知乎盐选会员精选文章复习一下量子力学的八卦往事。当年薛定谔为德布罗意凑了个波动方程，提出粒子随机出现在各个位置上，以玻尔为代表的「哥本哈根学派」觉着很有创意，于是大旗一挥：上帝在掷骰子，世界是随机。
以爱因斯坦为代表的「经典物理学派」觉着，小薛步子太大，扯到蛋了，没本事发现隐藏变量，非说上帝在掷骰子，于是振臂一呼：上帝不掷骰子。
既然物理学家喜欢摇骰子，那咱们就继续拿骰子做比喻。骰子落定之后，点数便确定了，如果现在开，是大，那么以后开，也还是大，无论什么时候开，大就是大。虽然摇骰子的变量非常复杂，但如果把所有变量都确定，比如碰撞角度、骰子弹性、空气阻力、月球引力、地球自转、分子振动……理论上可以预测骰子点数。这就是普罗大众的认知，也是经典物理学派的主张。
哥本哈根学派的意思是，骰子落定之后，点数仍不确定，现在开是大，待会开就可能是小，不同时间开，大小不一样，所以没开之前就叫「叠加态」，点数是随机的，开大开小的概率按照小薛波动方程计算。把「骰子大小」换成「猫的生死」，就变成了大名鼎鼎的「薛定谔的猫」。
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在某装置中，如果原子核衰变就触动开关打破毒药，弄死猫；如果原子核不衰变，猫就没事。因为衰变是叠加态，延伸到宏观世界就把猫的生死也描述成了叠加态。
薛定谔的猫还原回物理表述就是：如果只有一个放射性原子，它是否发生了衰变？哥本哈根学派认为粒子的行为是随机的，所以衰变也是随机的。但是，几百年的牛爷理论认为，事物都是在规则支配下精密运行的，随机论让人无法接受，就好比勤勤恳恳的学生突然发现考试「及格」和「不及格」是随机的。
爱因斯坦觉得分分钟就能终结这个话题，于是提出了量子纠缠：假设有 2 个处于纠缠态的骰子，分别在不同的地方摇，如果两边都不开，那么骰子就处于大和小的叠加态，点数是随机的，一旦其中一个开出的结果是大，那么另一个就算还没开，也会瞬间变成小。也就是说，观察其中一个骰子，会决定另一个骰子的大小，这种瞬间的信息传递速度是超光速的，不符合相对论。爱因斯坦呵呵道：你们总不至于认为世界会这么荒唐吧？
好在那个年代的物理学已经习惯荒腔走板，再出什么奇葩，大家至少不会惊掉下巴。量子纠缠原本是爱因斯坦为经典派请来的打手，结果却帮着哥本哈根派把经典派揍得鼻青脸肿。薛定谔的猫一路高歌猛进，经历了 EPR 佯谬、贝尔不等式、GHZ 定理等等，最终形成了量子信息论。
2000 年开始量子信息理论形成独立的学科，标志着量子纠缠开始走向应用。
量子纠缠的机理是什么呢？举个例子吧，就好像古人学会燧木取火时，完全不知道燃烧的化学反应式。量子纠缠和古代燧木取火是差不多阶段的。
因此呢，虽然观察到了量子纠缠这种「心有灵犀」的关联，但对于本质机理的两眼一抹黑，应用必然是浅层的。其中，量子通信相对靠谱一点点，不过也就是一点点而已。
咱们就以「墨子号」为例，不负责任地胡扯一通。
用于通信的纠缠粒子通常是光子，光子比实物粒子更方便传播，电子、质子在大气层里不可能乖乖跑出很远，很容易和空气分子碰撞。
首先在卫星上制造一对纠缠光子，未测量前，谁也不知道两个纠缠光子谁是 1 谁是 0。我们称之为「未翻牌状态」，就好比骰子在打开之前，点数并不确定，处于大和小的叠加态。
然后把这对光子分别发送给两个地面接收站。
未翻牌的光子很敏感，只要被观察或测量，一言不合就翻牌。如果敌方监听了这个光子，那就等于翻了牌，另一个光子就会自动翻牌，同时接收方就接收不到光子，这对纠缠光子传送失败，属于无效信息。
未翻牌的光子才是好光子，翻过牌就只能扔了，然后再制造一对纠缠光子，再发射，直至接收成功为止。
确定双方都拿到牌了，接着，用特定方法测量纠缠光子，相当于「翻牌」，一旦测量得到一个状态，那么另一端的光子也会瞬间变成与之对应的状态。这样，一个信号就算传输完成了。比如这边测量得到 1，那边就肯定是 0。
然后就不断发牌，不断翻牌，不断剔除无效牌。问题来了，因为翻牌前自己也不知道什么牌，所以翻牌后得到的是无规律的信息，比如你得到了「101010」，对方得到了 010101。
