第8章 智子和量子通信（上）

《三体》三部曲没有贯穿始终的真人主角，只有一位贯穿始终的非人主角，就是智子，到了第三部，智子还真化身为了一位美\_女，一位日本美\_女。

智子是三体人送到地球来的“信使”，它可以监察人类的一切活动，同时将结果瞬时传给三体星系的另一个智子。这种设定，刘慈欣一定借用了量子通信，且假设量子通信是瞬时的，不会有普通通信的时间延迟。我们在这两章中要说明这种设定是不可靠的，第一，它与现代物理学的基础之一狭义相对论矛盾；第二，到目前为止，量子通信的手段都涉及普通的通信，所以肯定有时间延迟。量子通信的好处不是瞬时，而是可以无限制加密。

《三体》三部曲中的智子是一种非常了不起的东西，刘慈欣借用了弦论中的高维物体，然后假设它可以展开成低维物体，这样，一个很小的高维物体原则上就可以展开成无限大的低维物体。刘慈欣的具体设定是，智子是质子，而质子在弦论中是九维的一这个假设并不正确，因为，在弦论中，质子仍然是由夸克组成的，而夸克一般来说是弦的一种态，所以最多是一维的，不是九维的。

智子在《三体I》一书进行到四分之一处就出现了，它通过进行低维展开封锁人类的科学进步，同时监察人类的行动，但直到《三体I》快结束的时候，刘慈欣才解释了智子的由来。

我们在后面会重温更多有关智子的细节，这里先谈在智子被提出来之前，有什么科幻作品提到量子通信，或更加一般的，量子传输。我记得最清楚的，应该是《星际迷航》中的输送机。一旦“企业号”中的乘员需要离开飞船去另外一个地方，他们就站在输送机中，然后几道光柱出现，乘员就消失，同时出现在另外一个地方。整个过程是先将人非物质化，然后传输，然后再物质化。有一个著名的说法，是船长寇克说的:“斯科特，把我们传过来。”（其实在电视剧中，寇克从来没有说过一模一样的话）《星际迷航》中多次使用的这个传输过程就是量子输运。

另一部著名的科幻电影《阿凡达》中亦有类似量子输运的设定。灵魂的传输是纳威人的一种本能，在地球人这里，其最高的形式就是将人类的思维移植到你的“阿凡达”中去。“阿凡达”是英文avatar的英译，这个英文单词是化身的意思。人类躺进一部机器中去，像是睡着了一样，灵魂就跑到“阿凡达”的大脑中去了。电影《阿凡达》在这里似乎严格忠于科学，因为在量子物理中，我们有所谓量子不可复制原理，即你不可能将某个量子系统的态严格复制到另一个量子系统上去，除非你破坏原来那个系统的状态。所以，你的灵魂只能传输到“阿凡达”的大脑中去，却不能被拷贝过去。传输过去后，原来的你将处于完全不同的状态，在电影中是休眠状态。这和量子不可拷贝定理有关，后面我们会谈到纳威人要将一个人的灵魂传输到另一个人身上去，必须借助圣树和爱娃的力量，而爱娃则借助潘多拉星球上所有生物的能力。主角杰克就是这样，在和纳威人以及潘多拉星球上其他人一起赶走地球人之后，他更愿意活在他的“阿凡达”体-内，所以圣树就成了量子传输机，将他的灵魂输运到“阿凡达”体-内，而他自己的身\_体就死亡了。

要判断《三体》中的智子的即时通信（或近于即时通信）是否可能，《星际迷航》和《阿凡达》中的人体或人的“灵魂”输运是否可能，我们当然先要弄清楚量子力学以及基于量子力学基础上的量子通信。

但在谈这些之前，我们需要稍稍回顾一下“经典通信”。

经典通信

人类最古老的通信行为，或许应该是当人类在有了语言之后的口头交谈，这是面对面的，传播速度是声速。当然，接下来可以想到的是将这种简单的通信传递一下，即A口头告诉B，B再告诉C，如此等等。

在人类有了语言但还没有文字之前，上述的面对面对话和托人带话应该是唯一的通信方式。同理，将一个物体从一个地方移到另一个地方也是通过人力搬运。有了文字之后，文字对于通信可以说是一场革命。书信可以避免传话人在传话过程中的遗忘和遗漏，完全保真。但是，这种通信方式的速度与交通工具有关，在发明马车之前，只好靠人，发明马车之后，速度也是有限的。中国古代的驿站式递信是用马一站一站地传递下去，所谓千里马，即使把传说当真，它一天也只能跑1000里。

在电话和电报发明之后，人类的通信又经历了一场革命。电报的发明先于电话。当初，这两种通信方式都是有线的。由于电报不需要电话的话筒和音响，早在19世纪30年代就由英国人库克和惠斯通发明了；与此同时，美国人莫尔斯通过自学电磁学也发明了电报。莫尔斯先用电流引起的火花来代表几个符号，如点和空白，再用这些符号的排列组合来表示字母，这样，有线电报就被发明了。电话是由著名的贝尔先生在19世纪70年代发明的，它比电报更直接快速，因为省略了编译电码的过程。电报和电话的通信速度当然为光速所限，因为电流的传播速度就是电磁波所控制的，等于光速。

