神奇的量子加密技术 _信息快讯

引子
迄今为止，人类历史上发生了三次工业革命。第一次工业革命开始于蒸汽机的发明。其核心是将化学能（煤炭）转化为机械能（蒸汽机），人们不再仅仅依赖畜力、水力和风力。

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蒸汽机车是蒸汽车的加强版
第二次工业革命则发端于人们对于电力的深度利用。人们发明发电机，电线和电报，这一切都让能量和信号的传递变得更加便捷。另外，更加高效的内燃机也开始替代第一次工业革命中的蒸汽机。

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第三次工业标志着数字化时代的开启，人类初步脱离具体的物理媒介的束缚。这时候，照片变成一堆可以传送的数字，而不再是一张张具体的胶卷。

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由此可见，每次工业革命都会对我们的生活方式都会产生根深蒂固的影响。我们自然会问，下一次工业革命会是在什么地方开启呢？这点很难预料。也许是人工智能，也许是量子技术，也许是生命科学，又也许在几十年以后的人们看来，我们现在正处于第四次工业革命的风口浪尖。无论如何，在之前的三次工业革命当中，人类对世界的操控变得越来越精细 —— 从一颗螺丝钉到芯片上纳米尺度的晶圆颗粒，科技从宏观迈向微观的步伐令人叹为观止。如果人们对世界的控制突破纳米的限制进入更加微小的尺度，那时候，人们面对的又将是一个全新的世界，而那个世界的法律是量子力学（quantum mechanics）。量子技术正是设想在量子力学上的全新技术。也因此，量子技术很有可能打开下一次工业革命大门的钥匙。什么是量子比特？量子世界和宏观世界有着诸多的不同，其中一个便是，量子是可以叠加的。什么意思呢？在经典世界里，一个人只能在办公室里上班，或者在家里休息。而在量子世界里，人们可以处于办公室上班和家里休息的叠加状态。当老板打电话询问你是否在上班时，你告诉以一定概率告诉他是或者不是。

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薛定谔的猫：在量子世界里，猫可以同时处于死亡和活着两种状态！图片来自网络
这时候你可能觉得量子世界和经典世界并没有什么区别，老板总是随机地得到两个不同的答案。这时我们让老板换一个问题，让他询问你是否处于工作和休息的叠加态A上。在经典世界里，除非你有精神分裂症，否则难以问出这个问题。而在量子世界里，这却成为一种可能。你可以回答他是或者不是。现在我们用更精确的数学语言来陈述。我们用 0 表示工作， 1 表示休息。有信息学基础的读者都知道，经典的信息状态（比特， bit）只能是 0 或者 1，所以我们能够轻易地测量经典比特的取值。而量子比特（qubit，为了醒目，下文都用 qubit） [1] 可以是介于 0 和 1 之间的多种选择， qubit 的每一个状态都可以表示成一个单位向量：

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在量子世界中，老板的询问则意味着对经典（或量子）比特进行检查（或测量），通常通过 “

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” 作用在 “

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” 上表示测量的过程。在量子世界中，老板可以选择不同的问题提问（例如“你是否80%概率在休息20%概率在工作”或“你是否99%概率在休息”这种在经典世界看来很奇葩的问题），这意味着他可以选择不同的基矢进行测量，这在数学上通常用一组正交基表示。是否上班对应一组基矢

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