监控电脑屏幕软件知多少?超详细讲解,不容错过!
在信息化社会的浪潮下,监控电脑屏幕软件作为一种先进的技术手段,正逐渐渗透到企业管理和家庭监护的多个层面。然而,任何技术的应用都需谨慎考量其影响。下面,为大家介绍监控电脑屏幕软件这位新朋友,快来认识一下吧!
一、监控电脑屏幕的作用
企业视角:帮助企业领导和管理层实时了解员工的工作状态,有效防止工作时间的非生产性活动,从而提升整体工作效率。
家庭视角:帮助父母监控孩子的上网习惯,防止他们接触不良信息,控制孩子过度沉迷于网络,促进其养成良好的生活习惯。
二、使用须知
无论是企业还是家庭,在使用监控软件前,都应明确告知被监控者,确保其知情同意。
企业必须遵守当地的法律法规,不得侵犯他人隐私权,确保监控活动符合劳动法和数据保护条例。
监控不应过度,以免造成信任缺失。监控只是短期策略,长期目标是让孩子学会自律,让员工学会自控。
三、专业监控电脑屏幕软件介绍
监控电脑屏幕软件作为一种现代化管理工具,为企业和个人带来了显著的效益。市面上也涌现出各种各样的监控软件,如域智盾、安企神、中科安企、文控堡垒系统等。
下面,以域智盾软件为例,为大家介绍相关功能。
屏幕快照:屏幕快照是指捕获计算机屏幕上的图像。这可以是整个屏幕、活动窗口或选定区域的截图。
屏幕录像:允许连续记录计算机屏幕上的所有活动,包括用户操作、应用程序界面和任何视觉更改。
实时屏幕:能够查看另一台计算机的屏幕显示,如同观察者就在目标计算机前一样。
远程协助:允许一个用户远程控制另一台计算机,以帮助解决问题、进行维护或提供技术支持。
域智盾软件支持7天免费试用!机不可失,时不再来。如果想要了解更多内容或有意试用的,欢迎点击下方蓝色文字“添加我为微信好友”!
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网络访问记录:监控并记录计算机的所有网络活动,包括访问过的网站、上传和下载的数据、邮件通信等。
U盘和外设接口管理:通过控制USB端口和其他外部接口的使用权限,可以有效防止未经授权的设备连接,如U盘、移动硬盘或其他可能携带恶意软件的硬件。
文件操作审计:跟踪用户对文件和文件夹进行的所有更改,包括创建、修改、删除或访问,以保护数据完整性、合规性和安全性。
报警与通知:检测到非法登录尝试、未经授权的数据传输或系统异常等行为或事件时,会自动向管理员发出警报。
总结:在选择和使用监控电脑屏幕软件时,请务必考虑到所有相关方的权益,确保技术的应用既能提升效率,又能尊重每个人的隐私和尊严。希望上述内容对大家有所帮助,如有疑问,欢迎评论咨询!
双缝⼲涉实验恐怖吗?恐怖在哪?
这是有史以来第⼀次,⼈类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。
116 年前的 12 ⽉ 12 ⽇,⻢可尼收到横跨⼤西洋、⼈类史上第⼀个⽆线电信号的那⼀天。似乎什么都没有改变。
包括⻢可尼⾃⼰,当时没有⼈能够想象,在接下来的⼀百多年,通信会把世界变成什么样⼦。
2016 年 8 ⽉ 16 ⽇,世界第⼀颗量⼦通信卫星「墨⼦号」从酒泉发射的那⼀天。
就像当年的⻢可尼⼀样,我们也⽆从想象,未来的量⼦计算与量⼦通信,终将带来⼀个怎样的魔法时代。
绝对安全的信息传输?
智商秒杀全⼈类的⼈⼯智能? 瞬移、穿越不再是科幻?
潘建伟教授的量⼦通信卫星上天了。
5 年后,⼈⼈都会⽤⽆法破解的加密⽹络刷信⽤卡。你还觉得量⼦理论是象⽛塔⾥的⿊科技,和你的⽣活毫⽆关系? 让我们先从神秘的量⼦理论开始,解密量⼦通信。 这注定是⼀场不可思议的旅程。
如果你完全不懂量⼦⼒学,请放⼼⼤胆地往下看,我保证不⽤任何公式就能让你秒懂,连 1+1=2 的幼⼉园数学基础都不需要。
如果你⾃以为懂量⼦⼒学,请放⼼⼤胆地往下看,我保证你看完会仰天⻓叹:什么是量⼦⼒学啊?
正如量⼦⼒学⼤师费曼所说:没有⼈懂量⼦⼒学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。
在烧脑、反直觉和毁⼈三观⽅⾯,没有任何学科能够和量⼦⼒学相⽐。如果把理⼯男最爱的⼤学⽐作霍格沃兹魔法学校,那么唯⼀和量⼦⼒学专业相提并论的,只能是⿊魔法。
然⽽,量⼦理论之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄⽞虚。其实,在量⼦理论刚诞⽣的摇篮时期,它只是⼀⻔⼈畜⽆害的学科,专⻔研究电⼦、光⼦之类⼩玩意⼉。
⽽ 「量⼦」 这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「⼀份⼀份」的 不连续能量 。
这⼀切,都源于⼀次物理学的灵异事件。
百年战争
20 世纪初,物理学家开始重点纠结⼀个纠结了上百年的问题: 光,到底是波还是粒⼦?
粒派
所谓粒⼦,可以想象成⼀颗光滑的⼩球球。
每当你打开⼿电,⽆数光⼦就像出膛的炮弹⼀样,笔直地射向远⽅。
很多著名科学家(⽜顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿⽆疑地证明了光是⼀种粒⼦。
波派
所谓波,就像往河⾥扔块⽯头,产⽣的⽔波纹⼀样。
如果把光看作是⼀种波,可以完美解释⼲涉、衍射、偏振等经典光学现象。
很多著名科学家(惠更斯、杨、⻨克斯⻙、赫兹)做了很多权威的实验,确凿⽆疑地证明了光是⼀种波,电磁波。
可问题是,波和粒⼦毕竟是两种截然不同的东西啊!
粒⼦可分成⼀个⼀个的最⼩单位,单个粒⼦不可再分;波是连续的能量分布,⽆所谓「⼀个波」或者「两个波」; 粒⼦是直线前进的,波却能同时向四⾯⼋⽅发射;
粒⼦可以静⽌在⼀个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。
波与粒⼦之间,存在着不可调和的⽭盾。
于是⾃古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派: 波派和粒派 ,两派之间势均⼒敌的百年撕逼战争从未分出胜负。
很多⼈问我:科学家为什么要为这种事情势不两⽴,⼤家搁置争议、共同研究不就得了。为了⼀个字:信仰!
千⾯之神
且问你:《权⼒的游戏》中,信奉七神的维斯特洛⼈⺠,为何要与信奉旧神的关外野⼈拼个你死我活?
⾃古以来,⼈们为了信仰争端⼤开杀戒,早已不⾜为奇。唯⼀的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百⼋⼗号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井⽔不犯河⽔。⼈称:希腊众神。
要命的是,科学家们信仰的神只有⼀个,⽽且是放之宇宙⽽皆准的全能⼤神。这位神祇的名字,叫作 真理 。
⼤到宇宙的诞⽣,⼩到原⼦的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同⼀个规律,可以⽤同⼀个理论,甚⾄同⼀套⽅程解释⼀切。⽐如,让苹果掉下来把⽜顿砸晕的是万有引⼒,让⽉亮悬在空中掉不下来的也是万有引⼒。⽤同⼀个⽅程,既能算出地球的质量,也能让⻢斯克的猎鹰九号⽕箭上 天,这就是科学的威⼒。
想要⼀个宇宙、两种规律?
对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽,⽐如竞选总统。
当然,科学家们没有谁敢⾃称是真理的代⾔⼈,就连⽜顿谦起来都是这样的:「我只是⼀个在海滩上捡⻉壳的孩⼦,⽽真理的⼤海,我还没有发现啊!」
就算是捡⻉壳,捡的多了,说不定拼到⼀起就能窥⻅真理之神的全貌呢!
整个科学史,就像⼀个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现⼀个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运⾏规律。不同领域的⼤⽜把各⽅⾯的知识、理论慢慢拼到⼀起,真理的图像就渐渐清晰。
在 20 世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。⼤家逐渐觉得,这⼀块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道⽽驰,还各⾃越⾛越远。这就好⽐你集了⼀辈⼦卡⽚,⾃以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别⼈是不⼀样的,⽽且差的不是⼀点点!
是不是有种把对⽅连⼈带图都砸烂的冲动?
当时波派和粒派都坚信,⾃⼰⼿上的拼图,才是唯⼀正确的版本。
双⽅僵持不下直到 1924 年,终于有⼈⼤彻⼤悟: 波 or 粒,为什么光不能两者都是呢?
也许在某些时候,粒⼦看起来就像是波;在另⼀些时候,波看起来就像是粒⼦。波和粒如同阴阳⼀般相⽣相克,就像⼀枚硬币的正反两⾯(波粒⼆象性),只不过我们⼀直以来都在盲⼈摸象、各执⼀词。
真理确实只有⼀个,但是真理的表现形式,会不会存在着多个版本?
难道真理就是那个千⾯之神,⽤千变万化的⾯⽬欺骗了我们如此之久?
