书名：大话量子通信pdf/doc/txt格式电子书下载

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作者：张文卓著

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2020-06-01

书籍编号：30618675

ISBN：9787115535597

正文语种：中文

字数：140463

版次：1

所属分类：计算机-网络通信

图书在版编目（CIP）数据

大话量子通信/张文卓著. --北京:人民邮电出版社,2020.6

(新大话信息通信丛书)

ISBN 978-7-115-53559-7

Ⅰ.①大… Ⅱ. ①张… Ⅲ.量子力学-光通信 Ⅳ. ①TN929.1

中国版本图书馆CIP数据核字(2020)第045614号

著　　　　张文卓

责任编辑　李　强

责任印制　彭志环

人民邮电出版社出版发行　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编 100164　电子邮件 315@ptpress.com.cn

网址 https://www.ptpress.com.cn

北京市艺辉印刷有限公司印刷三河市中晟雅豪印务有

开本：800×1000　　1/16

印张：13.25　　2020年6月第1版

字数：151千字　2020年6月北京第1次印刷

定价：59.00元

读者服务热线：( 010) 81055493 印装质量热线：( 010) 81055316

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广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

内 容 提 要

本书介绍了量子力学的发展历史，回顾了人类的第一次信息革命，展望了以量子通信和量子计算为代表的第二次信息革命。并先后介绍了量子通信各分支的原理、量子通信实用化进程、“墨子号”量子科学实验卫星，以及澄清了一些对量子通信的误解。

本书适合对量子通信感兴趣的广泛读者阅读，可作为量子通信领域从业人员的入门读物，也可作为学生的课外科普读物等。

前 言

非常感谢人民邮电出版社邀请我写这本《大话量子通信》，很荣幸成为《新大话信息通信丛书》的新晋一员。

我在读博士及做博士后期间从事的是量子光学和冷原子物理领域的工作。冷原子是实现量子信息中量子精密测量的一个重要手段，例如，我的博士课题就是星载冷原子钟的核心技术漫反射激光冷却原子。后来，这个技术经过日积月累已经趋于完善，计划在下一代北斗导航卫星上进行测试和应用。同时冷原子系统也是量子计算的众多实现方案之一，有望实现高温超导原理的量子模拟。

2014年9月，我结束了在丹麦国家量子中心的博士后工作，回国加入了中国科学技术大学上海研究院的中科院量子信息与量子科技创新研究院。在这里，我开始系统性地投入量子通信领域的研究和产业化工作之中。这些年来，我有幸见证了同事们夜以继日地研制“墨子号”量子科学实验卫星，以及“墨子号”的发射升空后开展的艰苦卓绝的实验，最终让中国在空间量子通信领域拥有了明显的领先地位。

这一阶段我为量子通信的宣传做了很多工作，撰写了很多时效性的科普文章，这些内容横跨量子通信和量子计算领域，在互联网的很多平台上得到了广泛的传播，其中有《划时代的量子通信——写给世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”》《阿里巴巴投资研究量子计算，有什么用？》《获得国家自然科学一等奖的“多光子纠缠和干涉度量学”是什么？》《真假美猴王剧情如果反转，量子力学怎么看？》《关于中美“量子霸权”之战，库叔强烈推荐这篇烧脑的文章！》等。

由于本书面向的读者群体十分广泛，大部分非物理专业的读者对“量子”这个词不是十分了解，因此第1章主要介绍了“量子力学”的发展历史；第2章介绍了当今世界各种信息技术背后用到的量子力学原理，希望读者们能够正确地了解“量子”一词；第3章和第4章分别介绍了第一次信息革命和第二次信息革命的内容，相互可作为对比，让读者看到整个信息技术发展的全貌，以及量子通信在第二次信息革命中的定位。

从第5章开始，本书集中介绍量子通信核心内容。第5章介绍了量子通信各个分支的基本原理和现状；第6章进一步介绍了已经实用化的量子通信技术的原理和在世界各地的应用情况；第7章集中介绍了我国的“墨子号”量子科学实验卫星，即世界上第一颗空间量子通信卫星的系统组成和功能；第8章直接面对其他领域对量子通信的争议，澄清了很多对量子通信的误解。

2019年年底，在刚刚完成本书写作的时候，我怀揣着实现国产高端通用科研仪器的目标离开了所在团队，开始了艰苦的创业过程，自然也希望在量子信息产业化的道路上做出自己的贡献。这个从学术界走向产业界的转型离不开诺伊斯等物理学家塑造硅谷的故事对我的鼓舞，相关故事可见本书第3章“硅谷传奇”一节。

