由度，这差距有多大！而且量子隐形传态是破坏性的复制，远方把你复制出来了，这里就把你消灭了……
问：量子态隐形传输还需要多少年能传送人？
答：也许几十年，也许永远都不行。
问：如果不能传送人，量子态隐形传输有什么用？
答：它开启了一种全新的可能性，将来自然会找到你意想不到的用处。好比相对论刚出来的时候，谁知道它有什么用？谁能想到没过多久就造出了核武器呢？退一万步说，即使没有日常生活的应用，单单探索自然规律、满足人类的好奇心，不就是用处吗？
问（@狼行成双101）：除了最后那句“30年”之外都很好，我觉得应该是“60年”。（即应该是“脚用60年走了人家300年的路，脑子却留在了60年前……”）
答：当然有可能。各个领域（经济、科技、军事、政治、文化等）赶上美国的时间不同，经济可能是最快的，文化可能是最慢的，科技居中。很难预测，但总之事在人为。道路是曲折的，前途是光明的。
最后，我的本科同学苏博士提议把EPR对的行为比喻为成龙的电影《双龙会》中有心灵感应的双胞胎，一个做了某个动作，另一个无论有多远都会做同样的动作（在相反的方向）。多么传神的比喻，--duang！
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