不知道你有没有过这种疑问：你在手机上输支付密码的时候，有没有担心过被人窃听？你给朋友发私密聊天的时候，有没有想过消息会半路被人截走？
可能你会说：怕啥，现在都有加密啊，微信有加密，网银有加密，连连个WiFi都有密码，还能不安全？
但我要告诉你一个有点扎心的事实：我们现在用的绝大多数加密技术，在真正的算力面前，其实就是层窗户纸，捅破只是时间问题。
远的不说，就说你现在刷信用卡、逛淘宝用的RSA加密，原理就是两个大素数相乘容易，拆开难。
可一旦量子计算机成熟，破解这个“难”，可能只需要几秒钟。
到那时候，你的银行卡密码、聊天记录、隐私照片，所有你以为“加密了就安全”的东西，都会变得像裸奔一样。
那怎么办？难道就没救了？
有。
答案就是四个字：量子通信。
2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心升空。
那天很多新闻都报了，但大多数人看完也就算了：这什么玩意儿？听着就很高大上，跟我有啥关系？
就像1901年12月12日，马可尼在大西洋另一端收到人类第一封跨洋无线电报的时候，当时的人也觉得：不就是发个电报吗？能有多大影响？
他们不会想到，一百多年后，无线电会变成手机、WiFi、5G，变成每个人离不开的东西。
同样，我们现在看量子通信，觉得它是实验室里的黑科技，是象牙塔里的科学家玩的玩意儿。
但可能再过几十年，量子加密会像今天的https一样，藏在你每一次上网、每一笔转账的背后，默默保护着你的信息安全。
而这一切的源头，都要从一百多年前，物理学界那场吵了几十年的“世纪大战”说起。
别慌，没有公式，没有计算题，我保证，你只要耐心看，肯定能看懂。
要讲量子力学，就绕不开光；要讲光，就绕不开那场持续了近三百年的“波粒大战”。
啥叫波粒大战？简单说就是：光到底是个啥？是一颗颗小粒子，还是一阵阵的波？
你可能会说：课本里讲了啊，波粒二象性嘛，既是波又是粒子。
哎，你这是开了上帝视角。
放在几百年前，这可是物理学界最水火不容的两派，两边都是大佬，吵了好几代人，差点把物理学界都掀了。
故事得从17世纪说起。
那时候有个牛人，叫罗伯特·胡克。
可能你对这名字有点陌生，但你肯定学过胡克定律：弹簧的弹力和伸长量成正比。
这哥们儿是个全才，被称为“英国的达芬奇”，力学、光学、天文学、生物学啥都懂，还自己造显微镜，第一个发现了细胞。
在光学上，胡克通过观察光的干涉现象，坚定地认为：光是一种波，就像水波一样，在介质里传播。
而另一边，站着的是艾萨克·牛顿。
对，就是被苹果砸了的那个牛顿。那时候牛顿刚发明反射式望远镜，在科学界风头正盛。他也研究光学，还发现了牛顿环，就是光的薄膜干涉现象，按说这明明是波的证据，可牛顿偏不，他坚持认为：光是粒子，是一颗颗非常小的“微粒”，沿着直线飞出去，所以才会反射、折射。
为啥明明看到了干涉现象，还坚持粒子说？
说法很多。
有人说，是因为当时波动说解释不了光为什么沿直线传播；也有人说，纯粹是因为牛顿和胡克私人恩怨太深，胡克支持啥，牛顿就反对啥。
说到这俩人的恩怨，那可真是说来话长。
牛顿29岁的时候，把自己的光学论文提交给皇家学会，本来想露露脸，结果被当时的学会干事胡克劈头盖脸一顿批，说牛顿的粒子说漏洞百出，胡克还说自己早就研究过这些了，牛顿都是抄他的。
牛顿哪受过这气？当场就怼回去了，俩人从此结下梁子。
后来胡克还多次公开质疑牛顿的研究，牛顿都记在小本本上了。
再后来，牛顿的地位越来越高，当上了皇家学会会长。而胡克那时候已经去世了。
牛顿干了件挺不地道的事：下令把皇家学会里所有胡克的画像全都销毁了。所以直到今天，我们都不知道胡克到底长什么样，只能靠后人想象复原。
你看，大佬记仇，那可是能记一辈子的。
反正，靠着牛顿在科学界的绝对权威，“粒子说”在之后的一百多年里，一直是主流。波动说被压得抬不起头，没人敢提。
但真理这东西，不会因为权威大就永远被埋没。
时间到了1801年，有个叫托马斯·杨的英国医生，业余爱好物理。他做了个实验，直接把牛顿的粒子说按在地上摩擦。
这个实验，就是大名鼎鼎的杨氏双缝干涉实验。
实验原理说起来特别简单：拿个蜡烛，前面放张带小孔的纸，当成点光源；再前面放张开了两条狭缝的纸，最后放个屏幕。
如果光是粒子，那穿过两条缝之后，应该在屏幕上打出两条亮杠，就像机枪打出来的弹孔一样。
可结果呢？屏幕上出现了一道道明暗相间的条纹，跟斑马线上似的。
这就是波的干涉啊！两道波相遇，波峰和波峰叠加就变亮，波峰和波谷抵消就变暗，所以才会有条纹。
就这么一个简单的实验，直接证明了光是波。
按理说，托马斯·杨应该一战成名对吧？
并没有。
因为牛顿的权威实在太大了，当时的物理学界根本不相信，还嘲讽托马斯·杨，说他的论文是“胡说八道”，连个发表的地方都没有，最后只能自己掏钱印刷。
你看，想要推翻权威，哪怕你有实验证据，也没那么容易。
不过，是金子总会发光。
没过多久，又有人给波动说送了个神助攻。
这次助攻来自一个叫泊松的物理学家。他是粒子说的铁杆支持者，为了驳倒波动说，他用数学一顿计算，得出了一个结论：如果光是波，那用一个不透明的小圆板挡住光，在圆板阴影的正中央，应该会出现一个亮斑。