英国人麦克斯韦的电磁理论在19世纪60年代就预言了电磁波，到了19世纪80年代，电磁波被德国人赫兹检测到了。电磁波的发现为通信带来了又一场革命。到20世纪初，马可尼和布劳恩发明了无线电报，他们还因此获得了诺贝尔奖。我年轻的时候最快的常用通信手段就是无线电报，按照字数收费，很贵。但据说，特斯拉先于马可尼发明了无线电通信。而俄国人又说，波波夫在20世纪初也发明了无线电通信，我小时候在课本上还曾学到这样的课文。

有了无线电，现代通信成为可能，一个人对远方的很多人即时演讲的广播也成为可能，这就是无线电台。1906年出现了第一个广播站，中国的第一个无线电台是美国人在1923年建立的。当然，在电台之后，改变人类生活的最大发明是电视。最早的电视技术，例如扫描与显像管，与德国人、英国人以及俄国人有关。直到1925年，电视的第一次演示才出现。1927年，英国广播公司（即BBC）才开始长期播发电视节目。中国1958年第一次播出黑白电视节目，但此后很长一段时间里都远远谈不上普及，我清楚地记得我在20世纪70年代第一次见到电视机的情景。这是对人类娱乐方式的一个极大的改变。

现在，我们处于计算机网络时代，这个时代开始于1969年的美国军用网络。民用网络在20世纪80年代还处于仅仅可以传递email的阶段，而internet是1989年才出现的，1995年，internet完全商业化。对internet发展贡献最大的是欧洲核子中心的万维网，即WWW。1993年的时候（我刚刚从加州搬到罗德岛），WWW站点只有600多个，1994年底就突破了10000个，1999年底则近1000万个。

有了智能手机之后，人们通信的能力更加提高了，微博、微信……有时，我们花在通信交流上的时间也许太多了。

下面，为了讨论量子通信的原理与可能的形式以及《星际迷航》中量子传输是否可能，我们首先要学习一点量子论或量子力学。

量子物体的两个性质

量子力学有两个重要特征，完全背离了传统物理学，同时也背离了日常经验。

第一个特征是，传统的确定性消失。我们会说，明天太阳照常升起，这是万无一失的预言，这是确定性。所有非生命的物理过程，都是确定的，这非常符合决定论。在拉普拉斯时代，决定论达到了极致，就像拉普拉斯自己所说，只要你告诉我宇宙中所有物体的位置和速度，我就会预言所有未来。

经典决定论到了爱因斯坦时代已成为解释世界一切现象的原则，当量子论的不确定性出现时，爱因斯坦拒绝相信，他认为，量子力学是不完备的。他的意思是，总有什么东西逃避了我们的观察，逃避了我们的物理概念系统。我们不能预言一个物体在下一个时刻的行为，不是因为决定论错了，而是因为我们失去了对物理系统所有可能性质的掌握。

就拿电子来说，传统物理学认为，一个电子的状态的所有性质就是位置和速度，一个电子不仅具有这些性质，我们还能观测到这些性质。

可令人惊讶和失望的是，这个对我们在日常经验中遇到的所有物体都适用的朴素“真理”，在微观粒子这儿却完全失效了，也就是说，电子不同时具备位置和速度这些性质。当然，这种传统性质的消失，表面上与不确定原理并无关系。现在，我们说说经典性质的丧失与确定性消失的关系。

拿一块石头来说，如果我们知道它在这一刻的位置，同时，我们还知道它的速度，我们当然就能预言它在下一个时刻的位置，因为速度的定义就是下一时刻的位置减去现在的位置除以时间间隔。明天太阳照常升起这个预言，就和这个简单的原理有关。当然，仅仅预言石头在第二个时刻的位置还不够，因为如果我们想预言第三个时刻石头的位置，我们还需要能够预言它第二个时刻的速度。如何做到这一点？这就是牛顿力学所做的事情了。预言下一时刻的速度就需要知道加速度，即下一刻的速度与此刻速度之差除以时间间隔。牛顿第二定律告诉我们加速度是由力决定的。

既然我们说了，电子不具备位置和速度性质，决定论就完全消失了。那么，我们进一步问，电子可以具备位置这样的性质吗？回答是肯定的。同样，如果我们完全忘记位置，电子也可以具备速度这样的性质。奇怪吧？确实很奇怪，我们可以谈论电子的位置，也可以谈论电子的速度，但不能同时谈论电子的位置和速度。这完全违背日常经验，这正是当年爱因斯坦非常不乐意接受的。但事实如此。

海森堡不确定原理告诉我们，没有任何观测仪器可以帮助你同时测量一个粒子的位置和速度，这个结论不仅对基本粒子成立，对任何物体都成立。

问题来了，你问你刚才还说明天太阳照常升起，既然如此，太阳的位置和速度可以同时确定。”我的回答是，原则上，太阳的位置和速度也不能够同时确定，太阳明天会升起，是因为太阳的位置和速度近于同时确定。为了说明白这个事情，我们需要引进海森堡不确定性原理的不等式。这个不等式很简单，就是，一个物体的位置的不确定性乘以它的速度的不确定性不小于普朗克常数除以物体的质量：

