为什么退出后登录不了了

BT零 回复了问题 • 3 人关注 • 1 个回复 • 967 次浏览 • 2019-08-15 08:31 • 来自相关话题

probe可以在win10上使用吗

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匿名用户 发起了问题 • 1 人关注 • 0 个回复 • 274 次浏览 • 2019-07-29 12:36 • 来自相关话题

BAND不显示

serios 回复了问题 • 3 人关注 • 2 个回复 • 490 次浏览 • 2019-07-15 22:06 • 来自相关话题

怎么可以看到自己的账号密码呢?

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朱帮富 发起了问题 • 1 人关注 • 0 个回复 • 395 次浏览 • 2019-07-03 09:48 • 来自相关话题

网优俱乐部怎么使用

BT零 回复了问题 • 3 人关注 • 1 个回复 • 483 次浏览 • 2019-06-21 02:22 • 来自相关话题

2个问题.望解答

BT零 回复了问题 • 2 人关注 • 1 个回复 • 354 次浏览 • 2019-06-18 08:20 • 来自相关话题

通信杂谈第9期:一只口红引发的物联网灵感

BT零 发表了文章 • 0 个评论 • 511 次浏览 • 2019-06-11 23:11 • 来自相关话题

这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。

点击此处收听:《通信杂谈第9期:一只口红引发的物联网灵感》https://www.ximalaya.com/keji/22777105/189948325

我在最近几期的大话5G专辑中提到了物联网的概念。很多听众要求我讲一讲物联网的发展史,那么我今天要给大家讲一讲物联网之父,MIT(麻省理工学院) 教授 Kevin Ashton(凯文·艾什顿)。当然如果大家对5G和物联网有兴趣的话,可以在喜马拉雅搜索“大话5G”收听,大话5G专辑是专门讲5G以及物联网的发展及相关技术的专辑。






好了,我们继续今天的话题。你要知道,物联网这个概念就是最早由Kevin Ashton提出来的,所以他被科技圈称为“物联网之父”,同时他也是 MIT“自动识别中心”的创始人之一,他一直希望实现物联网的自动化数据收集和协作决策,不再需要人为干预。
在他的努力下,不仅推广了 RFID 技术的应用,而且还让“物联网”的概念深入人心。

一、脱销口红引发的思考

说起来有些传奇,“物联网”这个概念的提出,居然来源于一款脱销的口红。
Kevin Ashton 教授1968年出生在英国的伯明翰。1995年,他和朋友打算创业,做一家面条快餐店,他当时就很有想法,想做一个“网红美食”的品牌,但那时互联网才刚刚起步,他的想法还太超前,其他创始人也没有钱投入互联网运营里,所以他最终选择了自己离开。

后来 Kevin Ashton 去了宝洁公司做品牌经理,(这个宝洁公司可不是我们通常所说的做宝洁卫生的公司哦,而是总部位于美国俄亥俄州的那个世界500强的日用消费品公司。向我们经常听到的欧莱雅、舒肤佳、汰渍洗衣粉这些耳熟能详的日用消费品品牌都是宝洁公司的。)

一开始开始,Kevin Ashton负责管理玉兰油的产品线。结果他发现自己负责的化妆品货架上,有一款棕色的口红持续缺货,补货也经常不及时。所以他就找到供应链人员进行核查,但管理人员却告诉他,这款口红在仓库有很多存货。




那这就奇怪了。如果换做别人,可能就打算加强人员管理来提高效率了,但 Kevin Ashton 却想,有没有一种技术可以从仓储到物流,再到货架,全流程追踪商品呢?
那样就能实现供应链更高效率的管理了。

说来也巧,恰巧在20世纪80年代到90年代的那段时间,英国的零售商们开始发行会员卡,当时在会员卡里面内置了一种新的射频技术,就是我们在大话5G专辑中提到过的无线射频识别技术 RFID,今天我们俗称它为“电子标签”的东西,它的原理是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,做到非接触式的识别。






当时一个制造商给 Kevin Ashton 演示了 RFID 芯片的工作原理。每一张电子标签中,都有一组铜线圈和一颗射频芯片。具体的工作原理是,通过一个无线电波发射装置向特定区域发射无线电波,这样就在这个特定的区域内形成一种特定的变化磁场。当带有RFID标签的物体进入这个磁场以后,磁场激发RFID标签内部的铜线圈产生感应电流,电流激活存放在电子标签中的射频芯片向外发送芯片中存储的信息,并由接收读取信息。

Kevin Ashton 一下子就被这种无线传输信息的技术吸引了。
在看完演示返程的路上,Kevin Ashton 就一直琢磨,他突然想到:
既然 RFID 芯片可以无线传输,那为何不把记录信息的芯片放到口红里,然后把芯片连网,这样就能在供应链的各个环节通过自动扫描,根据商品的位置判断,就能知道是否缺货,然后进行及时调整了。

于是 Kevin Ashton 就打算在宝洁的内部,分享自己对这件事的思考。
他一开始给自己的创新起了个标题是“Smart Packaging”(智能包装),也就是智能包装。

但他思前想后对标题不满意,他觉得既然要将设备连接到互联网上,那名称中还是要保留“Internet”这个词,但连接的又不是计算机,而是一个个物品,那不如索性创造一个词“Internet of Things”,这也就是今天大家熟知的物联网的英文名称了,简称就是 IoT。






之后,Kevin Ashton 在宝洁内部的演示很顺利,高管们也被这个想法吸引了,同意他在 MIT (麻省理工学院)创立研究项目,于是就有了 Auto-ID,也就是“自动识别中心”。

Kevin 和同行们一起制定了RFID的技术标准,并投入了大量的精力来降低价格。他们推出了电子产品代码(Electronic Product Code,EPC),还有通用产品代码条码系统(Universal Product Code,UPC),后来这两者逐渐成为了标准的 RFID 产品标签。

Kevin Ashton 从2000年开始对外介绍他们的工作,并逐步向世界传播物联网的概念。MIT(麻省理工学院)的“自动识别中心”成了全球领先的研究供应链自动识别和追踪的实验室。2003年后,自动识别中心已经有103名赞助商,共同致力于打造一个通用的物联网标准,并推广基于 RFID 的物品识别系统。

二、物联网的前世今生

前面我们讲了 Kevin Ashton 提出“物联网”概念的故事,但其实早在20世纪60年代,人们就制造了一种监控和数据采集系统(Supervisory Control And Data Acquisition),简称叫 SCADA 系统。






主要由分布式控制系统和电力自动化监控系统组成,主要用于工业和军事领域。由多个数据收集器或传感器组成,将收集到的信息发送给终端,然后终端把这些信息处理后再显示出来。

SCADA 系统现在看来虽然简陋,但它其实已经有了现代物联网的理念,只是当时靠人工来采集数据,传递给系统作为决策依据。虽然没有现在物联网便利,但它已经开始有了数据收集和决策处理的结构。