灵异的实验
究竟是波,是粒,还是波粒⼆象,⼤家决定,⽤⼀个简单的实验来做个了断:
双缝⼲涉实验
双缝,顾名思义,就是在⼀块隔板上开两条缝。
⽤⼀个发射光⼦的机枪对着双缝扫射,从缝中漏过去的光⼦, 打在缝后⾯的屏上,就会留下⼀个光斑。(等效于 1961 年电⼦双缝⼲涉实验)
在实验之前,科学家的推测如下: 第⼀种可能
如果光⼦是纯粒⼦,那么屏幕留下两道杠。
光⼦像机枪发射的⼦弹⼀样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的⼀定是 2 道杠,因为其他⻆度的光⼦都被板挡住了。
第⼆种可能
如果光⼦是纯波,那么屏幕上会留下斑⻢线般的⼀道道条纹。
光⼦穿过缝时,会形成 2 个波源。两道波各⾃震荡交汇(⼲涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波⾕之间正反抵消, 最终屏幕上会出现⼀道道复杂唯美的斑⻢线(⼲涉条纹)。
第三种可能
如果光⼦是波粒⼆象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。
总之,
两道杠 = 粒派胜; 斑⻢线 = 波派胜; 四不像 = 平局。
是波是粒还是⼆合⼀,看屏幕结果⼀⽬了然,⽆论实验结果如何,都在我们的预料之中。
第⼀次实验 :把光⼦发射机对准双缝发射。结果 :标准的斑⻢线。
根据之前的分析,这证明光⼦是纯波。OK,实验结束,⼤家回家洗洗睡吧。
粒派不服:我明明知道光⼦是⼀个⼀个的粒⼦!
这样,我们再做⼀次实验,把光⼦⼀个⼀个地发射出去,看会怎么样,⼀定会变成两道杠的!
第⼆次实验 :把光⼦机枪切换到点射模式,保证每次只发射⼀个光⼦。
结果 :斑⻢线,竟然还是斑⻢线,怎么可能?我们明明是⼀、个、⼀、个把光⼦发射出去的啊!
最令⼈震惊的是,⼀开始光⼦数量较少时,屏幕上的光点看上去⼀⽚杂乱⽆章,随着积少成多,渐渐显出了斑⻢线条纹!
光⼦要真的是波,那粒派也不得不服。
问题是:根据波动理论,斑⻢线来源于双缝产⽣的两个波源之间的⼲涉叠加;⽽单个光⼦要么穿过左缝、要么穿过右缝,穿过⼀条缝的光⼦到底是在和谁发⽣⼲涉?
难道……光⼦在穿过双缝时分裂成了两个?⼀个光⼦分裂成左半光⼦和右半光⼦,⾃⼰的左⼿和右⼿发⽣了关系?事情好像越来越复杂了。⼲脆⼀不做⼆不休,我们倒要看看,光⼦究竟是怎样穿过缝的。
第三次实验 :在屏幕前加装两个摄像头,⼀边⼀个左右排开。
哪边的摄像头看到光⼦,就说明光⼦穿过了哪条缝。同样,还是点射模式发射光⼦。
结果:每次不是左边的摄像头看到⼀个光⼦,就是右边看到⼀个。⼀个就是⼀个,从来没有发现哪个光⼦分裂成半个的情 况。
⼤家都松了⼀⼝⽓。 光⼦确实是⼀个个粒⼦,然⽽在穿过双缝时,不知怎么就会变形成两道波同时穿过,形成⼲涉条纹。
虽然诡异了些,不过据说这就是 波粒⼆象性 了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得⼈都要精分了。
然⽽,就在这时,真正诡异的事情发⽣了……
⼈们这才发现,屏幕上的图案,不知什么时候,悄悄变成了两道杠!
没⽤摄像头看,结果总是斑⻢线,光⼦是波;
⽤摄像头看了,结果就成了两道杠,光⼦变成了粒⼦。实验结果取决于看没看摄像头?
这不科学啊,做物理实验竟然⻅⻤了啊!
⼀个貌似简单的⼩实验做到这份上,波和粒⼦什么的已经不重要了,重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。
这是有史以来第⼀次,⼈类在科学实验中正式遭遇灵异事件。
观察者魔咒
你还没看出灵异在哪⾥?
好吧,请先看懂下⾯这个例⼦:
电视⾥正在直播⾜球⽐赛,⼀个球员起脚射⻔——
「咔」暂停,你预测⼀下这个球会不会进?
在球迷看来: 球进还是不进,和射⼿是不是 C 罗、梅西有关, 和对⽅⻔将的状态有关,和裁判收没收钱说不定还有关。
在科学家看来: 有关的东西更多,⽐如球的受⼒、速度和⽅向,距离球⻔的距离,甚⾄草⽪的摩擦⼒、球迷吼声的分⻉数等等。
不过,只要把这些因素事⽆巨细地考虑到⽅程⾥计算,完全可以精确预测三秒后球的状态。但⽆论是谁,⼤家都公认的是, 球进与不进,⾄少和⼀件事情是绝对⽆关的:
你家的电视。
⽆论你⽤什么品牌的电视,⽆论电视的屏幕⼤⼩、清晰度⾼ 低、质量好坏,⽆论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡,当然更⽆论你看不看电视直播——该进的球还是会进,该不进就是不进,哪怕你⽓得把电视机砸了都没⽤。
你是不是觉得,上⾯说的全都是废话?那么,仔细听好:
双缝⼲涉的第三次实验证明了,在其他条件完全相同的情况 下,球进还是不进,直接取决于在射⻔的⼀瞬间,你看还是不看电视!
看还是不看,这是⼀个问题!
光⼦从发射器射向双缝,就好⽐⾜球射向球⻔;⽤摄像头观测光⼦是否进缝、怎么个进法,就好⽐⽤电视机看进球。
第三次实验与第⼆次的唯⼀区别,就是实验 3 开了摄像头观察光⼦(看电视),实验 2 没放摄像头(不看电视)——两次实验的结局竟截然不同。
这,就是观察者的魔咒。
难道说,不看光⼦它就是波,看⼀眼,它就瞬间变成粒⼦?
难道说,「光⼦是什么」这⼀客观事实,是由我们的观察(放不放摄像头)决定的?
难道说,对事物的观察⽅式,能够改变事物本⾝?
三观崩塌
在所有⼈懵逼的时候,还是有极少数聪明⼈,勇敢地提出了新的理论: 光⼦,其实是⼀种智能极⾼的外星 AI 机器⼈。
之所以观察会导致实验结果不同,是因为光⼦在你做实验之前
就悄悄侦查过了,如果发现有摄像头,它就变成粒⼦形态;如果发现是屏幕,就变成波的形态。
这个理论让我想起了传说中的:
难道机器⼈阿童⽊真的存在?(「阿童⽊」是⽇语「アトム」
的发⾳直译,词语源⾃英语「Atom」,意即「原⼦」)
这种扯淡理论居然没被⼝⽔喷死,还要做实验去验证它,可⻅科学家们已经集体懵逼到了什么地步。
第四次实验:
事先,只有屏幕没有摄像头;
我们算好光⼦穿过缝的时机,等它穿过之后,再以迅雷不及掩⽿之势加上摄像头。(等效于 1978 年惠勒延迟选择实验) 结果是啥?
⽆论加摄像头的速度有多快,只要最终加上了摄像头,屏幕上⼀定是两道杠;反过来,如果⼀开始有摄像头,哪怕在最后⼀刻秒秒钟撤掉,屏幕上⼀定是斑⻢线。
回到看球赛的那个例⼦,就好⽐:我先闭上眼睛不看电视,等球员完成射⻔、球⻜出去 3 秒钟后,我突然睁开眼睛,球⼀定不进,百试百灵。
在你冲出⻔去买⾜彩之前,我先悄悄提醒你:这种魔咒般的⿊科技,⽬前只能对微观世界的基本粒⼦起作⽤。要⽤意念控制⾜球这样的⼤家伙,量⼦还做不到啊!
请注意,加不加摄像头,是在光⼦已经穿过双缝之后再决定 的。不管光⼦在穿缝的时候变成什么形态,过了缝应该就定型了。
既然光⼦的状态在加摄像头之前就定型了,为什么实验结果还是能在最后⼀刻发⽣变化?
难道说,在之后做出的⼈为选择(未来),能够改变之前已经发⽣的事实(历史)?
⽽且,加摄像头的速度,可以做到⾮常快(40 纳秒)。就算光⼦真的是个狡猾的微型变形⾦刚,当它变成波的形态穿过双 缝,在最后⼀刻却发现⾯前是⼀个摄像头时,它也来不及再次变⾝了吧?
「主观决定客观」「未来改变历史」「外星⼈其实是⽆处不在的光⼦」……
好端端⼀个实验弄得谣⾔四起,物理学家们纷纷感到⼏百年来苦⼼经营的科学体系正在崩塌。
与之⼀起崩塌的,还有全⼈类的三观。量⼦魔法时代的⼤幕,正在徐徐拉开。
为了⼀只猫的死活,100 年前的天才哲学家,学历最⾼的⾜球运动员,撩妹⽆数的量⼦⼒学教授……他们都在纠结个啥?
另⼀些⼈,却恰恰相反——他们做任何事,都是为了纠结,下⾯我要说的,就是另⼀些⼈的故事。
学历最⾼运动员
1908 年夏天。
丹⻨,哥本哈根。
⼀名⾜球运动员正在思考⾃⼰的前程。
23 岁,是时候做个决定了。⽐⾃⼰⼩两岁的弟弟,已经成为国奥队的中场核⼼。在刚刚结束的伦敦奥运会上,哈那德·玻尔率丹⻨队 17:1 ⾎洗法国队,斩获银牌创造「丹⻨童话」,⼀夜之间成为家喻⼾晓的球星。
⽽我,作为丹⻨最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主⼒⻔将,居然从未⼊选国家队,这简直是⼀种耻辱。
国家队⼤名单⾥怎能没有我?