由于量子通信是新兴的科技前沿技术，再加上作者能力有限，本书内容难免有所疏漏，欢迎各位读者、专家不吝赐教。

最后，感谢科大国盾量子技术股份有限公司、国科量子通信网络有限公司、中国科学技术大学上海研究院墨子沙龙为本书写作提供的帮助。

谨以此书献给我还未满周岁的儿子张佳信，希望他成年后就能享受到量子信息革命的丰硕成果。

张文卓

2020年3月于北京

第1章 什么是量子

本书书名为《大话量子通信》，那么首先就需要解释“量子”这个词的来龙去脉。随着量子通信、量子计算等量子信息科学技术的迅猛发展，量子这个物理学名词已经受到全社会越来越多的关注。以至于在物理学和量子信息科技之外，出现了诸如“量子水”“量子理疗”“量子针灸”“量子鞋垫”等和量子毫无关系的虚假营销，就如同21世纪初“纳米”这个词所承受的虚假营销一样。

实际上“量子”这个词在物理学中已经有了一百多年的历史，而且它几乎主宰了整个现代物理学。本章的第1节将仔细澄清“量子”这个概念，进而区分它和光子、电子、夸克、中微子这些基本粒子。

本章的第2节将回顾从马克斯·普朗克（Max Planck）、阿尔伯特· 爱因斯坦（Albert Einstein），到尼尔斯· 玻尔（Niels Bohr）这些著名物理学家建立的早期量子理论的历史，讲述他们如何发现微观世界的物理本质是量子的，他们的理论如何为“量子力学”的最终建立奠定了基础。

本章的第3节将介绍量子力学的历史，从维尔纳 海森堡（Werner Heisenberg）的灵光一现，沃尔夫冈· 泡利（Wolfgang Pauli）的感悟，到埃尔温· 薛定谔（Erwin Schr dinger）写下他的方程，马克斯· 玻恩（Max Born）给出合理解释，最后到保罗· 狄拉克（Paul Dirac）的集量子力学之大成并与狭义相对论相结合。他们合力完成了物理学历史上最重要的一次革命。

本章的第4节将介绍20世纪的物理学家们如何在量子力学的基础上几乎构建了整个现代物理学，无论是自上而下发现一个又一个基本粒子，还是自下而上发现一种又一种量子现象，量子力学不但深刻地改变了物理学，也深刻地改变了世界。

1.1 量子约等于现代物理学

1.1.1 世界是由量子组成的

物理学家理查德· 费曼（Richard Feynman）曾经说过，如果人类现代文明毁灭了，只能够留下一句话给后世人类，应该留下哪句话？他选择了“世界是由原子组成的”这句话，因为这句话揭示了世界是可以分解为最小组成单元的，代表了物理学中刨根问底的“还原论”思想，也是人类科技最重要的认识。

“世界是由原子组成的”，这是源于古希腊伟大的唯物主义哲学家德谟克利特（Democritus）的思想，长期以来只能作为哲学思辨而存在。自17世纪艾萨克· 牛顿（Isaac Newton）建立了经典物理学并提出了微粒学说以来，18 世纪约翰· 道尔顿（John Dalton）根据化学反应的现象提出了全新的原子论，同时路德维希· 玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）发现只有认为世界是由原子组成的，统计物理学才能成立。随着19 世纪末约瑟夫· 约翰· 汤姆逊（Joseph John Thomson）发现了电子，物理学家开始畅想原子是什么样子。20 世纪初，欧内斯特· 卢瑟福（Ernest Rutherford）的团队发现原子是核式结构，而正是此时，物理学家们发现经典的牛顿力学已经无法解释原子的稳定性了。

20世纪初，普朗克发现只有电磁波（光）是量子化的，才能解释黑体辐射现象，5年之后，爱因斯坦把这个思想用在了解释光电效应上，一举解决了自牛顿以来光的微粒说和波动说的争端。又过了10年，玻尔用了源自普朗克的量子化思想，解决了原子的稳定性问题。这就是早期的量子理论，本章的第2节将介绍这段历史。而随后发展的量子力学，不但彻底解决了原子的稳定性，而且也一步步揭示了原子是由更基本的不可分割的粒子组成的，即“基本粒子”，其中夸克组成了质子和中子，质子和中子组成了原子核，原子核和电子组成了原子，具体如图1-1所示。本章的第3节将介绍量子力学的历史。

