神奇的量子玫瑰：量子通信的核心基础
撰文|王向斌 教授
可能，你会问，你没有量子基础，但是你想知道，究竟是什么导致了量子密码中的“窃听必然留下痕迹”？请读懂我这篇通俗文章，它带领你直扑量子密码的量子核心基础。读这文章你不需要任何其他参考文献，但是需要耐心。缺乏耐心正是许多试图自学量子力学的人最终未遂的原因。 想象，把量子态的观测规则用到玫瑰花上，量子玫瑰，平时不观测时烟雾缭绕一团。牢记下列三条规则：
规则一：以光照之可现其色彩，非红即白，永无例外；以风吹之可现其气味，非浓香即淡香，永无例外。简单地说：观测其色彩非红即白，观测其气味非浓即淡，永无例外。
规则二：若接连两次观测都观其色彩，即接连两次光照，两次看到的色彩必然相同；若接连两次观测都观其气味，即接连两次风吹，两次测到的气味也必然相同。（这点对于真实玫瑰花那简直就是废话。）
规则三：观测色彩后其气味完全不确定，观测气味后其色彩完全不确定；不论观测之前你的玫瑰处于何种状态。 其中规则三最为核心。例如，先以光照发现其为红色，再以风吹发现其为淡香后，我们已经完全无法预知此后再次光照是红或白了，我们只能根据规则一知道那是非红即白，根据规则三，红白概率五五波。 据此法则，量子玫瑰之色彩和气味无法同时确定。平时我们看到的真实玫瑰花，其色彩和气味都是确定的，或者说是客观实在：淡香型的白玫瑰其气味与色彩都是客观实在，与你愿不愿意劳驾你的鼻子或眼睛无关。而那量子玫瑰则不一样了。它得毫无例外地遵从上段的规则。若其色彩确知，其气味必然完全不确定，反之亦然。这与你的观测能力无关，这是量子玫瑰自身的属性，是大自然的基本法则所决定的。这与我们日常生活的直觉经验很不一样。你必须接受规则。对于这量子玫瑰，如果你试图谈论什么“淡香型的红玫瑰”，那就象试图谈论一个“正方形的圆”那般荒唐。 有个网络语言，“遇事不决，量子力学”。“不决”应为上述规则三那样的规律本身，并非说任何问题都没有明确的答案。根据以上规则，下面几个问题就有明确答案：1）如果我给你一束量子玫瑰，对你说这是一束红玫瑰，这个含义是什么？是指你若只观其色彩，你看到的必然是红玫瑰。我怎样确保这点呢？根据规则二，在我给你玫瑰之前，我观测其色彩，如果我看到了红色，我就对你说这是红玫瑰。（这答案，对于真实玫瑰花的情况简直就是废话，不过，还有别的问题。）
2）我给你一束红色量子玫瑰，你能通过观测，改变其颜色吗？能！根据规则三，你先观测它的气味。此后你再观测它的色彩，你有可能看到红色，也可能看到白色，概率为五五波。如果你看到的是白色，你已成功完成任务，如果你看到的还是红色，则再观测其气味然后再看色彩。如此下去，总有什么时候你会获得一束白玫瑰。（这个，忽然间匪夷所思。）
3）假如，以你携带的那一束量子玫瑰为通行证。途中你不允许观测你的玫瑰。现在某段路上先后有两道哨卡：第一道卡观测你的玫瑰花色彩，红色放行，白色阻止，第二道哨卡还是观测你的玫瑰的色彩，白色放行红色阻止。问：你能够预先准备好某种玫瑰，使得你能接连通过两道哨卡吗？又问：如果允许你在两道哨卡之间观测你的玫瑰，你用怎样的策略让自己接连通过两道哨卡？（答案在后文公布）
显然，我们的故事远未结束。有了这个基础，你会发现在我们后续文章中介绍的量子密码中“窃听必然留下痕迹”是很自然的事。