每日一书：《猫、爱因斯坦和密码学 ：我也能看懂的量子通信》。图解 10 大量子实验，回眸 15 位科学家天才。漫画图解薛定谔的猫，相声辩论贝尔不等式，谍战片解密量子通信协议，一本有趣的科普书。2016 年 8 月 16 日，“墨子号”，一枚中国制造的量子通信终端卫星，在全世界的眼皮底下冲出实验室，飞向太空。自从 1900 年普朗克发明 “quantum” 这个单词至今，量子终于从哲学辩论会的题材，变成了魔法般的黑科技。基于量子纠缠，能造出比现在快 1 亿倍的量子计算机；而超距作用和贝尔不等式，把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器。正如量子力学大师兼撩妹大师理查德・费曼的名言：“从前，据说世界上只有 12 个人懂相对论 —— 我可不信。也许曾经只有 1 个人懂相对论，但当人们看了他的论文以后，懂的人肯定不止 12 个。然而另一方面，我可以有把握地说，没有人懂量子力学。”—— 换句话说，谁要是觉得自己彻底搞懂了量子力学，那他肯定不是真懂。玻尔总结了量子世界的三大基本原则：①态叠加原理在量子世界里，一切事物可以同时处于不同的状态（叠加态），各种可能性并存。比如在双缝干涉实验中，一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态，才是最普通不过的本质形态；而在我们看来 “正常” 的非黑即白，才是一种特例。②测不准原则叠加态是不可能精确测量的。比如，精确测出了粒子的位置，但它的速度却永远测不准！这并不是因为仪器精度不够高，其实，仪器再好都没用。这个 “不可能” 是被宇宙规律所禁锢的 “不可能”，而非 “有可能但目前做不到”。③观察者原理虽然一切事物都是多种可能性的叠加，但是，我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测，必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的，其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。近百年来，已经无法统计人类到底做了多少次双缝干涉之类的量子实验。面对神秘的量子世界，物理学家们非但没感到害怕，反而像闻到血腥味的鲨鱼一样猛扑上去，从各种角度挑战规则，直至把 “上帝” 本人逼到了死角。量子力学，在爱因斯坦看来，就是一种不和谐（不完备）的理论。比如，量子力学的核心思想是：微观世界的一切只能用概率统计来表达，而具体到单个的粒子，它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大亿亿亿亿倍，就成了薛定谔的猫。宇宙的尺度是以 “亿光年” 为单位计的，在恢宏的空间中，银河系一边发生的任何事情，不可能立即对彼岸的世界造成影响 —— 这就叫 “局域性”。就算此时此刻太阳爆炸了，我们还能逍遥自在地活八分钟，因为八分钟后光才来得及从太阳飞到地球。而对粒子 A 的观测，居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态坍缩了？这被爱因斯坦斥为 “幽灵般的超距作用”。讽刺的是，贝尔原来是爱因斯坦的忠实信徒，人家下了班不去约会而去搞不等式，原来就是为了证明量子力学错了！更讽刺的是，那个加 “延迟选择” 的高级版实验。还是贝尔建议阿斯派克特做的，这让贝尔情何以堪…… 如果单独看每一档，不过是最简单的恺撒替换法而已；但每敲一个字，转子就像左轮手枪一样转动一档，自动切换成不同的替换模式。输入 26 个字母后，每个字使用的替换模式都不同，让依赖频率分析、概率统计的破解方法从此无的放矢。