图1-1 基本粒子组成了万物

“量子”和光子、电子、夸克、中微子等基本粒子，以及原子、分子等复合粒子的概念不在一个层面上，它是一个更为广泛和基础的概念。量子力学告诉我们在微观世界中，很多物理量，如能量、动量、电荷等，都有一个不能再分下去的最小单元，这个最小单元就叫作量子。我们的宇宙布满了各种各样的“场”，这些场的量子就是基本粒子。这些基本粒子构成了质子、中子、原子、分子等各种各样的复合粒子，进而构成了我们的宇宙万物。从根本上说，这个世界是由量子组成的。

因为每一种基本粒子必定携带多个最小的物理量单元，于是量子这个词可以涵盖所有的基本粒子，同时也能涵盖那些带有一些最小物理量的复合粒子，因此我们可以放心地把“世界是由原子组成的”这句话改为“世界是由量子组成的”。

当然量子的神奇远不止于此，在微观世界中，经典力学不再适用，我们需要用“量子力学”来描述量子叠加态，以及波动性和粒子性的统一。20世纪初建立的量子力学是物理学史上最重要、最彻底的一次革命，量子力学和相对论也被誉为是现代物理学的两大支柱，但是由于量子力学的研究内容和相关领域要远多于相对论，支配了从基本粒子到宇宙繁星的各个方面，并且催生了人类的第三次科技革命（信息革命），因此“量子”这个词几乎可以等同于“现代物理学”。

1.1.2 超出人类想象的量子力学

量子力学深刻地颠覆了物理学家的世界观，这可以从两个方面来阐述。第一个方面就是存在量子叠加态，这是在人类日常的世界观中无法想象的状态。人类世界观的形成离不开自己的感官，那么感官看到的物体状态，丁是丁卯是卯，说一不二。经典力学为什么容易理解？就是因为它掌控着宏观世界，完全符合人类的感官常识，让人类看得见摸得着。

但量子力学掌控的是微观世界。当我们看一个基本粒子的时候，它就不是一个小颗粒了，而是一个量子化的波，它其实无处不在，即同时存在各个地方，这称为波函数。这就是量子叠加态的一种表现，即波函数是坐标空间本征态的一种叠加。所以当我说“一个基本粒子的大小是一个无限小的点，但是它同时存在于整个空间”时，听起来是多么不可思议，但是量子力学却告诉我们这是基本粒子真正的性质。在量子力学中，位置的叠加已经很不可思议了，而其他如动量的叠加、能量的叠加，更比比皆是。而“量子纠缠”就是量子叠加的一种，是两个或两个以上粒子组成的一种量子叠加态。当你明白了量子叠加态的存在，就不会对量子纠缠这种“遥远地点之间的诡异互动”感到不可思议了。第4章将会仔细讲解“量子纠缠”的概念。

量子力学与经典力学的关系可以理解为本质和现象的关系。所有的基本粒子都遵守量子力学，它们组成的原子、分子也要遵守量子力学，当原子越来越多，分子越来越大，系统变得越来越宏观，一些相互作用会导致量子特性逐渐被平均掉，我们称之为退相干，这种情况就可以用经典力学来描述了。换句话说，经典力学是量子力学到宏观状态的近似，物质世界本质上的存在方式是量子力学。《生活大爆炸》里的主人公谢尔顿（Sheldon）有一句台词，大概意思是他对量子力学感到兴奋，因为发现量子力学如同看到了赤裸的宇宙。从经典力学到量子力学的革命，如同拨开了宇宙万物神秘的外衣，看到了最真实的宇宙。

量子力学改变人类世界观的第二个方面就是确定性的丧失。量子力学出现之前，经典力学是完全决定论的，一切都是注定的，都是可以计算的。拿破仑时代的法国数学家皮埃尔-西蒙· 拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）把这个想法发挥到了极致，他认为如果有一个非常强大的智能生命，能够知晓宇宙现在一切的状态细节，那么就可以精确地计算出宇宙未来的一切，这就是拉普拉斯妖。到了近现代，经典力学出现了非线性动力学这个分支，这里最著名的现象就是混沌现象，尽管混沌现象看起来像是随机的，但实际上混沌现象的定义是“确定性系统展现出的随机现象”，它的本质还是一个决定性的系统，只是对初值非常敏感。如果宇宙完全按

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