今天的 SCADA 系统,已经将物联网、编程技术、神经网络技术等集于一身,实现了信息数据的实时分析,该系统应用于电能量计量系统、地理信息系统、水调度自动化系统和办公自动化系统当中。

SCADA 系统的进一步发展,伴随着上世纪80年代 RFID 技术的成熟,才算真正开启了物联网时代。

其实,RFID 技术在第二次世界大战期间就出现了最早的雏形,比如,英国军队就利用无线电发射器,加上雷达识别,来识别敌军和友军的飞机。

二战后,科学家们将无线射频技术进行了完善,并开始了商用。
其中一个例子,就是应用在电子商品的防盗标签。对于这个应用,我们并不陌生,你去大型商场购物,如果商品没有在收银处买单,商品标签没有经过收银员处理,那你带着这个商品走出去时,门口的检测系统就检测到,立马会发出报警。

到了上世纪90年代初,大多数公司仍在采用几十年前的条形码,来进行商品的库存管理和跟踪。随着日用商品品类逐渐增多,条形码的弊端显示出来了,必须人工操作,每次只能识别小范围的条形码,条形码存入的信息无法更改,同种商品的条形码一样,无法区分同种商品的不同个体,而且一旦条形码被弄脏或脱落就无法识别。

而 RFID 的出现,就解决了这些问题,它能自动读取并追踪数据,每个商品的 RFID 序列号是唯一的,使用寿命长,不受商品表面的污损干扰。

正好 Kevin 了解到这项技术,于是就发生了前面讲的故事,他不仅用 RFID 解决了供应链管理的问题,还创造了“物联网”这个概念。

Kevin Ashton 认为 RFID 是物联网的先决条件,他构想了物联网的早期模型:
就是在为物品“标记”的基础上,为所有物品添加电子产品标签,用来取代商品条码,通过产品的电子标签,将物品信息连入互联网。

RFID 可以在非接触的情况下识别产品电子标签,于是计算机能够随时感应到任何地方的物品。因此程序可以方便地管理大量加装了电子标签的商品。

2000年之后,物联网的发展有了两股主要推动力:
•        一是,RFID 技术的大规模应用,构建了一个基于物流和供应链管理的物联网;
•        二是,智能手机的推广。手机上有大量的传感器,有 GPS、重力感应、红外感应、摄像头、环境光感受器等。每一个智能手机就是一个基于日常生活的物联网的集成设备。

而物联网发展的未来,不能只靠 RFID 和智能手机,它还需要更好的移动互联网、更高效的电源供应、更强大的云计算等等。

当然,物联网的演化仍然没有停下脚步。可穿戴智能设备、智能音箱等等,都在围绕人的日常生活展开的“智能家庭”环境里面逐渐丰富起来,而且将会实时收集海量个性化的数据,加之人工智能、5G 通信技术的普及,物联网很快将进入更个性化、更智能化的时代。

三、回归物联网的初心

但是,Kevin Ashton 认为,现在很多人混淆了物联网的概念, 简单的 App 并不是物联网,真正的物联网是由网络连接的感应器,能自动地捕获信息,自动分析信息,自行作出决定。需要机器具备自主学习、自主决策的能力,整个过程不再需要人的干预。






也就是说, 物联网的巨大优势是“感知”的运用,由传感器来主动产生信息和传输信息。人在这个系统中,将更少地参与信息的采集和分析工作,不必亲自关注的信息交换,而由机器来处理,从而将人从海量信息干扰中解放出来。

比如,目前空调无法自动感知环境,所以需要你自己去关注空调的运行状态,亲自去操作空调。这背后的逻辑,其实是你对“空调工作状态”及“家里空气状态”的信息要自己进行判断和处理。而目前通常的做法,就是用遥控器,或手机 App,或者语音实现对空调的控制。

但是按照 Kevin 的理念,真正的物联网,应该是在空调里集成更多类型的传感器,能够不间断地监测室内的温度、湿度、光照等环境的变化。比如它可以判断房间中是否有人、温度是否过高,并以此决定是否开启降温。

真正的物联网, 应该去关注物联网背后的概念,让产品更智能,让环境更智能,不再需要人对信息的处理,而是系统自动地、智能地为人类服务。

基于这个目标和需求,目前还有很多市场空间等待挖掘。关键在于,如何让这个系统自主学习、自主决策,让科技更智能地为人类服务。

好了我今天的节目就讲到这里。您要是喜欢,可以在喜马拉雅APP上关注本专辑。您将第一时间获取本节目的更新。
 

 
点击此处收听:《通信杂谈第9期:一只口红引发的物联网灵感》https://www.ximalaya.com/keji/22777105/189948325 查看全部
这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。

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我在最近几期的大话5G专辑中提到了物联网的概念。很多听众要求我讲一讲物联网的发展史,那么我今天要给大家讲一讲物联网之父,MIT(麻省理工学院) 教授 Kevin Ashton(凯文·艾什顿)。当然如果大家对5G和物联网有兴趣的话,可以在喜马拉雅搜索“大话5G”收听,大话5G专辑是专门讲5G以及物联网的发展及相关技术的专辑。

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好了,我们继续今天的话题。你要知道,物联网这个概念就是最早由Kevin Ashton提出来的,所以他被科技圈称为“物联网之父”,同时他也是 MIT“自动识别中心”的创始人之一,他一直希望实现物联网的自动化数据收集和协作决策,不再需要人为干预。
在他的努力下,不仅推广了 RFID 技术的应用,而且还让“物联网”的概念深入人心。

一、脱销口红引发的思考

说起来有些传奇,“物联网”这个概念的提出,居然来源于一款脱销的口红。
Kevin Ashton 教授1968年出生在英国的伯明翰。1995年,他和朋友打算创业,做一家面条快餐店,他当时就很有想法,想做一个“网红美食”的品牌,但那时互联网才刚刚起步,他的想法还太超前,其他创始人也没有钱投入互联网运营里,所以他最终选择了自己离开。

后来 Kevin Ashton 去了宝洁公司做品牌经理,(这个宝洁公司可不是我们通常所说的做宝洁卫生的公司哦,而是总部位于美国俄亥俄州的那个世界500强的日用消费品公司。向我们经常听到的欧莱雅、舒肤佳、汰渍洗衣粉这些耳熟能详的日用消费品品牌都是宝洁公司的。)

一开始开始,Kevin Ashton负责管理玉兰油的产品线。结果他发现自己负责的化妆品货架上,有一款棕色的口红持续缺货,补货也经常不及时。所以他就找到供应链人员进行核查,但管理人员却告诉他,这款口红在仓库有很多存货。
口红.jpeg

那这就奇怪了。如果换做别人,可能就打算加强人员管理来提高效率了,但 Kevin Ashton 却想,有没有一种技术可以从仓储到物流,再到货架,全流程追踪商品呢?
那样就能实现供应链更高效率的管理了。