教练说我什么都好,唯⼀的弱点是喜欢思考⼈⽣。
上次和德国⽶特⻙达队踢友谊赛,对⼿竟敢趁我在⻔框上写数学公式的时候,⽤⼀脚远射偷袭,打断我的思路!最后⼀刻不还是被我的闪电扑救解围,要是后卫早点上去堵枪眼,那场球踢完就可以交作业了。
是成为世界最伟⼤的⻔将,还是成为世界最伟⼤的物理学家, 这是⼀个问题,我需要纠结⼀下。
第⼀章⾥我们讲到,100 多年前,为了搞清光⼦究竟是波还是粒⼦,科学家们被⼀个貌似简单的「双缝⼲涉」实验弄到集体「精分」。
这个实验明⽩⽆误地说明,光⼦既可以是波,也可以是粒⼦。
⾄于它到底是什么,取决于你的 观测姿势 。
装摄像头观测光⼦的位置,它就变成粒⼦;不装摄像头,它就是波!
我们曾经天真地以为,⽆论⽤什么样的姿势看电视直播,都不可能影响球赛结果,可是在微观世界中,这个天经地义的常识好像并不成⽴,这就是那么多⾼智商理⼯男懵逼的原因。
但是在玻尔看来,将宏观世界的经验常识套⽤到微观世界的科学研究上,纯属⾃寻烦恼。
通过常识,我们可以理解⼀个光滑⼩球的物理属性;但是凭什么断定,组成这个⼩球的万亿亿亿个原⼦,也⼀定有着和⼩球完全相同的属性?
凭什么在微观世界中,原⼦、电⼦、光⼦,⼀定要遵循和宏观世界同样的物理法则?
⼀般⼈纠结的问题⽆⾮是:量⼦世界的物理法则为什么这么奇怪啊……
只有天才,能够直截了当问出关键问题:这些法则是什么?
严格来说,量⼦理论是⼀群⼈,⽽不是⼀个⼈创⽴的。但是如果⼀定要选出⼀个「量⼦⼒学代⾔⼈」的话,我觉得⾮玻尔莫属,因为当别⼈纠结的时候,他第⼀个想通了。
通过前⾯那些烧脑的实验,玻尔总结了量⼦世界的三⼤基本原
则:
态叠加原理
在量⼦世界,⼀切事物可以同时处于不同的状态(叠加态), 各种可能性并存。⽐如,在双缝⼲涉实验中,⼀个光⼦可以同时处在左缝和右缝。这种⼈类⽆法想象的叠加态,才是最普通不过的本质形态;⽽在我们看来「正常」的⾮⿊即⽩,才是⼀种特例。
测不准原理
叠加态是不可能精确测量的。⽐如,精确测出了粒⼦的位置, 但它的速度却永远测不准!这并不是因为仪器精度不够⾼,其实,仪器再好都没⽤。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」,⽽⾮「有可能但⽬前做不到」。
观察者原理
虽然⼀切事物都是多种可能性的叠加,但是,我们永远看不到
⼀个既左且右、⼜⿊⼜⽩的量⼦物体。只要进⾏观测,必然看到⼀个确定⽆疑的结果。⾄于到底看到哪个态则是随机的,其概率⾼低取决于叠加态中哪个态的成分居多。
这样⼀来,实验解释起来就轻松多了:
「双缝⼲涉」实验的官⽅解释:
没装摄像头:光⼦在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态,以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝,形成⼲涉条纹;
装上摄像头:光⼦被观测后只能处于⼀个态,不能神奇地同时穿双缝了,所以⼲涉条纹就消失了。
这就是⽬前量⼦⼒学教科书上的正统理论:哥本哈根解释。终于,⼀切都有了答案。
有了答案吗?
因为完美解释了双缝⼲涉等灵异现象,玻尔⼀(四)夜(⾯) 成(树)名(敌)。
但⼩伙伴们却纷纷表⽰:这个理论不仅反直觉反⼈类,⽽且bug 点很多!
⽐如,没有观测时,光⼦是混沌中的叠加态;观测的⼀瞬间, 光⼦就变成了单⼀的确定态,请问两种态是怎样⽆缝切换的?
按照玻尔的说法,观测的⼀瞬间,光⼦就随机蜕变成多种可能中的⼀种,还把这个过程取名叫 「塌缩」 。具体怎么个塌法, 玻尔⾃⼰也说不清。
再⽐如,既然触发「塌缩」的前提是「观测」,那么谁能够成为合格的观察者呢?
科学家、⼈类、⼀切⽣命体、还是包括⼈⼯智能在内的任何智慧形态?
众说纷纭之际,给玻尔带来致命⼀击的,是⼀只猫。
⼀只猫的拷问
10 年前,正是薛⽼师亲⼿写下了量⼦波动⽅程,与矩阵⼒学、路径积分⼀起,被后⼈并称为量⼦⼒学的三⼤基⽯。
10 年后的 1935 年,对「哥本哈根解释」的群起⽽攻之,薛⽼师打响了第⼀枪。
当时,⼏乎所有⼈觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意⼉,却没⼈能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。
因为,「态叠加」「测不准」「观察者」⽆论这三⼤原理违和感多么强,都被玻尔视作量⼦世界不可挑战的公理。所谓公 理,就像「两点之间有且只有⼀条直线」,或者⽜顿⼒学三定律⼀样,是⽆法、也⽆须证明的宇宙基本⼤法。
在玻尔看来,物理学家的任务是透过现象找规律,⽽不是去质问上帝:你为什么要把宇宙设计成这样⼦?
⽽且,凭什么微观世界的宇宙法则,⼀定要和宏观世界的⽣活经验相符呢?
⽆懈可击的玻尔之盾,也只有⾦枪不倒的薛定谔之⽭能够与之⼀战。
「薛定谔的猫」 就是薛⽼师⽤来挑战玻尔的头脑实验(以下实验纯属想象、推理,没有任何⽆辜的猫因此⽽被害)。
把⼀只猫关在封闭的箱⼦⾥。
和猫同处⼀室的还有个⾃动化装置,内含⼀个放射性原⼦:如果原⼦核衰变,就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤⼦-
>锤⼦落下->打破毒药瓶,于是猫当场毙命。
在这个邪恶的连环机关中,猫的死活直接取决于原⼦是否衰变;然⽽,具体什么时候衰变是⽆法精确预测的随机事件。
只要不打开盒⼦看,我们就永远没法确定,猫此时此刻到底是死是活。
刑具准备完毕,现在,薛⽼师对玻尔的拷问开始:
原⼦啊、衰变啊、射线啊,这些都属于你们整天研究的「微观世界」,⾃然得符合量⼦三⼤定律,没错吧?按照玻尔你⾃⼰的说法,在没打开盒⼦观测之前,这个原⼦处于「衰变」+「没衰变」的叠加态,没错吧?既然猫的死活取决于原⼦是否衰变,⽽原⼦⼜处于「衰/不衰」的叠加态,那是不是意味着,猫也处在「死/没死」的叠加态?原⼦衰变 = 死猫;原⼦没衰变 = 活猫;叠加态原⼦ = 叠加态的猫。
所以,按照哥本哈根解释,箱中的猫是不死不活、⼜死⼜活的混沌之猫,直到开箱那⼀刻才瞬间「塌缩」成⼀只死猫或者活猫?
薛⽼师的逻辑,其实就是反证法:以⼦之⽭,攻⼦之盾。先假装你是完全正确的,然后顺着你的说法推理啊,直到推出⼀个荒谬透顶的结论——那只能说明你从⼀开始就错了!
⾄于为什么要放进⼀只猫,这⼜是薛⽼师的⾼明之处。
以前⼤家研究原⼦、光⼦,总觉得那是与⽇常完全不同的另⼀个世界;⽆论量⼦多么诡异,我们总可以安慰⾃⼰说:微观世界的规律,不⼀定适⽤于宏观物体。
科学家们做完烧脑的实验,还能回归⽼婆孩⼦热炕头的正常⽣活。
现在,薛⽼师把微观的粒⼦和宏观的猫绑在⼀起,要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想,要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结,⼆选⼀。
连三岁⼩孩都知道,如果打开箱⼦看到⼀只死猫,那说明猫早就死了,⽽不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候, 你装作没听到惨叫声⽽已。
你的理论告诉我们,猫在被观测前是不死不活的;那么,如果把你关进⼀个密室,你不也变成不死不活了吗?或者,在密室中的你看来,全世界的⼈都是不死不活的僵⼫态?还是说,地球和太阳是否存在,都变成不确定的了?
薛⽼师的猫,本意是想让玻尔下不了台,万万没想到,这只猫却引发了唯⼼、唯物主义的⼤辩论。
哲学家们突然发现,终于有机会以专家的⾝份,来对科学界说三道四了。
「我思故我在」的误会
400 年前,⼀个法国⼤叔的思考,奠定了唯⼼主义哲学的核⼼思想。
假设世间⼀切都是幻觉,所谓⼈⽣,也许只是我们的⼤脑在⿊客帝国的 AI ⾥做的⼀个梦,说不定⾝体正插满管⼦泡在培养⽫中。
那么问题来了:如果⼀切都可能是幻觉,那么,还有没有绝对不是幻觉的东西呢? 有。
唯⼀不可能是幻觉的,只有「我们正在思考世界是不是幻觉」这件事。
我在思考,⾄少说明我还是个东西。
其实,唯⼼主义并不是「我想要什么存在它就存在」,⽽是「只有我的意识(⼼)⽆可置疑,世界却可能是幻觉」。所以,如果你认真看那些唯⼼主义哲学⼤师的著作,会发现他们的逻辑严密得令⼈发指。
⽽唯物主义者的观点则是「我在故我思」:世界肯定不是幻觉,不过每个⼈都把⾃⼰版本的幻觉当作客观世界的真相。但是,到底哪⼀个世界观才对呢?
由于唯物主义者⽆法证明这个世界⼀定不可能是⿊客帝国,⽽唯⼼主义者也拿不出这个世界⼀定就是⿊客帝国的确凿证据, 所以谁也⽆法说服对⽅。
直到唯⼼主义者们听说了量⼦⼒学。
这么说来,主张「⼼外⽆物」的明代哲学家王阳明,早在 500年前就发明了量⼦⼒学!
