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(共32张PPT)
量子通信与星际穿越
量子通信
什么是量子通信？
一种原则上不可被窃听的通信方案。
量子科学实验卫星(墨子号)
什么是量子通信？
这种通信基于量子力学的一种非常特殊的性质——“量子纠缠”
“量子纠缠”是什么？
这个就像是一个男生和一个女生谈恋爱（虽然这时候用“纠缠”这个词有点怪怪的）。
如果你不认识这个女生，但是你要是去问这个男生，你也能知道一些这个女生的信息；反过来，如果你问女生，她也可以告诉你一些这个男生的信息。
这说明信息是在这个男生和女生之间是共享的。
手套故事
1.0
现在，记住“量子纠缠”的重点是信息共享。
做个简单类比，我们来聊一个关于手套的故事。
北京
？
？
波士顿
伦敦
随机分配
超光速？！？
当你打开波士顿的盒子的一瞬间，你就知道了在伦敦的盒子里的手套是左还是右。它们的距离是5000多公里，但是你却在一瞬间知道了这么遥远的信息。超过光速的了吗？！
好像有点不对劲？
实际上，在伦敦的人并不能用它来传递任何信息。这个手套的分配是随机的，他不能控制每次你打开的手套是左还是右。
但是，手套的确是“纠缠”的！
信息传递的
基本姿势
一般来说，我们经典的信息传递都会有信息复制这个过程。
比如说，你的朋友给你让你发微信告诉她你的手机号。你首先是查看一下你的手机号，然后复制粘贴到微信里发给她。所以信息传递之前都会先复制，然后用某种方式发送出去。
这个发送的过程肯定是没有超过光速的。
可是，如果你的信息在量子态里，而你想要把这些信息传递出去，一个著名的定理告诉我们：任何量子态都是不能复制的。也就是说，“复制+传递”在量子通信里是不可能的！
额，你说的每个字我都认识，但是好像并不懂你在说啥？！
我们先来了解下什么是“经典态”
量子态？
“量子态”允许我们换个方式打开盒子。
50%
50%
50%
50%
观测量子态
=
破坏量子态
“打开盒子”代表对量子态做了一个观测。
但是一旦观测了量子态，量子态就会“坍缩”，也就是说量子态发生了变化。
如果我们以球的颜色作为我们存储的信息，一旦我们去查看这个信息，这个信息就被破坏了。而且我们只得到了观测的结果。
“任何量子态都是不能复制的”这个定理大致就是因为，要复制一个态必须要获得这个态的信息，同时又不能破坏它，这是不可能的。
那我们能不能不读取信息就把它传递出去呢？
当然可以！
量子纠缠态
“量子纠缠态”就是两个盒子以同样方式打开，颜色一致。
？
？
50%
50%
50%
50%
薛定谔的猫
薛定谔的猫，就是一种很特别的纠缠态。它把一只猫和一个不稳定的原子的状态纠缠在一起。
猫死,衰变
50%
猫活,不衰变
50%
+
=
既死又活的猫
手套故事
2.0
记得北京发出来的手套都是成对的。
我们可以利用这个“纠缠”特征来看一个高级的手套故事。
北京
波士顿
伦敦
=
换
X
不换
X
不换
?
?
?
手套配对检测机
?
?
?
?
?
?
“=,
X,
X”
手套交换机
“=?还是X?”
手套故事
2.0
全程并不需要知道最初的信息是什么！
仅仅根据手套是否配对上，你并不能从中得知最初的信息。
独特优点：无法窃听！
信息传递成功，但是没有超光速！
北京
波士顿
伦敦
=
X
X
换
不换
不换
手套配对检测机
手套交换机
“=,
X,
X”
右
左
右
盒子版的量子故事
+
-
+
-
50%
50%
1)
2)
3)
4)
根据收到的号码，对应4个操作，使得盒子里的量子态变成和原先一样。
1?
2?
3?
4?