泊松觉得这也太扯了，影子中间怎么会有亮斑？这正好说明波动说是错的！
结果呢，另一个物理学家菲涅耳，真的做了这个实验，然后发现阴影中央还真有一个亮斑！
这下尴尬了。
本来想打脸波动说，结果反过来成了波动说的铁证。
后来这个亮斑就被叫做“泊松亮斑”，用反对者的名字命名，也算是物理学的黑色幽默了。
从这之后，越来越多的人开始相信：哦，原来光真的是波。
可问题又来了：波的传播需要介质啊，水波靠水，声波靠空气，那光在真空中靠啥传播？
当时的科学家们想破了头，最后想出了个东西：“以太”。他们说，整个宇宙里充满了一种看不见摸不着的物质，叫以太，光就是在以太里传播的机械波。
为了证明以太存在，两个科学家迈克尔逊和莫雷做了个著名的实验，想测量地球在以太里运动的速度。结果测来测去，发现不管往哪个方向测，光速都一模一样。
这就奇怪了。
如果以太存在，地球迎着以太飞的时候，光速应该更快啊？怎么会不变呢？
实验结果把整个物理学界都整懵了。
没人知道为什么，大家都觉得是实验做错了，连迈克尔逊自己都不相信结果。
直到一个叫麦克斯韦的神人出现。
麦克斯韦有多牛？这么说吧，在物理学界，他的地位仅次于牛顿和爱因斯坦。他总结了法拉第的电磁学研究，搞出了一套完美的方程组，麦克斯韦方程组，把电和磁彻底统一了。
通过这个方程组，他算出了电磁波的传播速度，发现居然和光速一模一样。
于是麦克斯韦大胆预言：光，本质上就是一种电磁波。
这个预言直接解决了光的传播介质问题，电磁波不需要介质，靠电场和磁场的相互转化就能在真空中传播。
什么以太？根本不存在！
可惜麦克斯韦没活到自己预言被验证的那天。
1888年，物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，还测了传播速度，确实和光速一样。
这下好了，光的本质终于搞清楚了：光是电磁波，波动说大获全胜。
可故事到这里，远远没有结束。
赫兹在做实验的时候，还发现了一个奇怪的现象：用光照射金属表面，金属表面会打出电子，也就是后来的“光电效应”。
这个现象，用波动说根本解释不通。
按照波动说，光的能量和强度有关，光越亮能量越大。那只要光足够亮，不管什么频率的光，都应该能打出电子啊？
可实验结果偏偏不是：能不能打出电子，只和光的频率有关，和亮度没关系。频率够，再暗也能打出来；频率不够，再亮也白搭。而且电子的能量只和频率有关，和亮度没关系。
这就离谱了。波动说完全解释不了。
这个难题，最终被爱因斯坦解决了。
1905年，爱因斯坦受到普朗克“能量量子”的启发，提出了一个大胆的假说：光，不只是波，还是由一个个“光量子”（后来叫光子）组成的。每个光子的能量只和频率有关，E=hν，频率越高能量越大。
这样一来，光电效应就完美解释了：每个电子只能吸收一个光子的能量，频率够，能量就够，就能跑出来；频率不够，光子再多也没用。
就这么一个假说，直接把粒子说又给拉回来了。只不过这次的粒子，不是牛顿说的经典小球，而是量子化的粒子，同时还带着波的性质。
换句话说：光既是波，也是粒子，这就是“波粒二象性”。
你可能觉得，不就是二象性嘛，有啥了不起的。
但在当时，这简直是颠覆三观。粒子和波明明是完全不同的东西，怎么可能既是这个又是那个？就像说一个动物既是猫又是狗，谁信啊？
所以爱因斯坦的假说刚提出来的时候，质疑声一片。直到后来密立根的油滴实验，还有康普顿散射，都证实了光子的存在，大家才慢慢接受。
可这还没完。
1924年，一个叫德布罗意的法国贵族，写了篇博士论文，提出了一个更疯狂的猜想：既然光既是波又是粒子，那所有的实物粒子，比如电子、质子、原子，是不是也都有波动性？
他还给出了公式：粒子的动量越大，波长越短。
这篇论文把答辩委员会都整懵了：这小伙子怕不是疯了？电子是粒子，怎么会是波？
后来他们把论文寄给爱因斯坦，爱因斯坦一看，大为赞赏，说这小伙子“揭开了大幕的一角”。有了爱因斯坦的背书，这个假说才引起了大家的注意。
再后来，戴维森和革末做了电子衍射实验，发现电子打在晶体上，真的会出现衍射条纹，和光的干涉条纹一模一样！
这下实锤了：不仅光，所有微观粒子都有波粒二象性。
而这，就是量子力学的起点。
如果说波粒二象性只是让你觉得有点反常识，那接下来的双缝干涉实验，可能会让你怀疑人生。
刚才我们讲了托马斯·杨的双缝实验，证明了光是波。但后来科学家们把这个玩出了花，玩出了物理学史上最“灵异”的实验。
怎么个灵异法？我们一步步来看。
首先，第一个版本，就是普通的双缝实验，用光打过去，屏幕上出现干涉条纹。这说明光是波，没问题。
这时候粒子派不服了：你这是一束光，无数光子一起飞，当然像波了，如果我们一个一个发射光子，每次只发一个，它总该是粒子了吧？总不能自己和自己干涉吧？
于是就有了第二个版本：单光子双缝实验。
科学家把光源调得非常非常弱，弱到一次只发射一个光子。等前一个光子打到屏幕上了，再发第二个。
按照常理，一个光子只能穿过一条缝，要么左缝要么右缝，最后屏幕上应该积累出两条亮杠才对。
可结果呢？随着光子一个一个打上去，屏幕上居然慢慢出现了明暗相间的干涉条纹！
这就邪门了。
干涉是两道波叠加才会有的现象啊！一个光子，它同时穿过了两条缝？然后自己和自己干涉？