说来也巧,恰巧在20世纪80年代到90年代的那段时间,英国的零售商们开始发行会员卡,当时在会员卡里面内置了一种新的射频技术,就是我们在大话5G专辑中提到过的无线射频识别技术 RFID,今天我们俗称它为“电子标签”的东西,它的原理是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,做到非接触式的识别。

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当时一个制造商给 Kevin Ashton 演示了 RFID 芯片的工作原理。每一张电子标签中,都有一组铜线圈和一颗射频芯片。具体的工作原理是,通过一个无线电波发射装置向特定区域发射无线电波,这样就在这个特定的区域内形成一种特定的变化磁场。当带有RFID标签的物体进入这个磁场以后,磁场激发RFID标签内部的铜线圈产生感应电流,电流激活存放在电子标签中的射频芯片向外发送芯片中存储的信息,并由接收读取信息。

Kevin Ashton 一下子就被这种无线传输信息的技术吸引了。
在看完演示返程的路上,Kevin Ashton 就一直琢磨,他突然想到:
既然 RFID 芯片可以无线传输,那为何不把记录信息的芯片放到口红里,然后把芯片连网,这样就能在供应链的各个环节通过自动扫描,根据商品的位置判断,就能知道是否缺货,然后进行及时调整了。

于是 Kevin Ashton 就打算在宝洁的内部,分享自己对这件事的思考。
他一开始给自己的创新起了个标题是“Smart Packaging”(智能包装),也就是智能包装。

但他思前想后对标题不满意,他觉得既然要将设备连接到互联网上,那名称中还是要保留“Internet”这个词,但连接的又不是计算机,而是一个个物品,那不如索性创造一个词“Internet of Things”,这也就是今天大家熟知的物联网的英文名称了,简称就是 IoT。

IOT.jpg


之后,Kevin Ashton 在宝洁内部的演示很顺利,高管们也被这个想法吸引了,同意他在 MIT (麻省理工学院)创立研究项目,于是就有了 Auto-ID,也就是“自动识别中心”。

Kevin 和同行们一起制定了RFID的技术标准,并投入了大量的精力来降低价格。他们推出了电子产品代码(Electronic Product Code,EPC),还有通用产品代码条码系统(Universal Product Code,UPC),后来这两者逐渐成为了标准的 RFID 产品标签。

Kevin Ashton 从2000年开始对外介绍他们的工作,并逐步向世界传播物联网的概念。MIT(麻省理工学院)的“自动识别中心”成了全球领先的研究供应链自动识别和追踪的实验室。2003年后,自动识别中心已经有103名赞助商,共同致力于打造一个通用的物联网标准,并推广基于 RFID 的物品识别系统。

二、物联网的前世今生

前面我们讲了 Kevin Ashton 提出“物联网”概念的故事,但其实早在20世纪60年代,人们就制造了一种监控和数据采集系统(Supervisory Control And Data Acquisition),简称叫 SCADA 系统。

SCADA.jpg


主要由分布式控制系统和电力自动化监控系统组成,主要用于工业和军事领域。由多个数据收集器或传感器组成,将收集到的信息发送给终端,然后终端把这些信息处理后再显示出来。

SCADA 系统现在看来虽然简陋,但它其实已经有了现代物联网的理念,只是当时靠人工来采集数据,传递给系统作为决策依据。虽然没有现在物联网便利,但它已经开始有了数据收集和决策处理的结构。

今天的 SCADA 系统,已经将物联网、编程技术、神经网络技术等集于一身,实现了信息数据的实时分析,该系统应用于电能量计量系统、地理信息系统、水调度自动化系统和办公自动化系统当中。

SCADA 系统的进一步发展,伴随着上世纪80年代 RFID 技术的成熟,才算真正开启了物联网时代。

其实,RFID 技术在第二次世界大战期间就出现了最早的雏形,比如,英国军队就利用无线电发射器,加上雷达识别,来识别敌军和友军的飞机。

二战后,科学家们将无线射频技术进行了完善,并开始了商用。
其中一个例子,就是应用在电子商品的防盗标签。对于这个应用,我们并不陌生,你去大型商场购物,如果商品没有在收银处买单,商品标签没有经过收银员处理,那你带着这个商品走出去时,门口的检测系统就检测到,立马会发出报警。

到了上世纪90年代初,大多数公司仍在采用几十年前的条形码,来进行商品的库存管理和跟踪。随着日用商品品类逐渐增多,条形码的弊端显示出来了,必须人工操作,每次只能识别小范围的条形码,条形码存入的信息无法更改,同种商品的条形码一样,无法区分同种商品的不同个体,而且一旦条形码被弄脏或脱落就无法识别。

而 RFID 的出现,就解决了这些问题,它能自动读取并追踪数据,每个商品的 RFID 序列号是唯一的,使用寿命长,不受商品表面的污损干扰。

正好 Kevin 了解到这项技术,于是就发生了前面讲的故事,他不仅用 RFID 解决了供应链管理的问题,还创造了“物联网”这个概念。

Kevin Ashton 认为 RFID 是物联网的先决条件,他构想了物联网的早期模型:
就是在为物品“标记”的基础上,为所有物品添加电子产品标签,用来取代商品条码,通过产品的电子标签,将物品信息连入互联网。

RFID 可以在非接触的情况下识别产品电子标签,于是计算机能够随时感应到任何地方的物品。因此程序可以方便地管理大量加装了电子标签的商品。

2000年之后,物联网的发展有了两股主要推动力:
•        一是,RFID 技术的大规模应用,构建了一个基于物流和供应链管理的物联网;
•        二是,智能手机的推广。手机上有大量的传感器,有 GPS、重力感应、红外感应、摄像头、环境光感受器等。每一个智能手机就是一个基于日常生活的物联网的集成设备。

而物联网发展的未来,不能只靠 RFID 和智能手机,它还需要更好的移动互联网、更高效的电源供应、更强大的云计算等等。

当然,物联网的演化仍然没有停下脚步。可穿戴智能设备、智能音箱等等,都在围绕人的日常生活展开的“智能家庭”环境里面逐渐丰富起来,而且将会实时收集海量个性化的数据,加之人工智能、5G 通信技术的普及,物联网很快将进入更个性化、更智能化的时代。

三、回归物联网的初心

但是,Kevin Ashton 认为,现在很多人混淆了物联网的概念, 简单的 App 并不是物联网,真正的物联网是由网络连接的感应器,能自动地捕获信息,自动分析信息,自行作出决定。需要机器具备自主学习、自主决策的能力,整个过程不再需要人的干预。

物联网.jpg


也就是说, 物联网的巨大优势是“感知”的运用,由传感器来主动产生信息和传输信息。人在这个系统中,将更少地参与信息的采集和分析工作,不必亲自关注的信息交换,而由机器来处理,从而将人从海量信息干扰中解放出来。

比如,目前空调无法自动感知环境,所以需要你自己去关注空调的运行状态,亲自去操作空调。这背后的逻辑,其实是你对“空调工作状态”及“家里空气状态”的信息要自己进行判断和处理。而目前通常的做法,就是用遥控器,或手机 App,或者语音实现对空调的控制。

