資源簡介

(共32張PPT)
量子通信與星際穿越
量子通信
什么是量子通信？
一種原則上不可被竊聽的通信方案。
量子科學實驗衛星(墨子號)
什么是量子通信？
這種通信基于量子力學的一種非常特殊的性質——“量子糾纏”
“量子糾纏”是什么？
這個就像是一個男生和一個女生談戀愛（雖然這時候用“糾纏”這個詞有點怪怪的）。
如果你不認識這個女生，但是你要是去問這個男生，你也能知道一些這個女生的信息；反過來，如果你問女生，她也可以告訴你一些這個男生的信息。
這說明信息是在這個男生和女生之間是共享的。
手套故事
1.0
現在，記住“量子糾纏”的重點是信息共享。
做個簡單類比，我們來聊一個關于手套的故事。
北京
？
？
波士頓
倫敦
隨機分配
超光速？！？
當你打開波士頓的盒子的一瞬間，你就知道了在倫敦的盒子里的手套是左還是右。它們的距離是5000多公里，但是你卻在一瞬間知道了這么遙遠的信息。超過光速的了嗎？！
好像有點不對勁？
實際上，在倫敦的人并不能用它來傳遞任何信息。這個手套的分配是隨機的，他不能控制每次你打開的手套是左還是右。
但是，手套的確是“糾纏”的！
信息傳遞的
基本姿勢
一般來說，我們經典的信息傳遞都會有信息復制這個過程。
比如說，你的朋友給你讓你發微信告訴她你的手機號。你首先是查看一下你的手機號，然后復制粘貼到微信里發給她。所以信息傳遞之前都會先復制，然后用某種方式發送出去。
這個發送的過程肯定是沒有超過光速的。
可是，如果你的信息在量子態里，而你想要把這些信息傳遞出去，一個著名的定理告訴我們：任何量子態都是不能復制的。也就是說，“復制+傳遞”在量子通信里是不可能的！
額，你說的每個字我都認識，但是好像并不懂你在說啥？！
我們先來了解下什么是“經典態”
量子態？
“量子態”允許我們換個方式打開盒子。
50%
50%
50%
50%
觀測量子態
=
破壞量子態
“打開盒子”代表對量子態做了一個觀測。
但是一旦觀測了量子態，量子態就會“坍縮”，也就是說量子態發生了變化。
如果我們以球的顏色作為我們存儲的信息，一旦我們去查看這個信息，這個信息就被破壞了。而且我們只得到了觀測的結果。
“任何量子態都是不能復制的”這個定理大致就是因為，要復制一個態必須要獲得這個態的信息，同時又不能破壞它，這是不可能的。
那我們能不能不讀取信息就把它傳遞出去呢？
當然可以！
量子糾纏態
“量子糾纏態”就是兩個盒子以同樣方式打開，顏色一致。
？
？
50%
50%
50%
50%
薛定諤的貓
薛定諤的貓，就是一種很特別的糾纏態。它把一只貓和一個不穩定的原子的狀態糾纏在一起。
貓死,衰變
50%
貓活,不衰變
50%
+
=
既死又活的貓
手套故事
2.0
記得北京發出來的手套都是成對的。
我們可以利用這個“糾纏”特征來看一個高級的手套故事。
北京
波士頓
倫敦
=
換
X
不換
X
不換
?
?
?
手套配對檢測機
?
?
?
?
?
?
“=,
X,
X”
手套交換機
“=?還是X?”
手套故事
2.0
全程并不需要知道最初的信息是什么！
僅僅根據手套是否配對上，你并不能從中得知最初的信息。
獨特優點：無法竊聽！
信息傳遞成功，但是沒有超光速！
北京
波士頓
倫敦
=
X
X
換
不換
不換
手套配對檢測機
手套交換機
“=,
X,
X”
右
左
右
盒子版的量子故事
+
-
+
-
50%
50%
1)
2)
3)
4)
根據收到的號碼，對應4個操作，使得盒子里的量子態變成和原先一樣。
1?
2?
3?
4?