那怎样才能把无意义的信息变成有意义的？需要一组编码！
某一方根据自己翻牌的情况编码，再把编码规则用传统方法发送给另一方，比如「把前三个数字相加就是答案」。注意，这句话是用传统方法发送的。
接收方按照这个编码规则，就把原本没意义的信息变成了想要的答案。
通信也就完成了。
整个过程中，「101010」这个随即的信息是通过量子通信（即量子纠缠）完成的，无法截获破译，但编码规则「把前三个数字相加」这个规则是通过传统通信完成，可以被监听，不过仅仅一个编码被截获是没有意义的。
有规律的信息可以被截获，不能被截获的信息没有规律，但把这两者结合就能完成量子通信，没听明白的回头再捋一遍。
量子卫星通信的难点在于「制造纠缠光子」和「探测纠缠光子」。
光子的发射方向性很强，不像电磁波是巨大的扇形，所以需要对准接收器。你想想，卫星的速度大约 8km/s，在 500km 高空，同时向相距 1200km 的两个站发射光子，卫星上的纠缠源载荷每秒产生 800 万个纠缠光子对，地面站以每秒一对的速度从中分辨出谁和谁是纠缠态。
有人打了个比方：从万米高空飞行的飞机上，不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的投币口中。另外，你还得在相距上千公里的两地，找出哪两个硬币属于纠缠对。
相比来说，「制备纠缠光子」这事看起来就和燧木取火一样简单了。关键词：非线性晶体 BBO 偏硼酸钡。当光子打在 BBO 晶体上，有一定比例的光子被劈成两半，这两个光子的极化方向是相互垂直的。
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所谓的极化方向可以理解为光子振动的方向。我们知道光是一种电磁波，是波就有振动，有振动就有方向，所谓纠缠光子，就是一个竖着振动，一个横着振动，一个代表 1，一个代表 0。「翻牌」前，不知道谁是横的，谁是竖的，翻牌之后发现自己是竖的，那么对方就是横的，以此代表信息里的 1 和 0。
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一束光其实就是一堆堆的光子，量子通信在形式上和手电筒打信号差不多，你在太空亮手电筒，我在地面数几长几短。所以量子通信的弊端非常明显，比如，光信号的损失，此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。再比如，白天背景光线强烈，只能在晚上打信号，遇到雨天雾霾也不行，必须在晴天打信号。还比如，卫星与各地面站距离很讲究，打信号的时间窗口可能只有几百秒。
量子光纤
光子可以用卫星传播，也可以用光纤传播，这方面的应用其实已经很多了。2004 年，奥地利银行利用量子通讯技术，把一张重要支票被从市长处传至银行，2007 年，瑞士全国大选的选票结果也采用了量子通信技术。虽然有点扯蛋，但也说明量子通信并没有想象中那么科幻。
量子光纤的问题在于传输衰减更严重，纠缠光子信号又无法复制放大，导致传输距离和容量都有限，常年停留在百公里量级。不过光纤好歹不受天气影响，比卫星更有实用性。突破距离限制的核心技术在于可信任量子密钥中继站。
无论是卫星还是光纤，从量子通信的原理上看，实质上就是量子密钥分配技术，并不传输实质内容。有人认为密钥分配可以统称为通信，而也有人认为通信务必要传输内容，量子通信不属于真正的通信，这块有不小的争议。
看得出来，量子通信即便成功了，只是相当于一套超级牛逼的加密技术，而不是大家认为的无所不能的瞬时通讯，但实际上，现在的加密技术已经很出色了，在加密和破解的较量中，加密技术还是处于上风的。相比来说，量子通信段应用价值显然无法和量子计算机相提并论，因此相关研究也不如量子计算机火热。
总的来说，量子力学的第二战场可比新材料那个正面战场艰难多了，无论是量子计算机，还是量子通信，几乎全是鏖战状态。
关于量子技术的新闻时不时还会刷个屏，一副欣欣向荣的趋势，但这并不代表人类在与自然争斗的战场上高歌猛进，相反，它可能是人类对现存理论物理的最后一点应用开发了。