但是按照 Kevin 的理念,真正的物联网,应该是在空调里集成更多类型的传感器,能够不间断地监测室内的温度、湿度、光照等环境的变化。比如它可以判断房间中是否有人、温度是否过高,并以此决定是否开启降温。

真正的物联网, 应该去关注物联网背后的概念,让产品更智能,让环境更智能,不再需要人对信息的处理,而是系统自动地、智能地为人类服务。

基于这个目标和需求,目前还有很多市场空间等待挖掘。关键在于,如何让这个系统自主学习、自主决策,让科技更智能地为人类服务。

好了我今天的节目就讲到这里。您要是喜欢,可以在喜马拉雅APP上关注本专辑。您将第一时间获取本节目的更新。
 

 
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通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(3)绝对安全的量子通信

BT零 发表了文章 • 0 个评论 • 496 次浏览 • 2019-06-01 09:04 • 来自相关话题

这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。


点击此处查看《通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(3)绝对安全的量子通信》
https://www.ximalaya.com/keji/22777105/187947813

前面我们用来两期节目来讲量子自世界中是没有时间和空间限制的特性。但是,“光速不变原理”也始终横在我们面前,不断粉碎着人们对瞬时通讯的梦想。但科学家们始终不懈的努力着,不断的研究量子世界的秘密。在对量子的研究过程中科学家们发现,“量子纠缠”特性虽然不能实现超光速通信,但是却是却可以用于信息的加密技术。






关于信息加密的问题,是我吗再熟悉不过的了。随着社会的发展,对信息加密的需求也在不断的提升。大到国家、军队的机密信息的传递,小到微信、支付宝的在线支付数据的传输,这些都在无时无刻的使用着各种加密技术。甚至是我们的234G移动通信系统中,对个人信息的保密需求和加密能力也在不断的提升。

我在读大学那会儿,对加密和解密技术有着浓厚的兴趣,曾经有段时间立志想做一个黑客。所以在利用毕业设计的机会把重邮图书馆里面的关于加密技术的书籍都翻了个遍。






信息加密技术自古以来就有,早期主要用于军事方面,要知道行军打仗和国家的机密信息,要是随随便便就被敌国窃取到了那是多么危险的一件事呀。一开始加密技术也很简单,例如把所有的信息在字母表上按照一定规律顺移,然后生成一对毫无意义的乱码发出去,接收方也是用相同的顺序顺移回来这样就可以还原信息的原文。要是信息被意外劫持了,劫持的人如果不知道顺移的规律是很难读懂原文的意思的,这样就实现了保密的目的。另外按照一定顺序把汉字或字母调换位置这些也是类似的一种加密方式。






一些谍战片里面我们也经常能看到,地下党或间谍们都会使用类似加密字典一样的密码本对电报信息对电报码进行加密,接收方会通过同样的密码本进行解密。要是电报被敌方监听到了,如果没有对应的密码本是很难解密的。所以通常谍战片里面都有保护我方密码本或窃取敌方密码本的桥段。但除了获取密码本以外还有没有办法对这些加密方法进行解密呢?答案当然是有的。我们人类历史上使用的几乎所有的些加密技术,基本上只要有足够的加密后的数据样本,都是可以通过数学方式把加密算法计算出来的。所以一般情况下,都会考虑尽可能的增加加密算法的难度,让对方即便是运算也要算很长的时间才能解密;另外一方面,就是为了不让对方获取足够多的加密样本,所以一般会每隔一段时间更换密码本或加密算法。这样就能尽可能的保证密码的安全新了。






到了二战时期,战略信息的保密性要求就更高了,一条信息的泄密甚至可能会决定整个战役的结果。例如二战时期著名的诺曼底登陆,这场战役的胜利,与盟军破解了德国的机密信息有关。这是因为,在二战时期的加密解密技术可是得到了空前的发展的,一开始德国人制造出了一种齿轮密码机,可以形成非常多的秘钥组合。在那个年代,这么高级的加密复杂度光靠人工计算是根本没有办法解密的。这玩意儿是高度保密的,而且齿轮密码机只要更换齿轮就能形成新的加密方式,所以基本上即便是截获了这种齿轮密码机也是没用的。所有后来为了破解德国人的加密,发明了计算机。并由英国著名的密码学家图灵研究了解密算法,并成功的破解了德国人的齿轮密码机。所以图灵也被称为人工智能之父。






又到了后来,计算机的性能得到了飞速的发展,一般的加密方式在面对如此强大的计算机面前已经是显得无能为力了。所以后来延伸出一种更复杂的加密方式,采用两个非常大的素数的乘积来对信息进行加密(素数是除了1和自己以外不能被其他数字整除的数字,加密时通常是几十位的很大的素数)。然后吧两个素数分成一个私钥、一个公钥。私钥自己留着,公钥发送给对方,用于解密时的逆运算。这样即便加密信息被劫持,对方要想解密,哪怕是使用最高性能的计算机也是要算很长的时间才可能被解开。

当然随着加密解密技术的发展,也派生出另外一种解密方式,例如现代的一些顶级的黑客,他们可以通过暴力穷举的方式来破解密码。也就是不去对加密以后的数据进行逆运算。而是通过一些常用的密码字典去一个一个的去对比。因为很多密码都是很有规律的,所以有经验的黑客可以生成那种命中几率很高的密码字典来。这种密码的破解方式比起直接计算算来说就要快很多。

所以到现在即便是让黑客把加密以后的信息拿走都不安全了。目前几乎所有的加密方式在数学面前,只要是有足够的时间和足够高性能的计算机都是可以被破解的。

而量子加密就不同了。前面两期我们都讲过,量子在不进行测量的时候是一种混沌状态,只有用相同的方法进行测量,才能得到一种统一的状态。而处于纠缠态的两个量子,一颗被观测以后。另外一颗将瞬间出现与之相反的状态。量子保密通信技术就是利用纠缠量子的这一特性,来实现加密的。具体的方式是,建立一个光量子发生器,利用前文中所提到的SPDC晶体将光子分裂成两组相互纠缠的光子,一组发给接收方,另一种自己留着,然后将自己留着的这一组光子进行观测,得到自旋状态以后,就利用和光子自旋方式有关的偏振滤镜,进行二进制编码。再把对应解码的观测方式告诉接收方,接收方按照这个方式去看另一组光子这样就能知道要传递的信息啦。

(根据光的自旋方式不同会呈现出4种偏振方式,及垂直运动的、水平运动的和正45度运动的,以及负45度运动的四种偏振方式)






偏振光应用的最常见的应用就是3D电影了。3D电影的影片是在拍摄时模拟人的左右眼睛视角,用两台摄像机分别进行拍摄,然后再后期将两种视角的影像通过垂直或水平偏振过滤以后再合成到一个画面中的。我们观看3D电影的时候带的那种3D眼睛,这种眼镜两个镜片,一个是只允许上下震动的光波穿过的,另一个是只允许水平震动的光波穿过的。相当于一种光学过滤器,每只眼睛就只能看到对应的画面,这样带上这种眼镜大家看到的就是一个立体场景。