这就好比你一个人走进电影院，同时从左边的门和右边的门进去，然后自己和自己撞了个满怀？
可能吗？在宏观世界里当然不可能。但在量子世界里，它就是发生了。
科学家们也懵了。
这到底是怎么回事？光子到底是怎么穿过缝的？
要不，我们装个摄像头看看？
于是就有了第三个版本：观测版双缝实验。
科学家在双缝旁边装了探测器，想看看每个光子到底是从哪条缝过去的。
结果，更灵异的事情发生了。
当他们打开探测器，清清楚楚地看到每个光子要么走左缝要么走右缝，确实是一个个粒子。可与此同时，屏幕上的干涉条纹消失了！变成了两条亮杠。
关掉探测器，不看了，干涉条纹立刻又回来了。
我靠，这是什么意思？
光子好像有思想一样：你看我，我就变成粒子；你不看我，我就变成波？
难道我们的“观察”，能改变光子的状态？
你别不信，这个实验重复了无数次，每次都是这样：一看，就没有条纹；不看，就有条纹。
当时的物理学家们集体都快疯了。这哪里是物理实验，这分明是闹鬼了！
但更疯的还在后面。
有人提出了一个更狠的实验思路：我等光子穿过双缝之后，再决定要不要观测。那时候光子都已经穿过去了，总不能再变了吧？
这就是著名的“延迟选择实验”，是物理学家惠勒提出来的。
简单说就是：光子已经穿过双缝了，这时候它到底是波还是粒子，应该已经定了对吧？这时候我再加上探测器，总不会影响结果了吧？
可实验结果再次打脸：哪怕光子已经穿过了双缝，只要你后来加上探测器，干涉条纹就会消失。反过来，如果一开始有探测器，最后一秒关掉，条纹就会出现。
这就更离谱了。
这相当于什么呢？相当于你今天看了一场昨天的足球赛回放，你看还是不看，居然能决定昨天那场球进没进！
未来的选择，改变了过去已经发生的事实？
这不是违反因果律了吗？
一时间，物理学界三观尽碎。
很多人开始怀疑：我们所谓的客观世界，到底还存在吗？难道真的是“观测创造现实”？
甚至有人扯到了唯心主义，说什么“意识决定物质”，你心里想它是粒子，它就是粒子；你想它是波，它就是波。
可事实真的是这样吗？
当然不是。
之所以会有这么多误解，是因为很多人把“观测”当成了“人的观看”，当成了意识的作用。
但实际上，量子力学里的“观测”，根本和人的意识没关系。
所谓观测，本质上是“仪器和量子系统发生了物理相互作用”。
你装探测器去测光子，探测器就得和光子发生作用，比如光子要打在探测器的元件上，才能被探测到。这个相互作用本身，就会让光子的量子态发生坍缩，从叠加态变成确定态。
说白了，不是你“看”了它才变，是你用仪器“碰”了它，它才变的。
你用眼睛看也是一样的道理。你能看到东西，是因为光子打到你的眼睛里，和你的视网膜发生了相互作用。
这个过程本身就是观测，就会导致坍缩。
只不过双缝实验里，你用眼睛看屏幕，那是光子已经打在屏幕上了，已经坍缩完了，所以不影响。但你要是在缝那里测，那就会影响。
所以，根本不是什么意识决定物质，就是纯粹的物理相互作用而已。
那为什么延迟选择实验会像“未来改变过去”呢？
其实也没有改变过去。
只是我们用宏观的经验去套微观世界，才会觉得奇怪。
在量子世界里，在没有被观测之前，光子没有确定的“路径”这个概念。它不是“要么走左缝要么走右缝”，而是处于“走左缝和走右缝的叠加态”。
你什么时候观测，它什么时候坍缩。在这之前，它没有确定的状态，自然也就不存在“改变过去”的问题。
说白了，还是我们的宏观常识在作祟。我们总觉得一个东西总得有个确定的位置、确定的状态，可在量子世界里，叠加态才是常态，确定态反而是观测之后的结果。
就像你买了个盲盒，没拆开之前，你说里面是隐藏款还是普通款？都有可能，是叠加的。拆开一看，才确定。
当然，盲盒的叠加是因为你不知道，它里面早就定了。而量子的叠加，是它真的没定，这是本质区别。这个我们后面讲薛定谔的猫的时候还会细说。
面对双缝实验这堆“灵异现象”，物理学家们总得给个说法吧？
当时分成了两大派。
一派以爱因斯坦为首，坚持认为这事儿肯定有隐情，量子力学还不完备；另一派以玻尔为首，说这就是量子世界的本质，本来就是这样。
而玻尔这帮人提出的解释，就是后来统治了量子力学几十年的“哥本哈根解释”。
说到玻尔，这人也挺有意思。
很多人知道玻尔是量子力学教父，是诺贝尔奖得主，但很少有人知道，他年轻的时候差点成了职业足球运动员。
1908年伦敦奥运会，丹麦国家足球队拿了银牌，队里的主力前锋，就是玻尔的弟弟。而玻尔自己，是当时丹麦最强俱乐部哥本哈根AB队的主力门将。
为啥玻尔没进国家队？据说教练觉得他太爱思考人生了，经常在比赛的时候靠着门柱想物理公式，对手远射都能把他思路打断。
你看，大佬就是大佬，连守门都在想公式。
后来玻尔选择了物理，放弃了足球。事实证明，这个选择太对了，足球少了个门将，物理学多了个教父。
面对双缝实验的诡异结果，玻尔总结出了量子世界的三大基本原则。这三条原则，每一条都反常识，但又都被实验反复验证。
第一条：态叠加原理
玻尔说，在量子世界里，任何事物都可以同时处于不同的状态，各种可能性并存。
比如双缝实验里的光子，没被观测的时候，它就是同时穿过左缝和右缝的叠加态。不是“我们不知道它走了哪条”，是它真的同时走了两条。