这，就是复式替换的威力。1940 年 11 月 12 日，希特勒命令德军出动 500 架飞机轰炸考文垂，行动代号 “月光奏鸣曲”。此举一为摧毁考文垂的工业设施，二为试探英军是否有破译英格玛的可能。英军完全有能力调兵防御，但这样就验证了德军的怀疑，暴露英格玛已被破解的事实。丘吉尔最终决定丢卒保车，不做任何增援。11 月 14 日夜，德军轰炸机投下 5 万枚炸弹，将考文垂市区夷为平地。市民死伤 5 千余人，5 万所房屋化为灰烬。攻击量子通信的唯一方法，不是窃听、破解，只能是干扰。例如用强激光照射接收器将其 “致盲”，量子信道被干扰成乱码，把敌我双方拉回到同一起跑线。毕竟，量子通信的特长是反窃听，而不是抗干扰呀。

上周的一天，孩子放学时心情明显不好，我问他是不是有不开心的事情，他沉默了老大会才说，有同学问他知道墨子号通讯卫星吗？孩子说他知道墨子，不知道墨子号卫星是干嘛的，那个同学嘲笑他连这个都不知道真笨。身为一个也只知道墨子不知道墨子卫星的老母亲，第一反应是现在小学生都这么卷了？然后安慰孩子，没事，我也不知道。可后面那句我不觉得不知道这个就代表笨的安慰还没来得及说，孩子一脸严肃对我说了一句 “妈妈，你这样不行，会被社会淘汰的。不会的就得搜搜呀。” 被刺个透心凉的老母亲一下子风中凌乱了。赶紧一搜，才知道墨子号通讯卫星是世界第一个量子通讯卫星。紧接着，十万个为什么宝宝上线的孩子问我什么是量子通讯？惭愧的老妈低头，关于量子我只知道薛定谔的猫和双缝衍射，自己都不知道量子通讯怎么给孩子解释，只能心虚地说，我知道一点点，关于量子和猫的事。孩子一脸疑惑，什么猫？穿靴子的猫？猫和那个卫星有什么关系？这个猫是薛定谔的猫，它被装在一个密封的箱子里。在猫旁边有个装置，里面有个原子，如果这个原子变化了（衰变），会发出一道光（射线），启动装置开关，就会有一把锤子打碎装毒药的瓶子，把猫毒死。如果这个原子不变化，猫就能一直活着。按照量子理论，如果你不去看这只猫，这个猫就永远处于既生又死的状态。可如果你想确定这只猫的状态，它的生死就由你看到它的瞬间决定了。简单地说，就是你能看死或者看活一只猫。我尽最大的努力解释了，虽然孩子很久以前就理解了原子，也知道光的波粒二象性，可是这个猫明显不在他的理解范围内，因为他说，妈妈你骗人，我怎么可能把猫看死或者看活，再说，哪有既死又活的猫？我也觉得这个像骗人，可证明光的波粒二象性的双缝衍射实验结果，用事实证明，它是真的。可惜本学渣能力有限，给孩子解释不清它有多真，只能告诉孩子先写作业，等有空再给他解释。然后，趁空闲时间老母亲我就开始找关于量子通讯的书。按照本学渣的智商和专业，那些高深的书是完全看不懂。直到我搜到这本《猫、爱因斯坦和密码学》，号称只需要初中水平，就能像看侦探小说一样看明白这本量子通讯科普书。趁中秋放假，我看完了这本书，字数不多，读起来很快，即使像我这样的学渣也只用了不到一个小时就看完了。不过书本的内容足够本学渣基本理解什么是量子通讯了，真的名副其实！一、没有高深的公式，没有专业的名词，语言风格通俗易懂又轻松有趣。比如书里介绍爱因斯坦和玻尔关于贝尔不定式的 battle，用了讲相声的模式，上来就把读者担心看不懂的紧张心情给整轻松了。书里还善用了不少梗，比如这个：“是时候 @爱因斯坦了”。看到这句话，老母亲脑海里马上想起来那句 “是时候呼叫超级飞侠了”。如果是孩子们看这本书，估计脑海里都要响起主题曲了。二、情节设计紧凑巧妙，让人忍不住一口气看完，还想二刷三刷。
比如双缝衍射实验，从最简单的开始讲解，然后一步一步增加难度，像打怪升级一样，跟着书的思路，最后站在胜利之巅，完整地了解了双缝衍射实验近 200 年的历程。三、简单扼要地介绍了量子和密码，最后组合成了量子通讯。