这个普适常数有多大？很明显，它的单位是长度乘以速度乘以质量，如果我们用米作为长度单位，用米每秒作为速度单位，用千克作为质量单位，这个常数的数值就是1.05x10 ^-34 可见，如果物体质量越大，同时测准位置和速度就越可能。设物体重一千克，假如位置测量精确到一个原子的大小，即10 ^-10 米，那么它的速度可以精确到10 ^-24 米每秒，这是异常精确的数字。如果是太阳呢？太阳的质量高达10 ³⁰ 千克，其相关测量就会更精确。那么，电子为什么测不准？因为电子的质量只有9x10 ^-31 千克。如果我们将电子的位置测准到一毫米，它的速度的不确定性将高达1米每秒。我们知道，氢原子只有10 ^-10 米，这样，电子在氢原子中速度的不确定性就更大了，高达1000万米每秒。

以上是量子力学的第一个重要特征——不确定性，决定论因此失败。这种不确定性背后的深刻原因是任何物体都不具备我们日常经验中的物理性质，这个原理涉及物理性质的客观性，后面我们谈到自由意志时会回来再深入讨论这个奇怪的现象。下面，我们讨论量子力学的第二个重要特征——状态的线性可叠加性。线性叠加是量子通信和量子计算背后的重要原理。

在量子力学发展的早期，人们理解波动的重要性质是线性叠加，这样就导致干涉现象。最直观的是在河面上扔两个石子，每个石子都激发一个波前为圆的波。当两个波相遇时，干涉现象就出现了，也就是说，如果在一点处两个波都高于水平面，叠加的结果是更高，如果在一点处两个波都低于水平面，叠加后的波就更低，如果一个高一个低，叠加的结果是相抵消，如图8-1。

图8-1

光具有波动性质，惠更斯在17世纪就知道了，他还发现了惠更斯原理，其实就是线性叠加原理。光的波动性质在1800年被托马斯•杨用双缝干涉实验完美地证实了，图8-2即是双缝干涉实验。

图8-2双缝干涉实验

今天，双缝干涉实验是用来解释所有物体具有波粒二象性的经典实验，这里，所谓所有物体，指的是所有基本粒子甚至分子。当然，我们也可以将二象性推广到宏观物体，虽然波的效应很小。牛顿认为光由微粒组成，解释了光以直线传播的现象。后来，光的微粒理论完全被波动理论取代，因为波动理论也能解释光的传播现象，同时还解释了干涉和衍射等波动现象。

爱因斯坦为了解释光电效应让光的粒子理论复活，他建立了光的波长与动量的关系，光的频率和能量的关系，可以说爱因斯坦是第一个知道光的波粒二象性的。在很长一段时间内，人们都难以接受光既是波又是粒子。

奇妙的事情发生了。如果光是粒子，我们问，在双缝干涉实验中，假如我们能够每次只发射一个光子，这个光子到底通过了双缝中的哪一条缝？

如果只通过一条缝，那么它就该明确地打在发射点和那条缝所处的直线上，不论是通过哪一条缝，它在后面的屏幕上只能出现在两条线上。但双缝实验的结果是光子可以在屏幕上的任何一点出现，只是出现的概率或次数（如果多次做单光子实验）不一样罢了。要解释这种现象，我们只能假设单个光子同时通过了两条缝。这个假设完全与经典的粒子形象矛盾。但我们只好接受这个结论，它与线性叠加性质完全吻合。

后来，电子的双缝干涉实验由约翰森在1%1年完成。单个电子双缝实验也可以追溯到1974年，是由几位意大利人在意大利小城博洛尼亚完成。不确定性和线性叠加原理在量子力学中是完美地结合在一起的。

线性叠加还可以用光的偏振完美地验证。我们知道，光是横波，和声波不同，却与水波类似。水面波的波谷和波峰与传播方向垂直，而光波也有波谷和波峰，其方向叫作偏振。光的偏振方向与传播方向垂直。光可以有线性偏振，只有两个互相独立，因为只有两个独立于传播方向的方向。将线性偏振叠加，如果两个线性偏振相位一样（即同时达到最大和最小），那么我们获得另一个线性偏振；如果相位不一样，我们则获得椭圆偏振。

现实中存在一些材料，可以用来选择光的偏振，也就是说，光含有的某个固定方向的偏振才能通过该材料。我们用这种材料制成偏振片，用偏振片，我们能够验证线性叠加原理——安排偏振片将光波中的任何偏振强度筛选出来，我们会发现这些强度完全是线性叠加原理所预言的。

不确定性原理和线性叠加原理，已经让本来看上去熟悉的粒子世界变得神秘莫测。后面再讨论自由意志时，我们会看到，量子世界还有一种特性更加让我们摸不着头脑，即客观实在的诡秘性。

在线阅读网：http://www.yUedu88.com/