再比如电子的自旋，没测之前，它就是同时向上和向下的叠加态。不是“本来就定了只是我们不知道”，是它真的没定。
这和宏观世界完全不一样。宏观里，你坐在椅子上，你就在椅子上，不可能同时在桌子上。但在量子世界里，粒子可以同时在好几个地方。
说白了，在量子世界，“既是A又是B”才是常态，“非A即B”反而是特殊情况。
第二条：测不准原理
这条是海森堡提出来的，也叫不确定性原理。
啥意思呢？简单说：你不可能同时精确测出一个粒子的位置和速度。位置测越准，速度就越不准；速度测越准，位置就越不准。
很多人以为，测不准是因为仪器精度不够，或者测量的时候碰了粒子，干扰了它。
还真不是。
测不准是量子世界的本质属性，和仪器没关系。哪怕你有上帝级别的仪器，你也测不准。因为粒子本来就没有同时确定的位置和速度。
这就好比一个人，你不可能同时精确知道他的体重和他的心情。不是你秤不准，是这俩东西本来就不搭边。当然这个比方不太严谨，但大概就是这个意思。
测不准原理是量子力学最核心的原理之一，后面我们讲量子通信为什么安全，本质上靠的就是它。
第三条：观察者原理
虽然一切事物都处于叠加态，但只要你一观测，它就会立刻“坍缩”成其中一个确定的状态。
至于坍缩成哪一个？随机的，概率由叠加态的成分决定。
比如一个光子，50%概率左缝，50%概率右缝。你一观测，它就随机选一个，要么左要么右，不会再叠加了。
这就是为什么装了探测器，干涉条纹就没了，因为观测导致叠加态坍缩了，光子变成了粒子，自然就不会干涉了。
你看，有了这三条原则，双缝实验是不是就解释通了？
没装探测器的时候，光子处于叠加态，同时走两条缝，自己和自己干涉，出条纹；装了探测器，一观测，叠加态坍缩，光子只走一条缝，条纹就没了。
完美。
但当时很多人接受不了。
最接受不了的就是爱因斯坦。
他和玻尔在索尔维会议上吵了好多年，最经典的那句就是：“上帝不掷骰子！”
爱因斯坦的意思是：什么随机坍缩？肯定是有什么我们没发现的隐变量在背后起作用。只是我们现在还没找到，所以看起来是随机的。就像掷硬币，看起来随机，其实是因为我们没算准空气阻力、力度角度这些参数。算准了，结果就是确定的。
而玻尔回了一句更经典的：“爱因斯坦，别去指挥上帝怎么做。”
俩人吵了几十年，谁也没说服谁。
直到后来，一个叫贝尔的工程师，想出了一个办法，能通过实验验证到底谁对谁错。这个我们后面讲量子纠缠的时候再细说。
现在你只需要知道：目前所有的实验结果，都站在玻尔这边。
上帝，还真的掷骰子。
哥本哈根解释虽然能解释双缝实验，但很多人还是觉得别扭。
尤其是“叠加态”这玩意儿，微观粒子玩玩也就算了，难道宏观世界也有？
为了怼哥本哈根学派，薛定谔想出了一个思想实验，直接把微观的叠加态和宏观的猫绑在了一起。
这就是物理学史上最著名的动物，薛定谔的猫。
先说说薛定谔这个人。他是量子力学的奠基人之一，薛定谔波动方程就是他搞出来的，和矩阵力学、路径积分并称量子力学三大基石。
但薛定谔本人，其实对哥本哈根解释很不满。他提出这个猫的实验，根本不是为了证明叠加态，而是为了讽刺：你看，按照你们的说法，箱子里的猫就会既死又活，这不是扯淡吗？
说白了，他是来砸场子的。
那这个实验到底是怎么回事？
很简单：把一只猫关进一个密封的箱子里，箱子里还有一套装置：一个放射性原子，一个探测器，一把锤子，一瓶毒药。
如果原子衰变了，放出射线，探测器就会触发锤子，打碎毒药瓶，猫就被毒死；如果原子没衰变，猫就活着。
原子衰变是量子事件，按照哥本哈根解释，没观测之前，原子处于“衰变”和“没衰变”的叠加态。
那问题来了：原子的状态是叠加的，那猫的死活是不是也是叠加的？
按照逻辑推导，是的。原子衰变=死猫，原子没衰变=活猫，原子叠加=猫叠加。
所以，在打开箱子观测之前，这只猫处于“既死又活”的叠加态。
薛定谔说：你看，这不就荒谬了吗？猫怎么可能既死又活？这只能说明你们的叠加态理论有问题。
他以为自己这波能把玻尔怼死。
结果呢？这个实验非但没驳倒哥本哈根解释，反而成了量子力学最经典的科普案例。几乎所有人提到量子力学，第一反应都是这只猫。
估计薛定谔自己也没想到，本来是砸场子的，结果成了代言人。
那这只猫到底是不是既死又活？
当然不是。
现实中你不可能看到一只既死又活的猫。为什么？
因为宏观物体的粒子太多了，会发生“退相干”。
啥叫退相干？简单说就是，量子系统只要和周围环境发生一点点相互作用，叠加态就会立刻坍缩，变成确定态。
箱子里的猫，由万亿亿个原子组成。它要呼吸，要和空气分子碰撞；放射性原子衰变放出的射线，也会和周围的粒子作用。
这些相互作用，本质上都是“观测”。
所以，根本等不到你打开箱子，猫的状态早就确定了。
要么死了，要么活着，只是你不知道而已。
说白了，宏观世界里不是没有叠加态，而是坍缩得太快太快了，快到你根本察觉不到。
就像你往水里扔一块石头，会激起涟漪，但涟漪很快就会消失。宏观物体的叠加态，就像这涟漪，刚出现就没了。
那有没有办法让宏观物体保持叠加态？
理论上有，就是把它和环境完全隔离开，绝对真空，绝对零度，不和任何粒子作用。但现实中根本做不到。
所以到目前为止，我们还没能做出真正的“薛定谔的猫”，只能做出“薛定谔的小猫”。