？
？
密
北京
倫敦
波士頓
真實的
量子通信
目前的量子通信實驗效果最好的就是光子。光子，顧名思義，就是用來描述光的微觀粒子。光子的速度是光速。每個光子有兩個量子狀態，稱為“左旋”和“右旋”。就像手套的左右，或者球的紅綠色一樣。
我們可以把兩個光子制備在糾纏態中。這時，當一個是“左旋”另一個也是“左旋”；當一個是“右旋”另一個也是“右旋”。
將這兩個光子從北京分發給波士頓和倫敦。
波士頓把收到的光子和另一個編碼了信息的光子放在一起測量。總共可以有四種測量的結果。任何一個測量的結果都不會使我們知道這個編碼的信息是什么（就像手套是否配對不會泄露信息一樣）
波士頓把測量結果發給倫敦。倫敦就可以根據4種結果對手里的光子做一個對應的操作，便可以得到波士頓最初編碼的那個量子態。
這和手套故事2.0非常相似！
墨子號
墨子號衛星是世界上第一顆成功把足夠多對糾纏的光子分發到兩個非常遙遠的地方的衛星。這建立了量子通信的基礎！
星際穿越
廣義相對論里的時空
根據廣義相對論，時空就像一張彈性的薄膜。重的星球會讓時空彎曲得越厲害。運動的重的星球還會在時空的“薄膜”上形成波浪，這就是引力波。
黑洞
黑洞非常的重和致密，以至于時空被壓出了一個無限深的“洞”。這個洞的大小被稱為“視界”。任何在視界里的東西（包括光）都無法從里面逃出來。如果地球被壓縮為一個黑洞，那么他的半徑只有9cm。
蟲洞
廣義相對論里存在一個特殊的時空：兩個黑洞被一個蟲洞連接。這種時空里，兩個黑洞處于量子糾纏的狀態！
一個一般的蟲洞時空就像宇宙中很遠的兩個點被一條近路所連接。這就像是蘋果上的一條蟲蛀的洞，它可以讓蟲用更容易的方式從蘋果表面的一個點爬到另一個點。
星際穿越
在星際穿越的電影中，宇航員必須跳進黑洞才能穿越蟲洞。
蟲洞在黑洞的視界之后將兩個黑洞連接在一起。這意味著如果兩個人分別跳進兩個黑洞，那么他們會在視界之后相遇。
但是，由于光也無法穿越視界，所以黑洞外面的人看不到這倆人的相遇。
同樣的，這倆人相遇之后，卻無法逃脫出來，他們會被黑洞巨大的潮汐力所撕碎。所以，這樣的蟲洞其實是不可穿越的。所以如果你超級勇敢跳進黑洞，那應該會成為一位悲情英雄！
不可穿越的
蟲洞
羅密歐與朱麗葉的新式殉情
視界
星際穿越
實用指南
好像有點冷~那，怎樣才能弄出一個可以穿過去的蟲洞呢？
其實答案既簡單又困難！你需要找到一些奇異物質（exotic
matter），這些奇異物質具有負的質量。我們知道時空會因為物質的質量而彎曲。所以，這樣的奇異物質就會支撐一個“奇異”的帶有可穿越的蟲洞的時空。
一個簡單的解釋。萬有引力告訴我們，任何兩個（正質量）物體的引力都是相互吸引。但是如果我們存在負的質量，那么一正一負相互之間就是排斥力。這個排斥力就是相當于“推一把”，把星際飛船推出視界。
聽起來感覺很玄乎啊
負質量簡直太奇怪了！如果你有幸獲得一些，恭喜！你可以為直接吃掉它，立即減肥了！
那怎樣才有可能呢？我們都知道，在經典的世界里，負質量幾乎是不可能的。然而，在量子世界里，我們卻可以很容易獲得一些量子效應，使得它們產生“等價的負質量”。
比如，一個著名的量子效應“卡西米爾效應”，兩塊金屬板中的真空的能量并不是零，而是一個負值。
量子效應產生
可穿越蟲洞！
在我最近和Daniel
Jafferis教授和Aron
Wall的論文中，我們研究了連接兩個黑洞的蟲洞中的一個特殊的量子效應。令人驚喜的是，我們發現這個蟲洞恰恰可以被“等價的負質量”效應給打開！而這個“負質量”的產生方式在量子力學里也非常容易。我們只需要在這兩個黑洞之間加一點相互作用就好了。
所以，我們的星際飛船可以出發啦！
等等！
不過，在給大家講《星際穿越實用指南》之前，為什么我要“浪費”時間來講量子通信和那些麻煩的手套故事呢？
那是因為，我們的文章的一個更有趣的結果是，這個量子的可穿越蟲洞看起來和量子通信是同一件事！
波士頓利用北京分發的一對糾纏的光子，把手里的信息送到倫敦的過程，就很像這個信息從波士頓進入了某個（假想的連接波士頓和倫敦的）蟲洞，然后重新出現在了倫敦！
換句話說，可穿越蟲洞可以被看做是量子通信過程的另一種描述，不過它使用的是彎曲時空的語言！
在最近我和Daniel
Jafferis的一篇論文中，我們基于一個具體的模型，將二者的關聯做了詳細的分析，并闡明這個結論。
等等！
求解釋！
之前已經告訴大家，兩個被蟲洞連接的黑洞，這樣的時空里，兩個黑洞（A和B）是處于量子糾纏的狀態。這就好比用于量子通信的兩個糾纏的光子。
我們考慮的產生“等價的負質量”的量子效應恰恰可以分解為和量子通信同樣的三個步驟。
1）在黑洞A測量一下；
2）把測量結果發送給B；
3）基于收到的測量結果，在黑洞B那里做一個量子操作；
4）得到一個可穿越蟲洞。
回憶一下
手套故事
2.0
1,
手套配對檢測=黑洞A做測量
2,
發送檢測的結果給B
3,
手套交換機解密=黑洞B處的量子操作
4,
量子通信可穿越蟲洞
北京
波士頓
倫敦
=
換
X
不換
X
不換
?
?
?
手套配對檢測機
?
?
?
?
?
?
“=,
X,
X”
手套交換機
“=?還是X?”
簡要總結
量子態和量子糾纏
量子通信（手套的故事）
時空因為天體的質量而變得彎曲
蟲洞是一個特殊的時空，它連接兩個黑洞。兩個黑洞處于量子糾纏的狀態。
可穿越蟲洞需要“負質量”的奇異物質
量子效應可以提供“等價的負質量”，使得不可穿越的蟲洞變得可穿越。這個可穿越蟲洞和量子通信本質上是一致的。
謝謝！

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