光量子通信也是这种原理,例如我们观测以后,发现这颗光子上下震动的,那么我们就知道另外一个光子也是上下震动的只是方向相反而已,那么如果我们要利用这颗光子传递一个数字1,怎么办呢?我们就告诉对方你用垂直偏振滤镜来看吧,这样接收方听到通知以后,用垂直偏振滤镜过滤这个光子,就能在滤镜后面看到亮光。要是像给对方传递一个数字0呢怎么办?那就告诉对方用水平偏振滤镜来观看,这样对方就看不到亮光。这样就实现了信息的传递。

量子保密通信就是将:通过普通信道将翻译这组二进制编码的观测方法发给接收方。这样在公共信道上我们能够截取到的就是:第一颗竖着看,第二颗横着看、第三颗左斜45度看,第四颗右斜45度看。。。。。。这些信息,保证即便是被截取了,也根本不知道你要传的是什么信息。
 
另外一方面,即便是这一组处于纠缠状态的光量子被敌方截取到了。他要是不知道观测方式,看到的也仅仅只是量子的各种偏振状态,毫无意义可言。

那么有人会问,要是敌方同时截取到了那一组纠缠量子,以及对应的观测方式这不就可以看到信息了吗?
 
那我们前面讲过,量子因为太小了,一旦被观测就会改变原来的状态,而且量子是具有不可克隆性的。也就是说,发出去那一组纠缠量子一旦被截获,接收方要是收不到任何信息了。这样也就知道这一组信息被人窃听啦。只要在接收方的设备上加上这种检测仪器,例如有20%的光子丢失,或者20%的光子采用对应的偏振滤镜解析出现错误。就立即中断通信。这样就可以起到绝对安全的保密效果。

因为量子的状态时不可克隆的,所以从逻辑上就避免了被解密的可能性。量子通信的这种加密方式是1984年,物理学家Bennett和密码学家Brassard(贝内特和布拉萨德)提出的,利用“单量子不可克隆定理”实现密钥分发的方案,后来被世人称为BB84协议。






关于量子通信安全性的问题,前面已经论述了。量子通信加密技术是在数学上是绝对安全的。但是我们有没有可能对其进行破解和干扰呢?

有一些人曾经提出过一些破解方法,例如反正你都是进行光通信的,那么我通过强光进行干扰,不让你传输数据可以吧。或者我通过入侵你的系统,通过诱导旁路方式获取你的加密信息。首先这些攻击方式是物理上的攻击,并非质疑了光量子纠缠加密技术安全性的数学原理。
 
至少原来的加密技术在数学上和物理上都不安全,现在光量子纠缠加密技术是数学上绝对安全,物理上还在不断需要完善。例如,强光干扰的方式,可以通过加装光导滤镜的方式来隔绝干扰光束。这种东西就有点类似我们通信系统上使用的滤波器一样的东西






我们国家的墨子号量子科学实验卫星于2016年8月16日1时40分,在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。此次发射任务的圆满成功,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

之所以这颗卫星以我国古代科学家墨子的名字来命名。是因为,墨子最早提出过光线沿直线传播的观点,进行了小孔成像实验。墨子最早通过小孔成像实验发现了光是直线传播的,第一次对光直线传播进行了科学解释——这在光学中是非常重要的一条原理,为量子通信的发展打下了一定的基础。墨子还提出了某种意义上的粒子论。光量子学实验卫星以中国科学家先贤墨子来命名,体现了中国的文化自信。用他的名字命名以纪念他在早期物理光学方面的成就。

这个项目是我国首席量子通信科学家潘建伟院士主导的项目,量子通信卫星是运行在距离地面500公里的太空轨道上,这个高度,用中学的物理知识就可以知道,这是一颗非地球同步卫星,差不多每24小时会围绕地球转8圈左右。地面上是利用各地的天文台与之进行光数据通信的。然后再通过地面光缆链接天文台半径200公里的范围内的各大城市通信点。

为什么要利用卫星+光纤的方式来实现量子通信呢?为什么就不能直接在地面上建立光纤网络呢?






这是因为光子在光纤中传输还是有比较大的损耗的,一般光纤传输200公里以上的时候,光信号就会损耗的一塌糊涂啦。而我们量子通信中的光子是一对纠缠光子,这个是不能使用普通光放大器进行放大的。所以在地面上建立光纤传输光量子就受到200公里的限制。而通过卫星传输,即便是500公里的高度,光子的损耗也就差不多20%左右,而且,这20%里面绝大多数都是在距离近地面这几十公里的大气层中损耗的。所以利用卫星才可以将量子保密通信网络扩展到更远的地方。

这就是我们国家墨子号量子通信卫星的基本情况。量子保密通信,能够从三个方面保障信息安全。






第一,发送者和接收者之间的信息交互是安全的,不会被窃听或盗取。

第二,“主仆”身份能够自动确认,只有主人才能够使唤“仆人”,而其他人无法指挥“仆人”。
 
第三,一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改,使用者会立刻知晓,从而重新发送和接收指令。

好了关于量子通信的话题我们就讲到这里,感谢大家的收听。有听众“雷仔0”留言说:希望多讲讲光器件模块芯片,我即将从事这方面开发,不知道前景怎么样。

其实如果您听了我的大话5G专辑和通信杂谈的这几期量子通信节目,就能知道,在上个世纪八九十年代的时候,全国大规模建设八横八纵光纤骨干网络。那个时候是光通信技术发展最高潮时期,想当年光纤行业才是真正的高大上,移动通信还只是一个在后面跟班的小弟弟。但是随后的2,30年的时间里面移动通信的蓬勃发展逐渐取代了光纤通信的地位。所以近十几年来光纤通信行业的发展并不景气。不过,现在转机来了,在接下来的时间里面,由于光量子通信技术的发展,以及5G将支持可见光传输的机会的引领下,相信光通信技术又会迎来一个发展的高潮,到时候需要大量的像你一样的,光通信器件模块以及芯片的设计和研发人员。

好了,我们今天的节目到此为止,我们用了3期节目来向大家介绍量子通信。不知道大家听了以后感觉如何?我计划从下一期开始向大家讲讲物联网,可能好多人都不知道,物联网的发明是来源一支口红的灵感。有兴趣的话,欢迎您收听。

 点击此处查看《通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(3)绝对安全的量子通信》
https://www.ximalaya.com/keji/22777105/187947813 查看全部
这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。


点击此处查看《通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(3)绝对安全的量子通信》
https://www.ximalaya.com/keji/22777105/187947813

前面我们用来两期节目来讲量子自世界中是没有时间和空间限制的特性。但是,“光速不变原理”也始终横在我们面前,不断粉碎着人们对瞬时通讯的梦想。但科学家们始终不懈的努力着,不断的研究量子世界的秘密。在对量子的研究过程中科学家们发现,“量子纠缠”特性虽然不能实现超光速通信,但是却是却可以用于信息的加密技术。