比如1996年，科学家用单个铍离子做出了叠加态，让它同时处于两个位置，相隔80纳米。这是人类第一次“看到”量子叠加。
2004年，潘建伟团队实现了5光子的薛定谔猫态；2012年，做到了8个光子。
别看只有几个粒子，这已经非常难了。粒子越多，退相干越快，越难维持叠加态。想要做出一只真正的猫那么大的叠加态，以现在的技术，基本不可能。
除了退相干，还有另一种解释，叫“多世界诠释”。
这个解释更脑洞大开：根本没有什么坍缩。
你打开箱子的一瞬间，宇宙分裂成了两个。一个宇宙里猫活着，另一个宇宙里猫死了。两个宇宙都真实存在，只是互相不干涉。
而且不只是开箱，每一次量子事件都会导致宇宙分裂。你今天早上喝豆浆还是喝牛奶，出门左转还是右转，每一个选择，都会分裂出无数个平行宇宙。
在这个宇宙里你是普通人，在另一个宇宙里你可能是亿万富翁，还有的宇宙里你可能根本没出生。
是不是听着很科幻？
还真不是瞎扯。多世界诠释是现在物理学界很主流的一个解释，很多大佬都支持。因为它不需要“坍缩”这个假设，逻辑上更简洁。
当然，目前为止，我们还没法证明平行宇宙真的存在。就当是个有趣的脑洞吧。
回到薛定谔的猫。
其实这个思想实验最大的意义，就是把微观的量子效应放大到了宏观，让我们直观感受到了量子世界的反常识。
它没有证明猫能既死又活，反而告诉我们：微观世界的规则，和宏观世界完全不一样。别拿日常经验去套量子力学，套不进去的。
如果说薛定谔的猫只是让你觉得反常识，那量子纠缠，可能会让你觉得世界观崩塌。
啥是量子纠缠？
简单说，两个粒子如果处于纠缠态，那它们的状态就是绑定的。不管隔多远，哪怕一个在地球，一个在银河系另一端，只要你观测其中一个，另一个会瞬间确定状态。
就像有一对双胞胎，你在地球上看到哥哥是左撇子，那远在仙女座的弟弟，瞬间就变成右撇子。中间不需要任何信号传递，瞬间完成。
爱因斯坦把这个叫做“幽灵般的超距作用”。
他觉得这太扯了，违反了相对论的光速上限。
那这个东西到底是怎么来的？
故事还要从1935年说起。
那一年，爱因斯坦和两个同事波多尔斯基、罗森，一起发表了一篇论文，提出了著名的EPR佯谬（EPR是三个人名字的首字母）。
他们的思路是这样的：假设一个母粒子分裂成两个子粒子A和B，向相反方向飞出去。根据动量守恒，A的动量和B的动量大小相等，方向相反。
按照哥本哈根解释，没观测之前，A和B的动量都是不确定的，处于叠加态。
但只要你测一下A的动量，就能精确知道B的动量。这时候B还没被观测啊，它怎么就突然确定了？
如果两个粒子离得特别远，比如几光年，难道A测一下，B瞬间就知道了？这不是超光速通信了吗？
爱因斯坦认为，这只能说明量子力学不完备。肯定有什么隐变量，在粒子分裂的时候就已经确定了各自的状态，只是我们没测到而已。
说白了，爱因斯坦觉得这就像一副手套，分别装在两个盒子里，一个寄去北京，一个寄去上海。
你打开北京的盒子，看到是左手套，那上海的肯定是右手套。这不是什么超距作用，是一开始就定好了的。
而玻尔不同意。
玻尔说，在观测之前，两个粒子是一个整体，根本没有各自的状态。你观测A的时候，不是影响了远在天边的B，而是整个系统的状态坍缩了。
俩人各执一词，谁也说服不了谁。
后来薛定谔给这个现象起了个名字，叫“量子纠缠”。
在之后的几十年里，这事儿就一直悬着。公说公有理，婆说婆有理，没人能通过实验证明谁对。
直到1964年，一个叫约翰·贝尔的工程师，想出了一个绝妙的办法。
贝尔是欧洲核子中心的加速器设计工程师，业余爱好研究量子力学。他是爱因斯坦的铁杆粉丝，坚信隐变量理论是对的。
他发现，爱因斯坦和玻尔的分歧，其实可以用一个数学不等式来检验。如果隐变量存在，实验结果就会满足这个不等式；如果量子力学是对的，不等式就会被打破。
这就是大名鼎鼎的贝尔不等式。
简单说，粒子的自旋不只有一个方向，有x轴、y轴、z轴三个方向。如果隐变量存在，那不同方向的自旋之间的关联程度是有上限的；如果是量子纠缠，关联程度会更高。
贝尔本来以为，做实验的话，肯定会满足不等式，证明爱因斯坦是对的。
结果呢？
1982年，法国物理学家阿斯派克特做了第一个严格验证贝尔不等式的实验。结果显示，不等式不成立！
也就是说，爱因斯坦错了，玻尔是对的。
量子纠缠真的存在，超距作用真的有。
更戏剧的是，贝尔本人看到结果都懵了。
他本来想证明爱因斯坦对，结果亲手把偶像的理论推翻了。
后来几十年里，科学家们做了无数次实验，把各种可能的漏洞都补上了，结果都一样：贝尔不等式不成立，量子力学是对的。
2017年，墨子号卫星还在太空中做了千公里级的贝尔不等式检验，结果依然是量子力学获胜。
那问题来了：量子纠缠真的超光速了吗？那相对论岂不是错了？
还真没有。
因为量子纠缠不能传递信息。
你想想，你观测A粒子，得到一个随机的结果，比如自旋向上。你知道B粒子瞬间变成了向下，但你没法控制这个结果啊。你想发个“0”，结果它随机出了个“1”，你根本控制不了。
既然不能控制，那就没法传递有效信息。你收到的只是一串随机的乱码，不是有用的信息。
所以，相对论的光速上限并没有被打破。
有用的信息，永远不可能超光速传递。
爱因斯坦担心的“超光速通信”，其实并不存在。
那量子纠缠就没啥用了吗？
当然不是。