王阳明与友⼈同游南镇,友⼈问⽈:
「天下⽆⼼外之物,如此花树,在深⼭中⾃开⾃落,于我⼼亦何相关?」
先⽣答⽈:
「你未看此花时,此花与汝⼼同归于寂,你来看此花时,则此花颜⾊⼀时明⽩起来,便知此花不在你的⼼外。」唯⼼所现,唯识所变。
未看此花时,花的存在是不确定的叠加态;起⼼动念的⼀刹,
花才会从不确定态「塌缩」为确定态,你观察的世界因此呈现。
意识与物质互为因果,⽆法割裂。量⼦⼒学的「观测导致塌缩」就是唯⼼主义的铁证!
然⽽,很多⼈⾄今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量⼦⿊科技,其实是道听途说导致的误会。
回到双缝⼲涉实验,如果科学家故意不观测实验结果,⽽是⽤机器⾃动记录;去掉⼈类的「意识」⼲扰,是不是量⼦态就不会塌缩了?
再⽐如,做实验时突然⻜过⼀只苍蝇,在它的 N 只复眼注视下,光⼦的叠加态会因此⽽塌缩吗?(你以为苍蝇就没有意识吗?)
结果, 根本没有任何影响 !
屏幕结果是代表波动的斑⻢线还是代表粒⼦的两道杠,只与实验设备的设置有关,和谁来观测、是否观测⽆关。
只要实验中双缝全开,哪怕有⼀亿双眼睛盯着,看⻅的仍然是未塌缩的叠加态光⼦产⽣的⼲涉条纹。
现在看来,⽐玻尔那句毁⼈不倦的「观察导致塌缩」更准确的表述是:
只要微观粒⼦处于「可能被精确测量」的环境下,它就会⾃动塌缩,并不需要等待「观察者」就位。
所以归根到底,量⼦实验仍然是不以主观意志为转移的。
眼⻅为实?
只不过,我们⽆法精确测量,只能⽤概率分布来计算这个客观世界,那么,薛定谔的猫真的存在吗?
⼀开始,包括薛⽼师和玻尔本⼈在内,没有⼈相信世界上真会有不死不活、既死⼜活的猫。可是不久之后,科学家们惊恐地发现,这件看似显然的事,居然没法证伪(证明猫不是叠加态)。
按理说,猫到底是不是叠加态,做个实验不就明⽩了?
可惜,这个实验⾄今做不出来——毕竟,我们没法让猫产⽣⼲涉条纹啊!
证伪不⾏,证实的⽅法倒是有⼀个:把这只猫造出来。令⼈细思恐极的是,我们已经做到了。
1996 年,美国⼈梦露(男)⽤单个铍离⼦制成「薛定谔猫态」并拍下了快照,发现铍离⼦在第⼀个位置处于⾃旋向上的状态,⽽同时⼜在第⼆个位置⾃旋向下,⽽这两个状态相距 80 纳⽶之遥!
这是⼈类有史以来第⼀次,亲眼「看」到活⽣⽣的量⼦叠加现象。
不过,这毕竟只是单个离⼦,和猫相⽐还差了⼗万⼋千⾥啊!
2004 年,潘建伟团队⾸次实现了多光⼦的薛定谔猫态。虽然这只猫的⾝材依旧苗条——浑⾝上下只有 5 个光⼦,但还是令玻尔的追随者信⼼⼤增。
这说明,从单个微观粒⼦到严格意义上的薛猫(宏观量⼦叠加态),也许只是量变⽽⾮质变,它被亲切地称为:薛定谔的⼩猫。
如果继续增加粒⼦数量,是不是能把⼩猫慢慢喂肥成⼤猫呢? 然⽽,现实很残酷:⽬前「薛猫」的最⾼纪录,仍然是潘建伟2012 年实现的 8 光⼦叠加态。要知道,为了增加区区 3 个光⼦,实验⽤了整整 8 年时间。可想⽽知,要让猫⾝上亿个原⼦同时处于量⼦叠加态,绝⾮易事。
在乐观者看来,这不过是暂时的技术困难,假以时⽇迟早会攻克;但也有⼈认为,量⼦世界与宏观世界之间存在着⼀道天然的结界,像猫⼀样⼤的宏观叠加态,也许是这个宇宙明令禁⽌的。
有朝⼀⽇,能不能造出⼀只眼⻅为实的⼤薛猫,⾄少现在,我们还不知道。
但是我们已经知道:即使是⼩猫,也蕴含着⽆⽐惊⼈的能量。
1935 年,薛⽼师很忙。
除了 N 多前⼥友和养猫以外,薛⽼师发现了量⼦的另⼀个诡异之处,⽽当时⼏乎没有⼈注意到这个问题。
为了研究微观世界,看看原⼦核这个⼤西⽠肚⼦⾥都有些什么籽⼉,科学家祭出了最强⼤的武器:粒⼦对撞机。
欧核中⼼(CERN)的加速器就是⼲这个的:
最常⻅的现象是:⺟粒⼦被撞击后,分裂成两个更⼩的粒⼦ A和 B。
因为能量守恒原理,⼦粒⼦能量相同,⽅向相反。⽐如说,因为⺟粒⼦静⽌不动,所以分裂后的⼦粒⼦ A 向左边⻜,B ⼀定往右边⻜,这样才能左右抵消。同理,A的⾃旋(⻆动量)向上,B 的⾃旋⼀定向下。
⾄于具体是向上还是向下,这是个随机事件,必须观测后才能知道。
那么问题来了:根据量⼦理论,在不被观测的情况下,粒⼦处于多种可能性的叠加态。举个例⼦。就像箱⼦⾥那只不死不活的薛定谔的猫⼀样:A 和 B 这对⻰凤胎粒⼦,⾃打出娘胎起,他们的性别就没确定,直到有⼈来看了⼀眼,这才瞬间分出男⼥!
然⽽和薛猫不同的是,箱⼦⾥的猫只有⼀只,孪⽣粒⼦却有两个。⽽且,这两个粒⼦即使相隔很远很远,叠加态也能保持不变。如同在千⾥之外,瞬间产⽣联系……
是时候@爱因斯坦了。
来⾃幽灵的威胁
⼤家都知道爱因斯坦创⽴了相对论。但很少有⼈知道,⼤神在35 岁就已经功成名就(完成狭义+⼴义相对论),⽽在之后 40 年的悠⻓岁⽉⾥,他其实都在纠结⼀件事:量⼦⼒学。
曾经,他也是⼀个集美貌与才华于⼀⾝的男⼦:
研究量⼦⼒学 30 年之后:
能让爱因斯坦这种⼤神级⼈物「不明⽩」的,不是深奥的理论和复杂的公式,⽽是宇宙的意义。
爱因斯坦深信,宇宙在本质上是⾼度和谐的,这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。
所以,⼀个理论如果不美,倒不是说⼀定是错的,但它肯定不够本质。
在更⾼的层⾯上,和谐,⽐对错更重要。⽽量⼦⼒学,在爱因斯坦看来,就是⼀种不和谐(不完备)的理论。
⽐如,量⼦⼒学的核⼼思想是:
微观世界的⼀切只能⽤概率统计来表达,⽽具体到单个的粒⼦,它的状态是不确定的叠加态。把这个粒⼦放⼤ N 亿倍,就成了薛定谔的猫。
这是第⼀个让爱因斯坦不爽的地⽅:量⼦⼒学否认了物质的实在性。
爱因斯坦认为,根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数,只不过愚蠢的⼈类看不⻅箱⼦⾥发⽣的⼀切,只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。
你是不是突然有⼀种,和爱因斯坦英雄所⻅略同的感觉?
当时包括爱因斯坦在内的很多⼈都以为,⼀旦我们揪出了隐变量,量⼦⼒学那些混沌不清的阴暗⻆落,就会被照亮得⼀览⽆余。
⼀个不掷骰⼦的上帝,⼀个确定⽆疑的世界,⼀个可以被⼈类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。到那时,「薛定谔的猫」之类的奇幻故事,只能给孙⼦当哈利波特讲了。
结果,猫的故事还没讲完,薛⽼师⼜想了⼀出「孪⽣粒⼦叠加态」,第⼆次触怒了爱因斯坦⼤神。
因为这⼀次,量⼦⼒学要挑战的是相对论。
研究微观⼩世界的量⼦⼒学,怎么会和研究宏观⼤宇宙的相对论结下梁⼦呢?
这⼜是薛⽼师「⼀不⼩⼼」捅下的篓⼦。
在薛定谔「孪⽣粒⼦」的思想实验中,两个相距万⾥的粒⼦, 观测出 A 的状态,也就知道 B 的状态,因为 A 和 B 都是⼀个⺟粒⼦分裂⽽成的, B 的状态⼀定和 A 相反 。
因为 A、B 两个粒⼦的 命运紧密相连 ,牵⼀发⽽动全⾝,所以薛⽼师给起了个性感的名字: 量⼦纠缠 。
这就好⽐如:⺟亲把⼀双鞋分给兄弟俩,他们各带⼀只远⾛他乡。中国的哥哥打开盒⼦发现是左脚,就知道弟弟带到美国的另⼀只⼀定是右脚。
看上去,这并没有什么稀奇。
稀奇的是,根据量⼦⼒学的说法,弟弟那只鞋左还是右,不是他妈决定的,⽽是哥哥「打开盒⼦」的⾏为决定的。在哥哥看到左脚鞋的⼀瞬间,鞋⾥⻜出⼀个神秘的信号,闪电般穿过千⼭万⽔,通知美国的另⼀只鞋变成右脚! 这个速度能有多快?⽆限快。
但是,上帝允许⽆限快的瞬时传送吗?
