来源 | 我的量子

作者 | 王向斌 清华大学物理系

可能，你会问，你没有量子基础，但是你想知道，究竟是什么导致了量子密码中的“窃听必然留下痕迹”？这篇通俗文章，它带领你直扑量子密码的量子核心基础。读这文章你不需要任何其他参考文献，但是需要耐心。缺乏耐心正是许多试图自学量子力学的人最终未遂的原因。

想象，把量子态的观测规则用到玫瑰花上，量子玫瑰，平时不观测时烟雾缭绕一团。牢记下列三条规则：

规则一：以光照之可现其色彩，非红即白，永无例外；以风吹之可现其气味，非浓香即淡香，永无例外。简单地说：观测其色彩非红即白，观测其气味非浓即淡，永无例外。

规则二：若接连两次观测都观其色彩，即接连两次光照，两次看到的色彩必然相同；若接连两次观测都观其气味，即接连两次风吹，两次测到的气味也必然相同。（这点对于真实玫瑰花那简直就是废话。）

规则三：观测色彩后其气味完全不确定，观测气味后其色彩完全不确定；不论观测之前你的玫瑰处于何种状态。

其中规则三最为核心。例如，先以光照发现其为红色，再以风吹发现其为淡香后，我们已经完全无法预知此后再次光照是红或白了，我们只能根据规则一知道那是非红即白，根据规则三，红白概率五五波。

据此法则，量子玫瑰之色彩和气味无法同时确定。平时我们看到的真实玫瑰花，其色彩和气味都是确定的，或者说是客观实在：淡香型的白玫瑰其气味与色彩都是客观实在，与你愿不愿意劳驾你的鼻子或眼睛无关。而那量子玫瑰则不一样了。它得毫无例外地遵从上段的规则。若其色彩确知，其气味必然完全不确定，反之亦然。这与你的观测能力无关，这是量子玫瑰自身的属性，是大自然的基本法则所决定的。这与我们日常生活的直觉经验很不一样。你必须接受规则。对于这量子玫瑰，如果你试图谈论什么“淡香型的红玫瑰”，那就象试图谈论一个“正方形的圆”那般荒唐。

有个网络语言，“遇事不决，量子力学”。“不决”应为上述规则三那样的规律本身，并非说任何问题都没有明确的答案。下面几个问题就有明确答案：

1）如果我给你一束量子玫瑰，对你说这是一束红玫瑰，这个含义是什么？是指你若只观其色彩，你看到的必然是红玫瑰。我怎样确保这点呢？根据规则二，在我给你玫瑰之前，我观测其色彩，如果我看到了红色，我就对你说这是红玫瑰。（这答案，对于真实玫瑰花的情况简直就是废话，不过，还有别的问题。）

2）我给你一束红色量子玫瑰，你能通过观测，改变其颜色吗？能！根据规则三，你先观测它的气味。此后你再观测它的色彩，你有可能看到红色，也可能看到白色，概率为五五开。如果你看到的是白色，你已成功完成任务，如果你看到的还是红色，则再观测其气味然后再看色彩。如此下去，总有什么时候你会获得一束白玫瑰。（这个，忽然间匪夷所思。）

3）假如，以你携带的那一束量子玫瑰为通行证。途中你不允许观测你的玫瑰。现在某段路上先后有两道哨卡：第一道卡观测你的玫瑰花色彩，红色放行，白色阻止，第二道哨卡还是观测你的玫瑰的色彩，白色放行红色阻止。问：你能够预先准备好某种玫瑰，使得你有机会接连通过两道哨卡吗？又问：如果允许你在两道哨卡之间观测你的玫瑰，你用怎样的策略可以保证自己一定会接连通过两道哨卡？（这个，答案不予公布。）

显然，我们的故事远未结束。有了这个基础，你会发现在我们后续文章中介绍的量子密码中“窃听必然留下痕迹”很自然的事。

关于“墨子沙龙”

墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海市浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众，力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。