加密.jpg


关于信息加密的问题,是我吗再熟悉不过的了。随着社会的发展,对信息加密的需求也在不断的提升。大到国家、军队的机密信息的传递,小到微信、支付宝的在线支付数据的传输,这些都在无时无刻的使用着各种加密技术。甚至是我们的234G移动通信系统中,对个人信息的保密需求和加密能力也在不断的提升。

我在读大学那会儿,对加密和解密技术有着浓厚的兴趣,曾经有段时间立志想做一个黑客。所以在利用毕业设计的机会把重邮图书馆里面的关于加密技术的书籍都翻了个遍。

黑客.jpg


信息加密技术自古以来就有,早期主要用于军事方面,要知道行军打仗和国家的机密信息,要是随随便便就被敌国窃取到了那是多么危险的一件事呀。一开始加密技术也很简单,例如把所有的信息在字母表上按照一定规律顺移,然后生成一对毫无意义的乱码发出去,接收方也是用相同的顺序顺移回来这样就可以还原信息的原文。要是信息被意外劫持了,劫持的人如果不知道顺移的规律是很难读懂原文的意思的,这样就实现了保密的目的。另外按照一定顺序把汉字或字母调换位置这些也是类似的一种加密方式。

密码本.jpg


一些谍战片里面我们也经常能看到,地下党或间谍们都会使用类似加密字典一样的密码本对电报信息对电报码进行加密,接收方会通过同样的密码本进行解密。要是电报被敌方监听到了,如果没有对应的密码本是很难解密的。所以通常谍战片里面都有保护我方密码本或窃取敌方密码本的桥段。但除了获取密码本以外还有没有办法对这些加密方法进行解密呢?答案当然是有的。我们人类历史上使用的几乎所有的些加密技术,基本上只要有足够的加密后的数据样本,都是可以通过数学方式把加密算法计算出来的。所以一般情况下,都会考虑尽可能的增加加密算法的难度,让对方即便是运算也要算很长的时间才能解密;另外一方面,就是为了不让对方获取足够多的加密样本,所以一般会每隔一段时间更换密码本或加密算法。这样就能尽可能的保证密码的安全新了。

齿轮密码机.jpg


到了二战时期,战略信息的保密性要求就更高了,一条信息的泄密甚至可能会决定整个战役的结果。例如二战时期著名的诺曼底登陆,这场战役的胜利,与盟军破解了德国的机密信息有关。这是因为,在二战时期的加密解密技术可是得到了空前的发展的,一开始德国人制造出了一种齿轮密码机,可以形成非常多的秘钥组合。在那个年代,这么高级的加密复杂度光靠人工计算是根本没有办法解密的。这玩意儿是高度保密的,而且齿轮密码机只要更换齿轮就能形成新的加密方式,所以基本上即便是截获了这种齿轮密码机也是没用的。所有后来为了破解德国人的加密,发明了计算机。并由英国著名的密码学家图灵研究了解密算法,并成功的破解了德国人的齿轮密码机。所以图灵也被称为人工智能之父。

图灵.jpg


又到了后来,计算机的性能得到了飞速的发展,一般的加密方式在面对如此强大的计算机面前已经是显得无能为力了。所以后来延伸出一种更复杂的加密方式,采用两个非常大的素数的乘积来对信息进行加密(素数是除了1和自己以外不能被其他数字整除的数字,加密时通常是几十位的很大的素数)。然后吧两个素数分成一个私钥、一个公钥。私钥自己留着,公钥发送给对方,用于解密时的逆运算。这样即便加密信息被劫持,对方要想解密,哪怕是使用最高性能的计算机也是要算很长的时间才可能被解开。

当然随着加密解密技术的发展,也派生出另外一种解密方式,例如现代的一些顶级的黑客,他们可以通过暴力穷举的方式来破解密码。也就是不去对加密以后的数据进行逆运算。而是通过一些常用的密码字典去一个一个的去对比。因为很多密码都是很有规律的,所以有经验的黑客可以生成那种命中几率很高的密码字典来。这种密码的破解方式比起直接计算算来说就要快很多。

所以到现在即便是让黑客把加密以后的信息拿走都不安全了。目前几乎所有的加密方式在数学面前,只要是有足够的时间和足够高性能的计算机都是可以被破解的。

而量子加密就不同了。前面两期我们都讲过,量子在不进行测量的时候是一种混沌状态,只有用相同的方法进行测量,才能得到一种统一的状态。而处于纠缠态的两个量子,一颗被观测以后。另外一颗将瞬间出现与之相反的状态。量子保密通信技术就是利用纠缠量子的这一特性,来实现加密的。具体的方式是,建立一个光量子发生器,利用前文中所提到的SPDC晶体将光子分裂成两组相互纠缠的光子,一组发给接收方,另一种自己留着,然后将自己留着的这一组光子进行观测,得到自旋状态以后,就利用和光子自旋方式有关的偏振滤镜,进行二进制编码。再把对应解码的观测方式告诉接收方,接收方按照这个方式去看另一组光子这样就能知道要传递的信息啦。

(根据光的自旋方式不同会呈现出4种偏振方式,及垂直运动的、水平运动的和正45度运动的,以及负45度运动的四种偏振方式)

偏振.jpg


偏振光应用的最常见的应用就是3D电影了。3D电影的影片是在拍摄时模拟人的左右眼睛视角,用两台摄像机分别进行拍摄,然后再后期将两种视角的影像通过垂直或水平偏振过滤以后再合成到一个画面中的。我们观看3D电影的时候带的那种3D眼睛,这种眼镜两个镜片,一个是只允许上下震动的光波穿过的,另一个是只允许水平震动的光波穿过的。相当于一种光学过滤器,每只眼睛就只能看到对应的画面,这样带上这种眼镜大家看到的就是一个立体场景。

量子秘钥.jpeg


光量子通信也是这种原理,例如我们观测以后,发现这颗光子上下震动的,那么我们就知道另外一个光子也是上下震动的只是方向相反而已,那么如果我们要利用这颗光子传递一个数字1,怎么办呢?我们就告诉对方你用垂直偏振滤镜来看吧,这样接收方听到通知以后,用垂直偏振滤镜过滤这个光子,就能在滤镜后面看到亮光。要是像给对方传递一个数字0呢怎么办?那就告诉对方用水平偏振滤镜来观看,这样对方就看不到亮光。这样就实现了信息的传递。

量子保密通信就是将:通过普通信道将翻译这组二进制编码的观测方法发给接收方。这样在公共信道上我们能够截取到的就是:第一颗竖着看,第二颗横着看、第三颗左斜45度看,第四颗右斜45度看。。。。。。这些信息,保证即便是被截取了,也根本不知道你要传的是什么信息。
 
另外一方面,即便是这一组处于纠缠状态的光量子被敌方截取到了。他要是不知道观测方式,看到的也仅仅只是量子的各种偏振状态,毫无意义可言。

那么有人会问,要是敌方同时截取到了那一组纠缠量子,以及对应的观测方式这不就可以看到信息了吗?
 