在这个宇宙中,没有东西能超过真空光速。不要说超过光速, 就是试图接近光速的⾏为,都会导致时空的畸变。
宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的,在恢宏的空间中,银河系⼀边发⽣的任何事情,不可能⽴即对彼岸的世界造成影响。
就算此时此刻太阳爆炸了,我们还能逍遥⾃在地活 8 分钟,因为 8 分钟后,光才来得及从太阳⻜到地球。
通过对粒⼦ A 的观测,居然瞬间让远⽅的粒⼦ B 的量⼦叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作⽤」。
在严谨的学术界,「幽灵」是⼀个让⼈联想起伪科学的词。不存在超光速,更不存在超距作⽤,因为这是相对论的⼤前提: 局域性。如果量⼦纠缠允许超光速,那么,是量⼦⼒学错了, 还是已经被⽆数次实验证实的相对论错了?
在爱因斯坦看来,这压根不是个问题。
⼀双鞋,俩兄弟当时分到的就是哥左弟右;两个粒⼦,在分裂的⼀瞬间 A、B 的状态就是确定的。尘埃落定之后,你爱怎么观察就怎么观察,为什么要信量⼦⼒学那⼀套「观察决定实验」的⻤话?
只可惜,在量⼦⾯前,⼈类的直觉和常识⼜⼀次⼤错特错。
终极⿊客:约翰·⻉尔
超距作⽤(量⼦)vs 局域性(爱因斯坦),⼈们曾经以为,这是个永远不会有答案的问题。
因为如果做实验验证,这两者根本没法区分啊!
⽐⽅说,先制备⼀对所谓的纠缠态粒⼦,然后⼀个运到北京,⼀个放在上海。我先测量到上海的 A 粒⼦⾃旋向上,然后打电话去问北京的同事:哥们,你那边测下 B是什么态?
100% 是⾃旋向下!
爱因斯坦和量⼦理论都预⾔,B 的⾃旋⼀定和 A 相反。
也就是说,仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的,这就好⽐两个⼈都赌同⼀个球队赢,如何分胜负呢?但是不测量,⼜怎么可能知道它在测量之前是什么? 显然,这个问题⽆解。
30 年过去,爱因斯坦、玻尔、薛定谔等⼀代宗师已经成为逝去的传奇,然⽽还是没有⼈认真思考过这个问题。
也许这就是为什么,做出这个近代物理学最重要的⼤发现的⼈,不是某位著名的教授,⽽是⼀位当时还默默⽆闻的⼯程 师,也难怪当他投稿之后,⽂章居然被杂志编辑「不⼩⼼」弄丢了,拖了⼀两年才发表。
约翰·⻉尔,36 岁提出「⻉尔不等式」,欧核中⼼(CERN)加速器设计⼯程师,爱因斯坦的脑c粉,业余爱好是研究量⼦⼒学的基础理论。
我⼀直觉得,⻉尔不像个正统科学家,更像个「物理学⿊客」。虽然和计算机⿊客相⽐,他破解的是原⼦⽽⾮⽐特;但是,论及思维之独特、技巧之⾼超、发现漏洞之敏锐,则是有过之⽽⽆不及。
众所周知,粒⼦ A 的⾃旋⼀定和 B 相反;但⻉尔发现,所有⼈都忽略了⼀件事:⾃旋在三维空间是有 3 个分量的。
A 在 X 轴的⾃旋分量(Ax)如果向上,B 在 X 轴的⾃旋(Bx)⼀定向下,但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的⾃旋(By、Bz)呢?
如果爱因斯坦的局域性理论是对的,By、Bz 应该和 Ax ⼀⽑钱关系没有,但是⽤量⼦⼒学算出来的结果,却有着微妙的区 别:在某些情况下,By、Bz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联!
其他科学家们看到「⻉尔不等式」先是嗤之以鼻,接着⽬瞪⼝呆,最后是深深的悔恨。这个深藏 30 年的宇宙级 bug,就这样被⻉尔这位⼯程师挖了出来。
⻉尔不等式的诞⽣,宣告了量⼦局域性之争,从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。
20 年后(1982),法国⼈阿兹派克特(Aspect)第⼀个成功验证了⻉尔不等式,结论: 量⼦⼒学获胜,幽灵般的超距作⽤, 是真的!
万万没想到,实验结果揭晓之后,最⾼兴不起来的居然是⻉尔本⼈。原来⻉尔是爱因斯坦的忠实信徒,⼈家下班不约会⽽去搞不等式的⽬的,就是为了证明量⼦⼒学错了!
之后,⻉尔花了⼤半辈⼦的时间,试图找出实验的漏洞,直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。
当然,这⼀切并没有什么⽤。
从阿兹派克特实验⾄今 30 多年,⼈们在光⼦、原⼦、离⼦、超导⽐特、固态量⼦⽐特等许多系统中都验证了⻉尔不等式,所有的实验⽆⼀例外,全部⽀持量⼦理论。
如今,除了层出不穷的⺠科,已经没有⼈怀疑量⼦世界的奇异和真实。但很多⼈还是忍不住会想,⻉尔不等式什么的还是太抽象了,能不能亲眼⻅证量⼦纠缠的魔⼒呢?
幽灵成像实验
⽐起喜欢⽤数学公式讲道理的⻉尔,搞量⼦光学的史砚华可就实在多了。
我觉得,史教授 2008 年发明的「幽灵成像」,应该是证明量⼦纠缠绝⾮幻想的最直观的实验。
请认真看下图:
幽灵成像的原理通俗易懂:先把红光⼦和蓝光⼦「纠缠」到⼀起,然后两者分开各⾛各路。红光穿过狭缝打出⼀定形状的图案,蓝光不穿缝正常⾛。
实验结果绝对震撼:明明没有穿过狭缝的蓝光,竟然也投射出了与红光相同形状的图像!
如果这个实验能够早 70 年做出来,我真想看看爱因斯坦的表情。
这次,你总不能说:光⼦在纠缠之前就已经是那个形状了吧!
穿缝还是不穿缝,显然是在光⼦出发后才决定的。发⽣在红光⼦⾝上的所有事,蓝光⼦也会分毫不差地经历⼀遍。这样看 来,仅仅把量⼦纠缠⽐作⻰凤胎还远远不够,他们出⽣时珠联璧合,⻓⼤成⼈之后仍然是⽣死与共!⽽且,通过改变红光那边狭缝的形状,想让蓝光打出什么样的图案都可以。
这就意味着,我们可以远程发送图像甚⾄视频,⽽⽆论距离多远、哪怕从宇宙的另⼀端传过来都是瞬时传输的,延迟时间永远为 0。
然⽽,这岂不是违反相对论(任何信息和物质不能超过光速) 的公理了吗?
并没有!
虽然信息是瞬时传送过来了,但要把其中的乱码剔除,提取出真正的内容,还是必须把图像⽤不超光速的传统⽅式再发⼀ 遍。让爱因斯坦操碎了⼼的「超光速」问题,原来只是杞⼈忧天!
⼤⾃然就是如此微妙。
宇宙的规则也许看似奇怪,内在却有着惊⼈的⾃洽性。
我们只能说相对论和量⼦⼒学之间存在着理论上的⽭盾,但从来没发现物理规律本⾝有⾃相⽭盾的地⽅。
如果把宇宙看作⼀个产品,最令⼈细思恐极的是:⽆论狡猾的⼈类捣⿎出多么刁钻古怪的实验,这个同时在线⽤⼾数⾼达10^80(1 后⾯跟 80 个 0)的产品却从来不会被搞出 bug。
如果宇宙真有⼀个产品经理的话,请收下我卑微的膝盖,顺便想问⼀个问题是:为什么您的宇宙中会有量⼦纠缠呢?
量⼦纠缠背后的秘密
100 年前,量⼦⼒学的祖师爷玻尔说: 如果谁没有被量⼦⼒学惊到,那他肯定不懂量⼦⼒学。
爱因斯坦: 我思考量⼦⼒学的时间百倍于⼴义相对论,但依然不明⽩。
造出第⼀颗原⼦弹的费曼更直接: 没有⼈懂量⼦⼒学! 学了 100 多年的量⼦⼒学,今天,我们懂了吗?
墨⼦号⾸席科学家、中国量⼦通信第⼀⼈潘建伟说:「如果能搞清楚为什么有量⼦纠缠,我可以现在去死」,接着潘⽼师⼜说:「但是现在还没搞清楚,所以我想活得⻓⼀点……」
考虑到潘院⼠今年才 46 岁,这句话似乎暗⽰着,我们在 50 年后都不⼀定能搞懂量⼦了。
这些⽜⼈说的「不懂」,可不是⼩学⽣学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清了微观世界的所有基本规则,建⽴了强⼤的数学模型,算出来的理论预测和实验结果分毫不差,但我们还只是⼀个拿到使⽤说明书的孩⼦,对于其意义和⽬的⼀⽆所知,莫名地好委屈。
然⽽现在,越来越多的线索显⽰,量⼦纠缠的背后,可能隐藏着⼀个巨⼤的秘密。
2013 年,Maldancena 和 Susskind 发现,量⼦纠缠和⾍洞(⾍洞即爱因斯坦·罗森桥)在数学模型上⾮常相似。他们猜想,量⼦纠缠也许就是⼀个微型⾍洞。
量⼦纠缠中最神秘的现象「超距作⽤」其实并没有超越光速,
⽽是像⾍洞那样穿越了时空。这就是为什么,孪⽣粒⼦能够异地千⾥,同呼吸、共命运的真正原因。
请认真看下图:
⽽在 2010 年 Van Raamsdonk 的独⽴研究中,发现了更为惊⼈的线索。
他建⽴了⼀个类似真实宇宙的三维宇宙模型,⼀旦在模型中去掉量⼦纠缠,时间和空间就会被打乱成碎⽚。
正是⽆处不在的量⼦纠缠,像建筑物的钢筋结构件⼀样,把本应⽀离破碎的时空编织成了⼀个整体。请认真看下图:
在有进⼀步的实验证据之前,我们⽆法评价这些猜想有多靠谱。但是令理论物理学家们⼼跳加速的是,各条独⽴的线索似乎指向着同⼀个宝藏。找到它,发现量⼦纠缠真正的秘密,就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的⼤爆炸时刻,宇宙是怎样被建造出来的。
为了传说中的 One Piece,越来越多⾝怀绝技的⼈踏上了量⼦时代的⼤航海之路。
有⼈说:哲学家们总是⽤各种⽅式解释世界,但问题在于改变世界。其实,科学和⽂明的⾼度,取决于我们对于世界理解的深度。
通过认识和理解世界,猿⼈把⼿中的⽯块换成了⾃然规律,拥有了改天换⽇的⼒量。当⼀群不⻝⼈间烟⽕的理⼯男在实验室热烈地争论原⼦模型时,谁能想到,30 年后⼴岛在⽕海中的哭喊?