书的前三章，主要介绍量子力学，重点在量子世界的三大基本原则：态叠加，测不准，观察者。量子世界像一团充满无限可能的混沌，测不准，说不清，如果你真的想看清，拿仪器去精确观测，那在你观测的时候，它就由混沌坍缩成一个确定的状态，这个过程还不可逆。如果一个粒子受到高速撞击，会分解成一对量子纠缠的小粒子。按照量子三大基本原则和能量守恒，这一对小粒子能量相等又互为阴阳。没观测前，它们是混沌的叠加态，不知道每个粒子的具体形态，只知道他俩相反。只要观测其中一个，坍缩成一个具体形态，比如朝上，那另一个粒子就坍缩成朝下。这两个粒子可以超距作用，不论多远，它们都符合上面量子纠缠的情形。这个连爱因斯坦也觉得难以置信的现象，已经通过贝尔不定式理论以相关实验的验证，被证实是真的，也是量子通讯的基础。书的后两章，从密码如何被创立应用开始，一直讲解到现在密码面临的被破解被窃听的安全危机，以及量子为什么是解决这个危机的天选之才。根据量子纠缠，一对粒子，一个发出去，一个在手里。只要有人窃听发出去的信息，被听的粒子马上就坍缩了，留在手里的粒子跟着坍缩成相反状态，立即暴露了通讯被窃听的事实。只要被窃听就会被发现，这种无条件的安全，就是量子通讯的优点。四、精心的配图和有趣的注释。
在这本书里，连配图和注释都能让人眼前一亮，又让人深思。比如凯撒大帝的扑克牌配图和注释，看密码学顺便还增加了一点历史知识。比如在密码学历史上占有一席之地的阿兰・图灵，居然因为同性恋被逮捕最后自杀。如此结局，让人猛然想起来因为支持日心说被烧死的布鲁诺，不由唏嘘。总体感觉，如果孩子上中学，对量子感兴趣，这本书可以让他自己看。再小点的孩子，父母看完，可以给他大概讲解一下量子通讯。对我这个学渣老妈来说，足够了，毕竟咱就一普通人，不搞科研，就像计算机，我会用就行，没必要精通它的原理，能给孩子解释个大概就可以了。给孩子讲这些，不在乎他明不明白，其实只是想满足一下孩子的好奇心，培养下孩子的兴趣，顺便引导他自己思考。比如我们家，我给孩子解释完，他的关注点在超距离传送上。问我，发射到火星上行吗？发射到太阳系外面行吗？我说理论上行的时候，看到孩子的眼睛亮晶晶的，感觉孩子的思绪好像也飞出去老远了。不过，我的关注点没跑远，他忘记了，我可还记得他为什么不高兴，我为什么被迫看了一本量子力学的书（当然，这本书很好看，我觉得挺开心）。下面，是一个贴心（中二）妈妈的哄睡（忽悠）孩子时间：“你说，量子一被观测就坍缩，失去了原本无限可能的样子，对吧？”“嗯。”“量子是组成这个世界的基础，也包括你。”“啊，对呀。”“那如果你把自己想象成量子，拥有无限可能好还是只有一个形态好？比如说，你想要以后可能当宇航员也可能当考古学家，还是想要现在就确定以后只能当工程师？”“恩，我不知道，可我不想现在就变成工程师。我还没确定以后要干什么呢。”“恩，你觉得拥有无限变化的可能好，对吧？”“是的。”“那量子不想坍缩，怎么办？”“额。。。。。。那就不被观测。”“对呀。你也拒绝观测不就好了吗？别人说你笨，是想用贴坏标签的方法观测你。如果你在意，那就等于你同意被观测，说不定就真的坍缩成了他们说的那样了。不要在意那些侮辱性的，贬低的，不能让你变得更好的话。把注意力放在能让自己变得更好的建议上，同意被更美好的标准观测，你不就能变得越来越好了？”“那，，，我现在做不到怎么办？”“不着急，慢慢来，妈妈一直陪着你呢。” 说完这些，孩子没一会就睡着了。作为一个妈妈，看着他的小脑袋，心里说不清楚什么感觉。有点愧疚，可能自己平常对他肯定不够，让他不够自信，所以才会人家说一句他笨那就难过。有点欣慰，如果不是他那句会被淘汰震到了我，我不会去看以前从来没看过的量子通讯的书，就错过这本好看的《猫、爱思斯坦和密码学》。这本书，增加了知识，扭转了坏心情，还扩展了思维，真算的上意外之喜，值得推荐。

了解爱因斯坦理论的入门书