來源 | 我的量子
作者 | 王向斌 清華大學物理系
可能，你會問，你沒有量子基礎，但是你想知道，究竟是什麼導致了量子密碼中的“竊聽必然留下痕跡”？這篇通俗文章，它帶領你直撲量子密碼的量子核心基礎。讀這文章你不需要任何其他參考文獻，但是需要耐心。缺乏耐心正是許多試圖自學量子力學的人最終未遂的原因。
想象，把量子態的觀測規則用到玫瑰花上，量子玫瑰，平時不觀測時煙霧繚繞一團。牢記下列三條規則：
規則一：以光照之可現其色彩，非紅即白，永無例外；以風吹之可現其氣味，非濃香即淡香，永無例外。簡單地說：觀測其色彩非紅即白，觀測其氣味非濃即淡，永無例外。
規則二：若接連兩次觀測都觀其色彩，即接連兩次光照，兩次看到的色彩必然相同；若接連兩次觀測都觀其氣味，即接連兩次風吹，兩次測到的氣味也必然相同。（這點對於真實玫瑰花那簡直就是廢話。）
規則三：觀測色彩後其氣味完全不確定，觀測氣味後其色彩完全不確定；不論觀測之前你的玫瑰處於何種狀態。
其中規則三最為核心。例如，先以光照發現其為紅色，再以風吹髮現其為淡香後，我們已經完全無法預知此後再次光照是紅或白了，我們只能根據規則一知道那是非紅即白，根據規則三，紅白概率五五波。
據此法則，量子玫瑰之色彩和氣味無法同時確定。平時我們看到的真實玫瑰花，其色彩和氣味都是確定的，或者說是客觀實在：淡香型的白玫瑰其氣味與色彩都是客觀實在，與你願不願意勞駕你的鼻子或眼睛無關。而那量子玫瑰則不一樣了。它得毫無例外地遵從上段的規則。若其色彩確知，其氣味必然完全不確定，反之亦然。這與你的觀測能力無關，這是量子玫瑰自身的屬性，是大自然的基本法則所決定的。這與我們日常生活的直覺經驗很不一樣。你必須接受規則。
對於這量子玫瑰，如果你試圖談論什麼“淡香型的紅玫瑰”，那就象試圖談論一個“正方形的圓”那般荒唐。有個網絡語言，“遇事不決，量子力學”。“不決”應為上述規則三那樣的規律本身，並非說任何問題都沒有明確的答案。下面幾個問題就有明確答案：
1）如果我給你一束量子玫瑰，對你說這是一束紅玫瑰，這個含義是什麼？是指你若只觀其色彩，你看到的必然是紅玫瑰。我怎樣確保這點呢？根據規則二，在我給你玫瑰之前，我觀測其色彩，如果我看到了紅色，我就對你說這是紅玫瑰。（這答案，對於真實玫瑰花的情況簡直就是廢話，不過，還有別的問題。）
2）我給你一束紅色量子玫瑰，你能通過觀測，改變其顏色嗎？能！根據規則三，你先觀測它的氣味。此後你再觀測它的色彩，你有可能看到紅色，也可能看到白色，概率為五五開。如果你看到的是白色，你已成功完成任務，如果你看到的還是紅色，則再觀測其氣味然後再看色彩。如此下去，總有什麼時候你會獲得一束白玫瑰。（這個，忽然間匪夷所思。）
3）假如，以你攜帶的那一束量子玫瑰為通行證。途中你不允許觀測你的玫瑰。現在某段路上先後有兩道哨卡：第一道卡觀測你的玫瑰花色彩，紅色放行，白色阻止，第二道哨卡還是觀測你的玫瑰的色彩，白色放行紅色阻止。問：你能夠預先準備好某種玫瑰，使得你有機會接連通過兩道哨卡嗎？又問：如果允許你在兩道哨卡之間觀測你的玫瑰，你用怎樣的策略可以保證自己一定會接連通過兩道哨卡？（這個，答案不予公佈。）
顯然，我們的故事遠未結束。有了這個基礎，你會發現在我們後續文章中介紹的量子密碼中“竊聽必然留下痕跡”很自然的事。
關於“墨子沙龍”
墨子沙龍是由中國科學技術大學上海研究院主辦、上海市浦東新區科學技術協會及中國科大新創校友基金會協辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學有濃厚興趣、熱愛科普的普通民眾，力圖打造具有中學生學力便可以瞭解當下全球最尖端科學資訊的科普講壇。