⾃从 1900 年普朗克发明「Quantum」这个单词⾄今,量⼦终于从哲学辩论会的题材,变成了魔法般的⿊科技。
基于量⼦纠缠,可以造出⽐现在快 1 亿倍的量⼦计算机,⽽超距作⽤和⻉尔不等式,则把量⼦纠缠变成了加密通信领域的终极武器。
改变世界的时刻真的到了! 公元前 54 年,深冬。⾼卢,毕布拉克德。
罗⻢共和国⾼卢⾏省⻓——尤⾥乌斯·恺撒,借着帐篷⾥的烛⽕, 正在⼀张⽺⽪上写着什么。
战况紧急! 恺撒的爱将西塞罗,突然遭到维尔纳⼈的围攻。
现在,必须⽴刻派⼀名骑兵送信给西塞罗,命令他重整旗⿎, 两军合⼒突围。
可是,万⼀这封信被敌⼈截获怎么办?
想到这⾥,他不由⾃主地停下了笔,棱⻆分明的脸上,分明掠过⼀丝狡猾的微笑……
恺撒⼤帝、福尔摩斯与密码学
作为罗⻢的第⼀位独裁者,恺撒⼤帝还有⼀个鲜为⼈知的技能点:
其实,⼤帝不是历史上第⼀个想出加密算法的⼈。据说,我朝的姜⼦⽛在 3000 年前,就发明了古装版密码本「阴书」。
但恺撒密码,却很有可能是⾸个⼴泛运⽤到军事通信领域的加密技术。
恺撒密码的原理,说⽩了就是⼀个字: 替换 !
如果⼼⾥想的是字⺟ A,纸上就写 B;要写 B,就⽤ C 代替。当然,我也可以⽤ D 替换 A,⽤ E 替换 B,以此类推(偏移 3 个字⺟)。
只要收发双⽅都知道偏移量是⼏,就能轻松加密和解密;⽽外⼈看到的⽆⾮是⼀堆乱码。
这就让上课传⼩纸条,有了新招数!⼼⾥想(明⽂):I love U,⽼师看到(密⽂):L oryh X。
在今天看来,这种算法极易破解,毫⽆技术含量可⾔。但在当年的罗⻢战场,这就是令吃⽠群众望⽽⽣畏的⿊科技!
在恺撒制霸罗⻢的全盛时期,就连教主耶稣都不得不服: 上帝的归上帝,恺撒的归恺撒。
然⽽讽刺的是,这样⼀位狂拽酷炫屌炸天、还精通密码谍战的军事天才,却死于⼀场密谋政变,⽣⽣被戳了 23 ⼑。为了纪念⼤帝,⼈们把恺撒制成了扑克牌上的标本:⽅块 K。
⼜过了⼀千多年,恺撒⼤帝和他的罗⻢帝国早已灰⻜烟灭,恺撒密码和扑克却被后⼈发扬光⼤。
原版的恺撒密码,是⽤字⺟替换字⺟,⽽且所有字⺟还是按照偏移量顺序替换的,极⼤地降低了破解难度。到了维多利亚时代,这两个弱点终于被改进。于是,连福尔摩斯逮到的⼀个普通⿊帮⼩弟,都学会原创这样的密码了:
我们来看,传说中的卷福,是怎样破解这种图形密码的。
在英⽂字⺟中 E 最常⻅。第⼀张纸条上的 15 个⼩⼈,其中有 4个完全⼀样,因此猜它是 E。
这些图形中,有的带⼩旗,有的没有⼩旗。从⼩旗的分布来看,带旗的图形可能是⽤来把这个句⼦分成⼀个个单词。现在最难的问题来了。
因为,除了 E 以外,英⽂字⺟出现次数的顺序并不很清楚,要是把每⼀种组合都试⼀遍,那会是⼀项繁琐且⽆⽌境的⼯作。
根据似乎只有⼀个单词的⼀句话,我找出了第 2 个和第 4 个都是 E。
这个单词可能是 sever(切断),也可能是 lever(杠杆),或者 never(决不)。
毫⽆疑问,使⽤ never 这个词来回答⼀项请求的可能性极⼤, 所以其他三个⼩⼈分别代表 N、V 和 R。
如此这般以此类推,福尔摩斯利⽤上(主)下(⻆)⽂(光) 逐(环)个(的)击(加)破(持),分分钟破译了全部 52 个密⽂:
不过,所有基于替换法的加密算法,都有⼀个致命的弱点:因为凡是⽤字⺟构成的⽂字,其字⺟分布都要符合语⾔规律,⽐如英⽂单词中 E 最常⻅,Z 和 X 最罕⻅,⽆论把字⺟替换成多么奇葩的东西,符号的分布规律永远不会变,⽤概率统计+穷举法+玩填字游戏的基本技巧,任何密⽂的破解只是时间问题。
就当⼩伙伴们都以为恺撒密码的发展已经⾛到头的时候,德国⼈谢尔⽐乌斯却给替换式密码来了⼀次⼤升级,造就了有史以来最可靠的加密系统,⼀度令盟军绝望的噩梦,让希特勒成也萧何败也萧何的⼆战谍报神器——英格玛密码机,⼜叫恩尼格玛密码机(ENIGMA)。
⼆战谍报神器跌落神坛
英格玛(Enigma)密码机⽜在哪⾥?
机器加密这是世界⾸台全⾃动的加密机器,⽽此前编码、译码⼀直靠⼈⼒。
我国由于国情原因,直到 20 世纪 80 年代还在⽤铅笔+纸的⼈⾁编码⽅法。
⽤机器的好处不仅是省⼒,⽽且,可以轻松搞定⼈⼒难以企及的复杂算法。
复式替换
虽然基础原理和恺撒密码相同,但英格玛的字符替换⽅式却⾼级了不⽌⼀个档次:复式替换。
也就是说,如果你连打 3 个 A,恺撒密码的密⽂可能是 DDD, 但英格玛的密⽂却可能是 BDA。
英格玛的神奇之处在于「转⼦」,它通过转动的⽅式实时改变替换⽅式,每敲⼀个字所⽤的替换⽅式都不同,这让依赖频率分析、概率统计的破解⽅法从此⽆的放⽮。
原版的英格玛密码机只有⼀个转⼦,⼆战时期德军为了万⽆⼀失,把转⼦加到了 3 个。
每个转⼦都有独⽴的设置,3 个转⼦所有可能的设置,⾼达105654 种组合!这样⼀来,连穷举法暴⼒破解的⼀线希望都断了念想。
正因为英格玛在当时太过逆天,以⾄于德军从此⾼枕⽆忧,以为盟军这辈⼦也别想破解了。
他们说得没错。单凭⼈⼒,是不可能⼲过英格玛密码机的。能够破解这台机器的,只能是另⼀台机器,⼀台算⼒更强⼤的机器。
⻢拉松运动员同志阿兰·图灵 1941 年发明的机器解码,⽤传统的频率分析+机器暴⼒穷举⼲掉了英格玛,从此军情六处把德军的情报兜了个底朝天。直到盟军诺曼底登陆,德国⼈还没有反应过来,他们正是被⾃⼰的传家宝坑死的。
⽽图灵的这台机器,就是世界上第⼀台计算机。
在计算机时代,复式替换加密从此跌落神坛、万劫不复。
⽽且实战中还发现,有时最容易攻破的反⽽不是算法,⽽是⼈。
只要搞定那个掌握密码本的⼈,⼀切密钥都不攻⾃破。
全⺠加密:RSA 技术
显然,拥有密码本的⼈越少越好。但问题是 How?
曾经,这是个⽆解的难题。
道理很简单:密码本必须⼈⼿⼀本,否则卧底同志们还拿什么来加密通信呢?
历史告诉我们,当所有⼈都认为⽆解的时候,换个思路,往往就是柳暗花明、醍醐灌顶的时刻。
传统的密码学中,⽆论采⽤何种加密算法,都默默地遵循着⼀个思维定式:加密和解密是互逆的,也就是说,只要知道如何加密,就⼀定知道如何解密,反之亦然。
这被称为「对称加密」。
⽽世间还有⼀种「⾮对称加密」(RSA):我可以把加密⽅法公开给全世界(公钥),但解密算法(私钥)只有我⼀个⼈知道,就算你知道如何加密,也不可能据此推出如何解密。
RSA 为什么能做到「知道加密算法也推不出解密算法」?
这基于⼀个数学事实:将两个⼤素数相乘⼗分容易,但对乘积因式分解、还原成两个素数却极其困难,⽽且数字越⼤,困难级别指数上升。
解密靠的是私钥,⽽破解私钥的唯⼀⽅法是猜出公钥是哪两个数字的乘积,因此,把⼤数乘积作为公钥公开是⾮常安全的。
举个例⼦:
37×97=3589 ⼩学⽣都会⼿算,但是,问 3589 是哪两个数的乘积?你回答得出来吗?