那我们前面讲过,量子因为太小了,一旦被观测就会改变原来的状态,而且量子是具有不可克隆性的。也就是说,发出去那一组纠缠量子一旦被截获,接收方要是收不到任何信息了。这样也就知道这一组信息被人窃听啦。只要在接收方的设备上加上这种检测仪器,例如有20%的光子丢失,或者20%的光子采用对应的偏振滤镜解析出现错误。就立即中断通信。这样就可以起到绝对安全的保密效果。

因为量子的状态时不可克隆的,所以从逻辑上就避免了被解密的可能性。量子通信的这种加密方式是1984年,物理学家Bennett和密码学家Brassard(贝内特和布拉萨德)提出的,利用“单量子不可克隆定理”实现密钥分发的方案,后来被世人称为BB84协议。

BB84.jpg


关于量子通信安全性的问题,前面已经论述了。量子通信加密技术是在数学上是绝对安全的。但是我们有没有可能对其进行破解和干扰呢?

有一些人曾经提出过一些破解方法,例如反正你都是进行光通信的,那么我通过强光进行干扰,不让你传输数据可以吧。或者我通过入侵你的系统,通过诱导旁路方式获取你的加密信息。首先这些攻击方式是物理上的攻击,并非质疑了光量子纠缠加密技术安全性的数学原理。
 
至少原来的加密技术在数学上和物理上都不安全,现在光量子纠缠加密技术是数学上绝对安全,物理上还在不断需要完善。例如,强光干扰的方式,可以通过加装光导滤镜的方式来隔绝干扰光束。这种东西就有点类似我们通信系统上使用的滤波器一样的东西

量子通信卫星-1.jpg


我们国家的墨子号量子科学实验卫星于2016年8月16日1时40分,在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。此次发射任务的圆满成功,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

之所以这颗卫星以我国古代科学家墨子的名字来命名。是因为,墨子最早提出过光线沿直线传播的观点,进行了小孔成像实验。墨子最早通过小孔成像实验发现了光是直线传播的,第一次对光直线传播进行了科学解释——这在光学中是非常重要的一条原理,为量子通信的发展打下了一定的基础。墨子还提出了某种意义上的粒子论。光量子学实验卫星以中国科学家先贤墨子来命名,体现了中国的文化自信。用他的名字命名以纪念他在早期物理光学方面的成就。

这个项目是我国首席量子通信科学家潘建伟院士主导的项目,量子通信卫星是运行在距离地面500公里的太空轨道上,这个高度,用中学的物理知识就可以知道,这是一颗非地球同步卫星,差不多每24小时会围绕地球转8圈左右。地面上是利用各地的天文台与之进行光数据通信的。然后再通过地面光缆链接天文台半径200公里的范围内的各大城市通信点。

为什么要利用卫星+光纤的方式来实现量子通信呢?为什么就不能直接在地面上建立光纤网络呢?

量子通信卫星-2.jpg


这是因为光子在光纤中传输还是有比较大的损耗的,一般光纤传输200公里以上的时候,光信号就会损耗的一塌糊涂啦。而我们量子通信中的光子是一对纠缠光子,这个是不能使用普通光放大器进行放大的。所以在地面上建立光纤传输光量子就受到200公里的限制。而通过卫星传输,即便是500公里的高度,光子的损耗也就差不多20%左右,而且,这20%里面绝大多数都是在距离近地面这几十公里的大气层中损耗的。所以利用卫星才可以将量子保密通信网络扩展到更远的地方。

这就是我们国家墨子号量子通信卫星的基本情况。量子保密通信,能够从三个方面保障信息安全。

量子通信卫星-4.jpg


第一,发送者和接收者之间的信息交互是安全的,不会被窃听或盗取。

第二,“主仆”身份能够自动确认,只有主人才能够使唤“仆人”,而其他人无法指挥“仆人”。
 
第三,一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改,使用者会立刻知晓,从而重新发送和接收指令。

好了关于量子通信的话题我们就讲到这里,感谢大家的收听。有听众“雷仔0”留言说:希望多讲讲光器件模块芯片,我即将从事这方面开发,不知道前景怎么样。

其实如果您听了我的大话5G专辑和通信杂谈的这几期量子通信节目,就能知道,在上个世纪八九十年代的时候,全国大规模建设八横八纵光纤骨干网络。那个时候是光通信技术发展最高潮时期,想当年光纤行业才是真正的高大上,移动通信还只是一个在后面跟班的小弟弟。但是随后的2,30年的时间里面移动通信的蓬勃发展逐渐取代了光纤通信的地位。所以近十几年来光纤通信行业的发展并不景气。不过,现在转机来了,在接下来的时间里面,由于光量子通信技术的发展,以及5G将支持可见光传输的机会的引领下,相信光通信技术又会迎来一个发展的高潮,到时候需要大量的像你一样的,光通信器件模块以及芯片的设计和研发人员。

好了,我们今天的节目到此为止,我们用了3期节目来向大家介绍量子通信。不知道大家听了以后感觉如何?我计划从下一期开始向大家讲讲物联网,可能好多人都不知道,物联网的发明是来源一支口红的灵感。有兴趣的话,欢迎您收听。

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通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(2)量子纠缠无论多远都可以瞬间同步

BT零 发表了文章 • 0 个评论 • 485 次浏览 • 2019-05-27 07:12 • 来自相关话题

这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。

通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(2)
https://www.ximalaya.com/keji/22777105/185262142
 
有听众在听了上期节目以后,留言说:最近刚刚看过复联4,对量子理论有浓厚的兴趣。希望我能多说一点量子的相关知识。其实我也是一个复联系列电影的忠实粉丝,但复联4上映以后,一直没抽出时间去看。所以上周末乘着复联4还没有下映,赶紧去看了一下,真的很过瘾。复联4里面的关于量子领域的故事情节是这样的:蚁人无意间从量子领域回到了现实世界。然后告诉复联们说,量子世界可以可以穿越时空,于是在众人的努力下,复联们回到了过去筹齐了6颗无限宝石,并召回了在5年前被灭霸消灭的那些人。






我们先来所说复联4中通过的量子领域的进行时空穿梭的桥段。那么时空穿梭到底是否可行呢?我们先排除量子领域而言,单从现实的宏观世界来看,目前绝大部分描述有时空穿梭的科幻片是都是基于“哥德尔宇宙模型”的条件下的时空穿越。哥德尔是20世纪最伟大的数学家之一,他利用爱因斯坦的场方程计算出了一种结果,如果宇宙在围绕一根无限长且质量无限大的圆柱体快速旋转的情况下,会产生空间极度扭曲,以至于把时间都闭合成一个圆。既然是一个圆,那么每一个点都是可以重复的。所以在哥德尔宇宙模型中是允许时空穿梭的。