虽然不能直接传信息，但它有一个逆天的属性：绝对随机，而且完全同步。
而这个属性，刚好是密码学的终极梦想。
在讲量子通信之前，我们先得聊聊密码学的那些事儿。
密码这东西，听起来高大上，其实我们每天都在用。
你手机的锁屏密码，WiFi的密码，银行卡的支付密码，这些都是密码。但这些都是“登录密码”，严格来说不算真正的加密通信。
真正的加密通信，是把你要发的内容，通过一套规则变成乱码，对方收到后再用规则还原回来。中间就算被人截了，看不懂，也没用。
人类用密码的历史，能追溯到几千年前。
最早的加密方法特别简单，就是替换。比如最有名的恺撒密码：把字母往后移3位，A变成D，B变成E，以此类推。
比如你想发“I love you”，加密之后就变成了“L oryh brx”。不知道规则的人看，就是一堆乱码。
当年恺撒大帝就是用这个方法给前线将军送信的。在那个年代，这玩意儿就是黑科技，敌人截了信也看不懂。
但这种方法有个致命的弱点：太容易破解了。
怎么破？靠频率分析。
比如英文里，字母E出现的频率最高，大概12%左右，然后是T、A、O这些。你只要统计密文里哪个字母出现最多，大概率就是E。再结合单词的规律，比如短单词、常见搭配，很快就能破译。
福尔摩斯探案集里就有个跳舞的小人的案子，福尔摩斯就是用频率分析，把那些小人图案的密码给破解了。
所以替换密码看着厉害，其实不堪一击。
那怎么办呢？人们想，要是每个字母的替换规则都不一样，那频率分析不就没用了？
于是就有了复式替换密码。
最有名的就是二战时候德军用的恩尼格玛机，也叫谜机。
恩尼格玛机长得像个打字机，里面有几个转子。你按一个字母，转子就转一下，对应的替换规则就变了。
比如你连按三个A，第一个A变成B，第二个A变成D，第三个A变成F。同样的字母，每次加密结果都不一样。
这样一来，频率分析彻底失效了。因为字母出现的频率被打乱了，你根本找不到规律。
而且转子的数量和初始位置可以随便设置，密钥空间大得吓人。三个转子的话，就有上亿种组合。再加个接线板，组合数更是天文数字。
当时的德军觉得，这玩意儿绝对不可能被破解。靠着恩尼格玛机，他们的通信在盟军面前跟透明似的，想怎么发就怎么发。
盟军这边确实头疼了很久。直到一个叫图灵的天才出现。
图灵的思路很简单：对付机器，还得用机器。
他设计了一台叫“炸弹”的机器，用暴力穷举的方式，去试转子的初始位置。当然不是瞎试，他利用了德军电报的固定格式，比如每天早上都有天气预报，开头肯定有“天气”这个词，以此为线索，大大缩小了搜索范围。
最后，图灵成功破解了恩尼格玛机。
据说因为这个，二战至少提前了两年结束。
而图灵用来破解密码的这台机器，就是世界上第一台计算机的雏形。
恩尼格玛机被破解之后，复式替换密码也就走下神坛了。
那之后密码学又怎么发展呢？
人们发现，密码本的分发是个大问题。加密和解密得用同一套规则，也就是密钥。那密钥怎么给对方？派人送？那要是送密钥的人叛变了，或者被抓了，不就全完了？
而且越高级的加密，密钥越长，越难送。
直到1970年代，有人想出了一个天才的想法：非对称加密。
啥叫非对称？就是加密和解密用不同的密钥。加密的密钥可以公开，叫公钥；解密的密钥只有自己知道，叫私钥。
最有名的非对称加密算法，就是RSA，用三个发明者的名字命名的。
RSA的原理，基于一个简单的数学事实：把两个大素数相乘很容易，但把乘积再分解回两个素数，特别难。
比如37乘97等于3589，口算都能算。但问你3589是哪两个数相乘，你得算半天。
数字越大，分解的难度指数级上升。现在常用的2048位RSA密钥，用现在的超级计算机去破解，得算几十万年。
所以，你可以把两个大素数的乘积当公钥公开，别人用这个公钥加密信息发给你，只有你自己知道那两个素数（私钥），才能解密。
这样一来，密钥分发的问题就解决了。
公钥随便公开，不怕别人知道，反正没人能破解私钥。
现在我们上网用的https，网银、支付宝的加密，基本都是RSA或者类似的非对称加密。
可以说，RSA撑起了整个互联网的安全。
但RSA就真的无懈可击吗？
也不是。它的安全，本质上是“计算安全”，不是不能破解，是用现在的计算机，破解起来太慢了，得不偿失。
可如果有一天，出现了一种算力爆炸的计算机，能快速分解大数呢？
还真有。
那就是量子计算机。
而能对抗量子计算机的，只有量子通信。
终于说到正题了：量子通信到底是啥？
很多人一听量子通信，就想到超光速通信，想到瞬间传送，想到科幻片里的瞬移。
真不是。
量子通信的全称，其实叫“量子密钥分发”。
它传的不是内容，是密钥。
说白了，就是用量子的方式，给通信双方发一串随机的密钥。有了密钥，再用这个密钥去加密真正的内容，内容还是走传统信道传。
那为啥非要用量子发密钥？传统方式不行吗？
因为量子密钥分发，是理论上绝对安全的加密方式。
有多绝对？只要量子力学是对的，它就不可能被破解。不是算力够不够的问题，是物理定律禁止你破解。
为啥这么牛？因为它利用了量子力学的两大特性：测不准原理和量子态不可克隆。
先给你讲最简单的量子密钥分发协议：BB84协议。
这是1984年贝内特和布拉萨德提出来的，也是现在最常用的。
这个协议用光子的偏振态来编码信息。光子的偏振方向有四种：水平、垂直、45度斜、135度斜。