如果觉得靠运⽓能凑出答案,你可以挑战⼀下这个:
在对称加密时代,密码本只能⼈⼿⼀本;有了 RSA,真正的密码本(私钥)只要总部的领导⼀个⼈知道就⾏,在各地卧底的特⼯们靠公钥就能加密发密⽂。
这就是为什么 RSA 能在短短 40 年内取代流传两千多年的恺撒,成为当今世界全⺠加密的事实标准:⽅便。
⽣活中,当你⽹购时,浏览器⽤公开下载的公钥把你的付款信息加密发送给服务器,服务器⽤没⼈知道的私钥解密信息,这⼀切是在你没有丝毫察觉的情况下悄然完成的。更给⼒的是,RSA 还是⼀个相当坚固的加密算法。
⽐如,上⾯那个⽤来吓⼈的数字,有 232 位(768 ⽐特),这已经是当今地球上计算机能分解的最⼤整数了。
⽽你在⽹上随便申请⼀个免费的 https 加密证书,⻓度都有2048 ⽐特!
在回顾了⼈类⼏千年来的密码学成果之后,请你,把它们统统忘掉。
因为现在,⽆敌的量⼦通信来了。
它靠的可不是什么逆天的算法,⽽仅仅是两枚神奇的硬币。
当所有的密码都可以秒破,只有量⼦通信可以做到⽆条件安全。
未来,已来。
由⼀枚硬币开启的超距传输
喂,年轻⼈!我看你⻣骼精奇,是万中⽆⼀的创业奇才。
我这⾥有⼀对魔法硬币,与你有缘,就⼗块钱卖给你吧! 别看它⻓得和普通的⼀元硬币差不多,这种硬币有⼀项:
你想啊,这种硬币如果做成情侣版,肯定⼤卖!尤其是异地恋:
你和你伴侣⼈⼿⼀枚,你在北京不断抛硬币 A,发出「正正反
反」之类的信号,她在西雅图的硬币 B 就会⾃动变成「反反正正」,编码成「0011……」,再转成
ASCII 码就是: I LOVE U
理⼯男的浪漫,你懂不懂!
再想想,如果能好好包装⼀把,还能卖给国家航天局、NASA 之类的⼟豪机构!
从⽉球到地球 38 万公⾥,电磁波信号需要⾛ 2 秒多。⽉球的宇航员别说游戏玩不了,打个电话都卡死机。⽕星就更远啦,1 亿公⾥,得延迟 5 分钟!
但是⽤⽆延迟的魔法硬币做星际通信,⽹游不卡了,电话不等了,⼲啥都流畅!
要问魔法硬币有没有缺点?
你还别说,是有个⼩问题,不过不影响使⽤啦——就是每次抛硬币时,翻到正⾯还是反⾯,要看⼈品(喂,喂!年轻⼈,别⾛啊…… )
好啦!以上故事是玩笑,但魔法硬币可不是玩笑。
⽤量⼦纠缠态的⼀对孪⽣粒⼦,⾃旋向上=硬币正⾯,⾃旋向下=硬币反⾯,就能做出如假包换的「魔法硬币」。
⽆论相隔多远的距离,处于「纠缠态」两个孪⽣粒⼦就像有⼼灵感应般,零延迟、发⽣同步反应。如果把孪⽣粒⼦放在两地,在地球观测粒⼦ A 发现⾃旋向上,⽕星上的粒⼦ B 会因此
⽽瞬间变成⾃旋向下,仿佛两个粒⼦之间始终有⼀道穿越时空的纽带——这就是传说中的「超距作⽤」。
因为 A 的粒⼦⾃旋态始终和 B 的相反,所以地球⼈只需观测⼀下粒⼦ A,就能实时改变粒⼦ B 被⽕星⼈观测到的⾃旋态。当⽕星⼈读取出 B 的⾃旋态时,相当于接收到了地球发来的⼀个⽐特。
如果把孪⽣粒⼦⽐作⼀对魔法硬币,通信双⽅重复以上步骤、通过「抛量⼦硬币」传送信号的⽅式,就叫作量⼦通信。
问题在于,就算拥有把爱因斯坦吓傻的超能⼒「超距作⽤」, 量⼦通信却没法⽤来瞬时传数据!
因为,每次硬币(⾃旋)是正是反,是个完全随机事件,不要说控制,连影响都做不到。你想发「正正反反」,它给你来个「反正反正」——试想如果不能畅所欲⾔,对⽅接收到的都是乱码,还谈何通信呢?
既然发的是⼀团乱码,那么就算能够穿越宇宙瞬时传送,也称不上是真正的通信。
爱因斯坦当年杞⼈忧天的「超光速通信」问题,就这样被「随机性乱码」天⾐⽆缝地解决了。
要想⽤量⼦传点有意义的东西,解决的办法只有⼀个:
⽤量⼦通信发完「反正反正」之后,赶紧再⽤微信给对⽅补个留⾔「错对对错」,告诉他哪些信号是发错的,让他⾃⼰纠 正。
也就是说,对⽅收到量⼦信息虽然是瞬时的,但要从⼀团乱码中找出真正的意义,还得靠传统通信⽅式,微信、电话延迟多久,量⼦通信就延迟多久。你是不是在想:既然如此,不如我直接发个微信得了,还要⽤量⼦通信⼲吗?
所以,只有聪明⼈才能看出,量⼦通信真正的威⼒。
⽆条件安全,可能吗?
每次我和朋友聊起「⽆条件安全」的量⼦通信,⼏乎所有⼈都认为我在吹⽜。
⼤多数⼈直觉上认为,凡事⽆绝对。
你说破解难度很⾼,OK;说 99.99% 安全,或许吧;但打死我也不信,世界上存在⽆懈可击的东西。
但是他们忘了,绝对安全的加密通信,其实早在 75 年前就被发现了。1941 年,信息论的祖师爷⾹农,在数学上严格证明了:不知道密码就绝对⽆法破解的安全系统,是存在的。
⽽且,更令⼈惊讶的是,这种绝对安全的密码出⼈意料的简单
——只需符合以下 3 个条件:
⼀次⼀密:每传⼀条信息都⽤不同的密钥加密,断了敌⼈截获⼀本密码本后,⼀劳永逸的妄想;随机密钥:⽣成的密钥是完全随机的,不可预测,不可重现,破解者更不可能猜出规律,⾃⼰⽣成所有密钥;
明密等⻓:密钥⻓度⾄少要和明⽂(传输的内容)⼀样⻓, 破解者穷举所有密钥,相当于穷举所有可能的明⽂。
谁要是有本事通过穷举猜出明⽂,还来劳什⼦破解密钥⼲吗?
奇怪的是,⾹农发明「⽆条件安全」的 75 年后,我们居然还没能⽤上这个⿊科技。因为在当时的技术条件下,要同时符合这 3 个要求根本不可能!
先说「随机密钥」:请计算机程序 rand() ⽣成的随机数其实 并不是真正的随机, 理论上,如果知道已经产⽣的随机数,就有可能获得接下来的随机数序列(可预测)。
再看「明密等⻓」:如果我能轻松吧这么⻓的密钥安全地发送给对⽅,为什么不⼲脆发送明⽂呢?这样岂不是多此⼀举?
最后「⼀次⼀密」:每发⼀次信息就要更新密钥,但通信双⽅
⼜不能天天⻅⾯接头,否则还要加密通信⼲什么?
然⽽,在不计成本的最⾼级别通信场合下,「⼀次⼀密」还真的⽤上了。
⽐如先编写⼀部超级⻓的密码本,派特⼯直接交到对⽅⼿⾥, 然后双⽅就可以暂时安全通信了。
仅仅是暂时。
密码本⽤完之后,特⼯⼜得出动再送⼀本新的……(007:你以为我是快递⼩哥吗?)
就这样,我们研究了 75 年的密码学,什么对称加密、⾮对称加密(RSA)和⿊客们展开了⽆数次「道⾼⼀尺魔⾼⼀丈」的攻防
⼤战……
直到我们遇⻅了⾹农 75 年前预⾔的密码学终极形态:⽆条件安全的量⼦通信。75 年前没有⼈能想到,那些「看上去⼏乎不可能实现」的三⼤要求,简直就是为量⼦通信量⾝定做的。
就拿最简单的量⼦通信协议——孪⽣粒⼦的量⼦纠缠来举个例⼦:
随机密钥:服务器⽣成⼀对孪⽣粒⼦ A 和 B,分别发送给通信双⽅。注意,A、B 被观测后的⾃旋状态是完全随机的,不要说敌⼈,就连⾃⼰⼈都看不出规律来!。明密等⻓:要发送的「正正反反」是明⽂编码,量⼦通信随机产⽣的「反正反正」相当于密钥,微信发送的纠错码「错对对错」是加密后的传送内容。此时,正⽂、密钥、纠错码,三者的⻓度完全相同。⼀次⼀密:为了发送 4 个⽐特的明⽂编码「正正反反」,服务器总共⽣成了 4 次随机密钥,每次传输 1 ⽐特明⽂,都有 1⽐特密钥保驾护航。此时,破解的可能性,不是万分之⼀,也不是亿万分之⼀,就是 0。⽽且,最令⼈不可思议的是,量⼦通信不仅⽆法破解,还⾃带反窃听属性。就算敌⼈截获了每⼀次密钥,同时拿到了
「正正反反」「反正反正」「错对对错」三条信息,量⼦通信仍然是安全的!
下⾯,就是⻅证奇迹的时刻。
反窃听,掌握主动权
量⼦通信为啥能反窃听?
因为量⼦世界三⼤定律之⼀:测不准原理。
如果敌⼈想要截获量⼦密钥,必须先截获 A、B 两个纠缠态粒⼦,然后测⼀下⾃旋态。问题就出在这⾥。
量⼦态不是先天决定的,⽽是被你的测量决定的:你测了,它就从魔法般的量⼦纠缠态,变成平淡⽆奇的确定态了。
还记得前⾯提到的⼯程师⻉尔吗?