？
？
密
北京
伦敦
波士顿
真实的
量子通信
目前的量子通信实验效果最好的就是光子。光子，顾名思义，就是用来描述光的微观粒子。光子的速度是光速。每个光子有两个量子状态，称为“左旋”和“右旋”。就像手套的左右，或者球的红绿色一样。
我们可以把两个光子制备在纠缠态中。这时，当一个是“左旋”另一个也是“左旋”；当一个是“右旋”另一个也是“右旋”。
将这两个光子从北京分发给波士顿和伦敦。
波士顿把收到的光子和另一个编码了信息的光子放在一起测量。总共可以有四种测量的结果。任何一个测量的结果都不会使我们知道这个编码的信息是什么（就像手套是否配对不会泄露信息一样）
波士顿把测量结果发给伦敦。伦敦就可以根据4种结果对手里的光子做一个对应的操作，便可以得到波士顿最初编码的那个量子态。
这和手套故事2.0非常相似！
墨子号
墨子号卫星是世界上第一颗成功把足够多对纠缠的光子分发到两个非常遥远的地方的卫星。这建立了量子通信的基础！
星际穿越
广义相对论里的时空
根据广义相对论，时空就像一张弹性的薄膜。重的星球会让时空弯曲得越厉害。运动的重的星球还会在时空的“薄膜”上形成波浪，这就是引力波。
黑洞
黑洞非常的重和致密，以至于时空被压出了一个无限深的“洞”。这个洞的大小被称为“视界”。任何在视界里的东西（包括光）都无法从里面逃出来。如果地球被压缩为一个黑洞，那么他的半径只有9cm。
虫洞
广义相对论里存在一个特殊的时空：两个黑洞被一个虫洞连接。这种时空里，两个黑洞处于量子纠缠的状态！
一个一般的虫洞时空就像宇宙中很远的两个点被一条近路所连接。这就像是苹果上的一条虫蛀的洞，它可以让虫用更容易的方式从苹果表面的一个点爬到另一个点。
星际穿越
在星际穿越的电影中，宇航员必须跳进黑洞才能穿越虫洞。
虫洞在黑洞的视界之后将两个黑洞连接在一起。这意味着如果两个人分别跳进两个黑洞，那么他们会在视界之后相遇。
但是，由于光也无法穿越视界，所以黑洞外面的人看不到这俩人的相遇。
同样的，这俩人相遇之后，却无法逃脱出来，他们会被黑洞巨大的潮汐力所撕碎。所以，这样的虫洞其实是不可穿越的。所以如果你超级勇敢跳进黑洞，那应该会成为一位悲情英雄！
不可穿越的
虫洞
罗密欧与朱丽叶的新式殉情
视界
星际穿越
实用指南
好像有点冷~那，怎样才能弄出一个可以穿过去的虫洞呢？
其实答案既简单又困难！你需要找到一些奇异物质（exotic
matter），这些奇异物质具有负的质量。我们知道时空会因为物质的质量而弯曲。所以，这样的奇异物质就会支撑一个“奇异”的带有可穿越的虫洞的时空。
一个简单的解释。万有引力告诉我们，任何两个（正质量）物体的引力都是相互吸引。但是如果我们存在负的质量，那么一正一负相互之间就是排斥力。这个排斥力就是相当于“推一把”，把星际飞船推出视界。
听起来感觉很玄乎啊
负质量简直太奇怪了！如果你有幸获得一些，恭喜！你可以为直接吃掉它，立即减肥了！
那怎样才有可能呢？我们都知道，在经典的世界里，负质量几乎是不可能的。然而，在量子世界里，我们却可以很容易获得一些量子效应，使得它们产生“等价的负质量”。
比如，一个著名的量子效应“卡西米尔效应”，两块金属板中的真空的能量并不是零，而是一个负值。
量子效应产生
可穿越虫洞！
在我最近和Daniel
Jafferis教授和Aron
Wall的论文中，我们研究了连接两个黑洞的虫洞中的一个特殊的量子效应。令人惊喜的是，我们发现这个虫洞恰恰可以被“等价的负质量”效应给打开！而这个“负质量”的产生方式在量子力学里也非常容易。我们只需要在这两个黑洞之间加一点相互作用就好了。
所以，我们的星际飞船可以出发啦！
等等！
不过，在给大家讲《星际穿越实用指南》之前，为什么我要“浪费”时间来讲量子通信和那些麻烦的手套故事呢？
那是因为，我们的文章的一个更有趣的结果是，这个量子的可穿越虫洞看起来和量子通信是同一件事！
波士顿利用北京分发的一对纠缠的光子，把手里的信息送到伦敦的过程，就很像这个信息从波士顿进入了某个（假想的连接波士顿和伦敦的）虫洞，然后重新出现在了伦敦！
换句话说，可穿越虫洞可以被看做是量子通信过程的另一种描述，不过它使用的是弯曲时空的语言！
在最近我和Daniel
Jafferis的一篇论文中，我们基于一个具体的模型，将二者的关联做了详细的分析，并阐明这个结论。
等等！
求解释！
之前已经告诉大家，两个被虫洞连接的黑洞，这样的时空里，两个黑洞（A和B）是处于量子纠缠的状态。这就好比用于量子通信的两个纠缠的光子。
我们考虑的产生“等价的负质量”的量子效应恰恰可以分解为和量子通信同样的三个步骤。
1）在黑洞A测量一下；
2）把测量结果发送给B；
3）基于收到的测量结果，在黑洞B那里做一个量子操作；
4）得到一个可穿越虫洞。
回忆一下
手套故事
2.0
1,
手套配对检测=黑洞A做测量
2,
发送检测的结果给B
3,
手套交换机解密=黑洞B处的量子操作
4,
量子通信可穿越虫洞
北京
波士顿
伦敦
=
换
X
不换
X
不换
?
?
?
手套配对检测机
?
?
?
?
?
?
“=,
X,
X”
手套交换机
“=?还是X?”
简要总结
量子态和量子纠缠
量子通信（手套的故事）
时空因为天体的质量而变得弯曲
虫洞是一个特殊的时空，它连接两个黑洞。两个黑洞处于量子纠缠的状态。
可穿越虫洞需要“负质量”的奇异物质
量子效应可以提供“等价的负质量”，使得不可穿越的虫洞变得可穿越。这个可穿越虫洞和量子通信本质上是一致的。
谢谢！

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