我们可以把水平和45度当成0，垂直和135度当成1。
发送方（我们叫她爱丽丝）随机选一个偏振方向，发一个光子给接收方（我们叫他鲍勃）。鲍勃收到光子，随机选一个测量基去测。
这里有个关键点：测量基和偏振方向匹配的话，就能测准；不匹配的话，结果就是随机的。
比如光子是水平偏振，鲍勃用水平/垂直基去测，肯定测到水平（0）；但如果鲍勃用45/135度基去测，就会有50%概率测到45度（0），50%概率测到135度（1），完全随机。
那怎么生成密钥呢？
步骤是这样的：
- 爱丽丝随机选偏振，发一串光子给鲍勃。
- 鲍勃随机选测量基，测出一串结果。
- 爱丽丝和鲍勃通过传统信道（比如微信、电话）对一下，各自用了哪些基。
- 把基不匹配的那些都扔掉，剩下基匹配的那些，对应的结果，就是共同的密钥。
听起来好像也没啥特别的啊？为啥就绝对安全了？
关键就在窃听。
假如有个窃听者伊芙，想在半路截获光子，测一下，再发给鲍勃，神不知鬼不觉。
可能吗？不可能。
因为伊芙截到光子，也得选个基去测。她不知道爱丽丝用的什么基，只能瞎选。测完之后，她再根据结果造一个光子发给鲍勃。
但这样一来，就会出问题。
伊芙选的基如果错了，测出来的结果就是随机的，她造出来的光子偏振就和原来的不一样。等鲍勃收到之后，和爱丽丝对基的时候，错误率就会大大升高。
正常情况下，基匹配的那些，结果应该是100%一致的。一旦有窃听，错误率就会明显上升。
所以，爱丽丝和鲍勃只要随便拿出一部分结果来对一下，看看错误率，就知道有没有人窃听了。
如果错误率高，说明被窃听了，那这次密钥就作废，重新发。如果错误率很低，说明没被窃听，剩下的密钥就可以放心用了。
这就是量子通信的逆天之处：窃听必然会留下痕迹。只要有人听，我们一定能发现。
而且你别想偷偷复制一个光子。量子态不可克隆定理说了，你不可能精确复制一个未知的量子态。想复制，就得先测量，一测量就会改变，就会被发现。
所以，从理论上讲，量子密钥分发是无条件安全的。不管窃听者算力有多强，科技有多发达，只要量子力学还成立，就破解不了。
这和RSA完全不一样。RSA是靠计算难度撑着，算力上去了就可能被破；量子通信是靠物理定律撑着，除非你能推翻量子力学，否则破不了。
这就是为什么我们要搞量子通信。因为它是目前已知的，唯一能对抗量子计算机的加密方式。
说到这，就得提一下我们的“墨子号”量子卫星了。
为啥要把量子实验搬到天上去？
因为在地面上，光子在光纤里传输，损耗特别大。传个几百公里，光子就没剩几个了。所以地面量子通信的距离一直上不去。
而卫星在天上，光子在太空里传播，损耗小很多。可以先把密钥从卫星发到地面站，再通过地面站中转，实现远距离的量子通信。
2017年，墨子号实现了千公里级的星地量子密钥分发，当时震惊了全世界。
除了卫星，我们还建了地面的量子通信干线，比如京沪干线，从北京到上海，沿途好几个节点，实现了两千多公里的量子保密通信。
现在很多银行、政务部门，已经开始用量子通信来传输保密数据了。
可能你会说：这玩意儿离我也太远了，我又不用传国家机密。
别急。任何技术都是先军用、商用，再民用。当年马可尼的无线电也只有军队用，现在谁还没个手机？
再过几十年，说不定你手机上网、转账，底层的加密都会换成量子的。
到那时候，你就再也不用担心银行卡被盗刷、聊天记录泄露了。
看到这你可能会问：现在的RSA不是用得好好的吗？为啥非要搞量子通信？是不是杞人忧天？
还真不是。
因为量子计算机的发展，比我们想象的快得多。
一旦通用量子计算机造出来，现在的RSA、椭圆曲线加密这些，全都会被秒破。到那时候，整个互联网的安全体系都会崩塌。
为啥量子计算机这么厉害？
因为它的计算方式和传统计算机完全不一样。
传统计算机的比特，要么是0，要么是1，一个比特同一时间只能表示一个状态。
而量子计算机的量子比特，可以处于0和1的叠加态。
啥意思？就是一个量子比特，同时既是0又是1。
那有啥用？用处大了。
比如一个传统比特，一次只能处理一个数；两个传统比特，一次也只能处理一个两位数。
但两个量子比特呢？能同时表示00、01、10、11四种状态，一次就能处理四个数。
N个量子比特，就能同时处理2^N个数。
这是什么概念？
比如10个量子比特，一次就能处理1024个数；100个量子比特，一次就能处理2^100个数，这比整个宇宙的原子总数还多！
这种并行计算能力，用来破解密码简直是降维打击。
比如RSA的大数分解，传统计算机得一个个试，慢得要死。量子计算机用Shor算法，能在多项式时间内把大数分解了。
啥概念？2048位的RSA密钥，传统超级计算机得算几十万年；量子计算机可能只需要几秒钟。
就这么夸张。
所以有人说，量子计算机就是传统加密的“末日审判”。
那现在量子计算机发展到哪一步了？
说实话，还比较初级。
现在最先进的量子计算机，也就几百个量子比特，而且都是有噪声的，叫“含噪声中等规模量子（NISQ）”。还没法实现通用计算，也破解不了RSA。
但发展速度很快啊。
十几年前，大家还在争论能不能做出几个量子比特；现在已经几百个了。再过几十年呢？
没人知道。
但大家普遍认为，几十年内，破解RSA的量子计算机大概率会出现。