他发明的「⻉尔不等式」原理,就是⽤来检测纠缠态粒⼦之间是否存在「超距作⽤」。
当被敌⼈测过的 A、B 粒⼦到达我们的同志⼿中,他们只要做⼀件事,就能看出量⼦密钥是否被动过⼿脚:⽤阿斯派克特实验验证⻉尔不等式——如果发现 A、B 之间的超距作⽤已然消失,只能说明⼀件事:在我⽅测量之前,已经有⼈测过了。
虽然在原理上,通过验证⻉尔不等式已经⾜以确保信道的安全,然⽽在实际应⽤中,做阿斯派克特实验实在太⿇烦了。
所以量⼦通信卫星「墨⼦号」⽤的是更先进的量⼦密钥分配协议——BB84 协议。和原版量⼦纠缠通信的不同之处在于,它利⽤光⼦的偏振⽅向(⽽⾮⾃旋态)产⽣随机化的 0 和 1(量⼦⽐特)。
当然,BB84 的安全性同样依靠量⼦「测不准原理」:窃听者对量⼦信号的测量会改变信号本⾝,导致接收⽅收到的信号中乱码⼤增,从⽽暴露了⾃⾝的存在。
从军事的⻆度来说,⽐⽆法破解的通信更安全的,是⽆法窃听的通信;⽐⽆法窃听的通信更安全的,是能发现窃听者的通信;⽐能发现窃听者的通信更安全的,是我能发现有⼈窃听, 但窃听者却不知道被我发现了的通信。
「不被窃听」很重要,「发现窃听者」很重要,这些都容易理解,但为什么「窃听者不知道被我发现」更重要呢?
因为,如果窃听者不知道他已经暴露了,我军可以将计就计, 故意发⼀些假消息引君⼊瓮!把谍战的主动权抓到⾃⼰⼿中, 在军事上,⽐被动地单纯反窃听更管⽤。
就拿⼆战的逆转战役「诺曼底登陆」来说,其实希特勒早就料到盟军会把赌注押在诺曼底,但盟军情报部⻔⽤了⼀年的时间给德军传送假情报,发出⼏千封加密电报供德军破译,硬是忽悠得元⾸⼤⼈连⾃⼰都不相信了。
量⼦通信就属于第三种:「我⽅可以轻松发现窃听,⽽窃听者却不知道被我发现」的加密通信,⽽且是当今所有已知加密⼿段中,唯⼀能做到第三层次的技术。
当然,窃听者也知道量⼦通信的厉害。正因为如此,没有哪个间谍敢随便窃听量⼦通信的信息,就算窃听到了也没⼈信:我怎么确定这次窃听到的情报不会把元⾸坑死?
⽽攻击量⼦通信的唯⼀⽅法,不是窃听、破解,只能是⼲扰: 例如⽤强激光照射接收器将其「致盲」,量⼦信道被⼲扰成乱码,把敌我双⽅拉回到同⼀起跑线。
毕竟,量⼦通信的特⻓是反窃听,⽽不是抗⼲扰。
但这称不上是量⼦通信的弱点。其他所有传统通信⽅式,在⼲扰下都会难以为继,「⽆条件不受⼲扰」的通信,⽬前还没发明出来呢。
最强之⽭与最强之盾
量⼦通信卫星「墨⼦号」上天之后,⽴刻遭到了某些⺠科的抵制。
有说阴谋论的,有说浪费纳税⼈钱的,就是没有⼀个能说清量⼦通信究竟是怎么回事。
不过,在这群流⾔之中,让我印象最深的,是⼀个⽹友的发帖。
前 4 个问题,看完前⾯的内容,读者应该都可以⾃⼰回答了。不过,起码⼈家还说对了⼀点:「⽬前的加密系统早就超过实际所需了,你啥时听过有银⾏是因为信息窃听被破解的?」
讲真,⽬前的加密系统并不是没法破解,⽽是破解成本太⾼。就拿银⾏最常⽤的⾮对称加密算法 RSA 来说,2009 年,为了攻破⼀枚 768 ⽐特的 RSA 密钥,⼀台超级计算机⾜⾜算了⼏个⽉,这⼏乎是当今计算机性能的极限!
虽然理论上,RSA-768 已不再安全,但由于 RSA 算法的破解难度随着密钥⻓度指数级上升,所以让 RSA 再次固若⾦汤⾮常简单:把密钥位数加⻓到 1024 ⽐特,就会让破解时间增加 1000多倍。
其实,现在⽹上交易最普遍的 RSA 密钥,⾄少是 2048 ⽐特。然⽽,在互联⽹时代⼤获成功的 RSA 加密,真的能让我们⾼枕⽆忧地⽤上 500 年吗? 未必!
RSA 加密的前提是「加密容易解密难」。在 RSA 的核⼼算法中,⽤到了⼤数因式分解:把两个素数相乘(A*B=C),⽐把这个乘积 C 做因式分解还原出 A 和 B 容易得多,数字 C 的位数越多,因式分解的时间就越⻓。
你可以挑战⼀下:
但是,有没有这样⼀种可能:随着算⼒越来越强,解密的时间越来越短,会不会有朝⼀⽇再⻓的密码都可以秒破呢?甚⾄, 有没有可能出现,解密的速度⽐加密还快的尴尬局⾯?
这就是困扰计算机系的同学们 50 年的经典问题:P 是否等于NP?
P 就是能在多项式时间内解决的问题,NP 就是能在多项式时间验证答案正确与否的问题。抛开复杂的定义不谈,P=NP 实际上问的是:如果答案的对错可以很快验证,它是否也可以很快计算?
⼀开始⼈们觉得,P 显然不等于 NP。
⽐如,「找出⼤数 53308290611 是哪两个数的乘积?」很难, 但要问「224737 是否可以整除 53308290611?」这⼩学⽣都会算。
在密码学领域,这正好是我们想要的结果:加密(相乘)容易解密(因式分解)难。
如果 P=NP,就势必存在⼀种算法,使得对 53308290611 做因式分解和验证 224737 是否是因⼦⼀样快(加密和解密同样容易)。
如果 P 真的等于 NP,为什么这么多年,都没⼈想出这种逆天的算法呢?
然⽽,令⼈细思恐极的是,我们⾄今还没法严格证明 P 不等于NP,反⽽有⼈发现,在某种特定的计算模型下: P=NP 竟然是成⽴的!
这种 「特定的计算模型」 叫作 量⼦计算机 。和⾮ 0 即 1 的传统计算机不同,量⼦计算机的「量⼦⽐特」可以处于「既是 0⼜是 1」的量⼦态。
在量⼦世界,这种不可思议的「既死⼜活」,反⽽是最平常的现象:量⼦叠加态。还记得薛⽼师那只不死不活、⼜死⼜活的混沌猫吗?
量⼦叠加,使得量⼦计算机具有传统计算机做梦都想不到的超能⼒:
在⼀次运算中,同时对 2^N 个输⼊数进⾏计算。举例说:
如果变量 X=0,
运⾏ A 逻辑;
如果变量 X=1, 则运⾏ B 逻辑。
这种最普通不过的条件判断程序,在传统计算机内部,永远只会执⾏ A 或 B 的⼀种逻辑分⽀,除⾮把 X=0 和 X=1 的两种情况各运⾏ 1 次(共运⾏ 2次)。
但对于量⼦计算机,A 和 B 在⼀次计算中就同时执⾏了,因为变量 X 是量⼦叠加态,既等于 0,⼜等于 1,这就意味着,普通计算机要算 2次的程序,量⼦计算机只需算 1 次。如果把量⼦⽐特的数量增加到 2 个: 如果变量 X=00,运⾏ A;如果变量 X=01,运⾏ B; 如果变量 X=10,运⾏ C; 如果变量 X=11,运⾏ D。
有了 2 个量⼦⽐特,普通计算机要算 4 次的程序,量⼦计算机也只要算 1 次。
如果把量⼦⽐特加到 10 个,那么普通计算机要算 2^10=1024次,或⽤ 1024 个 CPU 同时算的程序,量⼦计算机只需要⽤ 1个 CPU 算1 次。
看出问题的严重性了吗?
把量⼦⽐特加到 100 个以上,那么,当今地球上 所有计算机同时运⾏ 100 万年的⼯作量,量⼦计算机⼲完只要⼏分钟!
对于曾经需要消耗巨⼤算⼒才能破解的 RSA 加密,这是⼀个灾难性的未来。
1994 年,全球 1600 个⼯作站同时运算了 8 个⽉,才破解了129 位的 RSA 密钥。若⽤同样的算⼒,破解 250 位 RSA 要⽤
80 万年,1000 位则要 10^25 年——⽽对于量⼦计算机,1000位数的因式分解连 1 秒钟都不到。
在量⼦计算机的最强之⽭⾯前,现在最流⾏的 RSA 加密将⽆密可保,所有基于 RSA 的⾦融系统将瞬间变成透明⼈。
唯⼀能防住量⼦计算机的,只有最强之盾:量⼦加密通信。
和 RSA 等依赖计算复杂度增加破解成本的加密⽅式不同, 量⼦
加密通信是「⽆条件安全」的,对量⼦计算机的恐怖计算能⼒先天免疫。
虽然量⼦⽐特的制备极为困难,⽬前最⾼纪录只有可怜的 5 个量⼦⽐特,但谁也不知道,量⼦计算机的爆发——或者说传统加密的末⽇,将会在何时到来。
这就是为什么,在⼴⼤⼈⺠群众⼀⽚「看不懂」的声⾳中:量⼦通信卫星「墨⼦号」上天了;京沪量⼦通信⼲线快建成了;
⼯商银⾏在北京⽤上了量⼦通信做同城加密传输;阿⾥云的数据中⼼已经在⽤量⼦通信组⽹。
暂时落后的欧盟,也信誓旦旦,要在 2018 年投⼊ 10 亿欧元做量⼦通信。
就连扎克伯格未满⽉的⼥⼉,都让他爹读《宝宝的量⼦物理学》。
你还觉得这种⾼深的学问,懂不懂也没什么关系,反正全世界
也没⼏个⼈能懂? 未来,已来。
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