密码这东西，必须提前布局。你不能等狼来了才建围墙，那时候就晚了。
现在把量子通信搞起来，等量子计算机普及的时候，我们的信息安全才有保障。
而且，量子计算机也不是只能破解密码。它在药物研发、材料科学、人工智能、气候模拟这些领域，都有巨大的潜力。
但那是另一个话题了，我们今天主要讲通信。
总而言之，量子计算是矛，量子通信是盾。矛越来越锋利，盾自然也得升级。
这就是为什么全世界都在拼命搞量子通信。欧盟投了几十亿欧元，美国、日本也都在加紧布局。我们国家在这一块，目前是领先的。
量子通信这东西，因为太反常识，网上争议特别多。
今天我就挑几个最常见的误区，给大家掰扯清楚。
误区1：量子通信是超光速通信？
很多人一听到量子纠缠，就觉得能超光速传信息，甚至能穿越时空。
真不是。前面说了，量子纠缠不能传递有效信息。因为结果是随机的，你控制不了。
量子通信本质上还是在传密钥，而且对基的过程还得走传统信道，速度不可能超过光速。
所以，超光速通信、瞬间传送这些，都是科幻，现实中不存在的。
误区2：只能传密钥，有啥用？
有人说：搞了半天，量子通信只能传个密钥，内容还得走传统信道，那不是脱裤子放屁吗？
还真不是。
加密通信里，密钥才是核心。只要密钥安全，内容就安全。
而且量子密钥分发，解决了密码学里千百年来的大难题：密钥分发的安全。
以前送密钥，得派人送，得冒着叛变、被截获的风险；现在用量子信道发，绝对安全，还能随时换，一次一密。
这已经是质的飞跃了。
误区3：现在加密够用，搞量子通信浪费钱？
很多人说：现在的RSA用得好好的，也没见谁被破解啊，花那么多钱搞量子通信，是不是浪费纳税人的钱？
这就好比说：我家现在锁着门呢，也没被盗过，装防盗门干啥？
等被盗了就晚了。
现在RSA安全，是因为现在的计算机算力不够。等量子计算机出来，再想搞量子通信，就来不及了。
密码技术的迭代，永远要走在攻击前面。
而且，量子通信的应用场景不只是民用。国防、外交、金融这些领域，对信息安全的要求是极致的。哪怕只有万分之一的风险，也得防。
当年哥伦布发现新大陆的时候，也有人说花那么多钱出海，不值当。但后来的事，大家都知道了。
前沿科技的布局，不能只看眼前的利益。
误区4：量子力学是唯心主义？
很多人一知半解，说什么“观测导致坍缩”就是意识决定物质，量子力学证明了唯心主义。
纯属瞎扯。
前面说了，量子力学里的观测，是物理相互作用，和人的意识没关系。
你用仪器测是观测，用石头碰一下也是观测，哪怕一个空气分子撞上去，也算观测，都会导致坍缩。
跟你看不看、想不想，半毛钱关系都没有。
那些说量子力学证明了佛学、证明了心学的，都是不懂装懂，别信。
网上还有些极端的，说量子通信是骗局，是骗经费的。
这就更扯了。
量子力学是已经被实验验证了一百多年的理论，是整个现代物理学的基础。你手机里的芯片，医院里的核磁共振，LED灯，这些都离不开量子力学。
量子通信是量子力学的应用，原理上完全没问题。而且墨子号的实验结果都是公开的，全世界的科学家都在看，造假是不可能的。
当然，任何技术发展初期都会有争议。当年火车刚发明的时候，还有人说会把人震傻呢。
时间会证明一切。
讲了这么多，最后聊聊未来吧。
现在的量子通信，还处于初级阶段。距离短，速率低，成本高，还只能传密钥。
但技术是在不断进步的。
比如现在地面传输距离短，是因为光子损耗大。未来有了量子中继器，就能像接力一样，一段一段传，实现几千公里甚至上万公里的量子通信。
再比如，现在只能传密钥，未来能不能用量子直接传信息？甚至传量子态？
理论上是可以的。
比如量子隐形传态，利用量子纠缠，把一个粒子的量子态，瞬间传到另一个粒子上。
注意，传的是状态，不是粒子本身。就像你把一封信的内容传真给对方，纸还是你的纸，内容过去了。
量子隐形传态已经在墨子号上实验成功了。当然，现在只能传单个粒子的态，离传物体、传人还差得远呢。
但未来呢？
如果有一天，我们能构建起覆盖全球的量子网络，实现任意两点之间的量子通信、量子计算互联，那就是“量子互联网”了。
到那时候，信息传输绝对安全，计算能力爆炸式提升，很多我们现在想都不敢想的应用，都会变成现实。
就像一百多年前，马可尼发出第一封跨洋电报的时候，没人能想到今天的互联网会是什么样子。
我们这代人，正站在一个新时代的门口。
从马可尼的无线电，到今天的5G；从恺撒密码，到今天的量子加密。
人类通信的历史，就是一部不断突破极限、不断追求更安全、更快速的历史。
量子力学刚诞生的时候，没人想到它能造出芯片、造出激光、改变整个世界。
现在的量子通信、量子计算，就像当年的量子力学一样，还处在襁褓期。但它未来的潜力，可能远超我们的想象。
最后想说一句：
很多人觉得量子力学很玄，很虚，离生活很远。
但其实，它就在你身边。你每天用的手机、电脑，看的电视，去医院做的检查，背后都有量子力学的影子。
而量子通信，迟早也会像这些技术一样，悄悄走进你的生活，默默守护着你的信息安全。
毕竟，科技的进步，从来都是从看不懂，到离不开。
我们有幸，正处在这个变革的时代。
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