而我们现实所处的宇宙是“霍金宇宙模型”,在这个宇宙模型中,如果要想穿越时空,就必须制造一个爱因斯坦罗森桥,也就是我们通常所说的“虫洞”。






但是据霍金的推算,他认为在有限的空间中要想制造一个虫洞,势必会产生一个:“奇点”。也就是宇宙黑洞中心的那个体积无限小,且质量无限大的奇点。也就是说会产生一个黑洞。由于我们人类目前已经掌握的科技还暂时不能解决这个奇点问题,所以我们目前暂时还不能实现时间旅行。






接下来我们再来看看复联4中描述的:在量子世界里面的时间是不是比现实宏观世界要慢的问题,我认为这个可能是剧情需要所设定的。科学家们研究发现:在量子世界中是没有时间和空间的概念的。

我们在上一集中提到的“延迟双缝实验”就证实了这一点。不管光子是否已经穿过了双缝,只要我们进行观测,干涉条纹就会消失,反之,只要取消观测,干涉条纹又会出现。

有的人会说,这个延时双缝实验装置的尺寸相对于光速来说实在是太短,会不会是应为误差所致。所以科学家们采用望远镜和光导纤维等材料设计了一个“星际版延迟双缝干涉实验”。希望通过在宇宙中跑了几百万光年的光子来验证量子世界与时间是否具有相关性这个问题。

整个实验室这样的。科学家找到一颗位于几百万光年以外的恒星。它持续在向地球方向发出光子,而地球和这颗恒星中间有一个质量巨大的星系,根据爱因斯坦相对论,这个星系将导致空间膨胀进而使光线弯曲,这样就相当于一个巨大的分光镜,将光子分成上下两条路径。






然后在地球上设置两台方向不同的天文望远镜,分别对这两路光进行观测。这两个天文望远镜的作用就像上一集中描述的延迟双缝实验中的两个光路探测器一样。对这两条光的行径路线进行探测。这个时候的实验结果是,在天文望远镜中的图案是没有干涉条纹的粒子性质的光斑。

但是如果把这两个天文望远镜中的光线,通过分光器和光纤重新合并到一个焦点上,则又会出现干涉条纹。






要知道,这些光子是在数百万年就已经出发了的,它们的旅程早已在出发前就已经被决定的。但是实验结果证实,当人类对其观测和不观察,这两条光线会呈现出不同的特质。或者说光子在几百万年前,从出发那一刻就已经预知了未来会有人对他进行观测,并作出了相应的改变吗?还是说:光子本身就与时间无关呢?

后来提出这个延时双缝实验的约翰惠勒,引用了玻尔的话来解释这个现象,“任何一种基本量子展现出的现象,只在其被记录之后才是一种固定的现象”,我们是在光子上路之前还是途中对它进行观测,这在量子世界中是没有区别的。量子世界的历史是不确定的——除非它已经被记录下来。更精确地说,光子在通过第一块透镜以后到我们第二块透镜这之间“到底”在哪里,是个什么样子的,是一个无意义的问题。所以科学界认为在量子世界中没有时间和空间的概念的。

有的人听到这里,可能会产生一个大胆的想法,是不是可以利用类似星际版延迟双缝实验的装置来实现超光速通信呢?但是从理论上来说,我们只要仔细想一想就能知道,光子的状态变化是在于观测与否,根本不在于之前发射出来的状态,所以我们无法利用这一特性进行信息的传递。因此这一条路是走不通的。不过是量子世界的另外一个特性却给科学家们带来了一丝的希望。这就是“量子力学的终极特性”- 量子纠缠。






学家们发现一种叫SDPC的晶体,当光子照射到这种晶体上以后,就会被这种晶体吸收掉,同时释放出两颗相互纠缠的光子。每一个光子的能量都是被吸收掉的光子的一半。而且根据能量和角动量守恒的原则,这两个相互纠缠的光子,的自旋速度完全相同,但自旋方向完全相反。而且这两颗处于纠缠状态的量子一旦对其中一颗的自旋方式进行观测,那么另一颗量子就会立即呈现出与这颗量子相反的自旋状态。






这种处于相互纠缠的粒子有着完全颠覆物理常识的特性。也就是说,相互纠缠的两个粒子,无论相隔多远 -- 哪怕是在宇宙的两端 – 当一个粒子发生变化时,会瞬间跨过千山万水,立即对另外一个粒子产生影响。由于双方发生的变化是“绝对”同时的,你甚至不能说是哪一个先发生了变化而引起了另一个的变化 。因而可以说,量子纠缠的这一特性,其实不是一个粒子对另一个粒子的瞬时影响,而且这种影响是一瞬间完成的,没有时间先后概念。






举个例子,例如我们在口袋里面放上一颗红球和一颗白球,这两颗球除了颜色不同以外,大小和重量都是完全相同的。现在我们选两个人,各自在口袋里面拿一个球走,每个人拿了也不看,就直接回家了。当回到家里,掏出球来一颗,哦,原来自己拿的是一颗白球,那么他看到这颗白球的瞬间,就立即知道另一个人手里的一定是一颗红球。而无论这两个人在这个时刻间隔有多远,甚至他都不用打电话问对方,一瞬间就知道了对方手里的球是什么颜色的了。

当纠缠量子的这一特性刚刚被科学家发现的时候,大家第一印象发现:。既然粒子可以超远距离同步,那么可不可能经过某些“精巧”的设计,让我们真的实现超光速通讯呢?例如我们将处于纠缠状态的两颗量子一颗带到火星上,另一颗留在地球上,当火星上发生某一特定事件以后,我们就对这颗量子进行观测,这个时候在地球上的量子就会瞬间改变状态,这样不就可以实现超光速通信了吗?






于是好多人以为看见了曙光,他们就像打了鸡血一样的利用相互纠缠的量子,试图设计出超光速通信设备来。有不少人做过很多非常聪明的设计,这些设计看上去似乎毫无破绽。但是,真的去做一下实验,却发现无一不是失败的。

后来,人们从量子力学的基本原理经过严格推导,证明了一个所谓的“无通讯定理”(no communication theorem),正式宣判了:试图利用量子纠缠特性进行瞬时通讯的死刑。“无通讯定理”是说:仅通过量子纠缠无法传递任何信息。

其实原因也很简单,还记得我们上一期节目里面提到,量子如果不被观测,其状态、速度和位置都是未知的吗?一旦被观测,就会因为你观测的方式不同,而呈现出不同的确定状态。所以科学界在描述量子的状态的时候,要加上你什么情况下,采用什么方式观测到的结果。

所以处于纠缠状态的两颗量子,一旦一颗被观测以后,即便第二颗也发生了变化,但是人们是不知道的,必须是那个观测第一颗量子的人,打电话告诉另一个人,好了,你现在采用XXX的方式观测吧。这个时候,拥有另一颗量子的人才能看到这个结果。所以要想利用量子纠缠传递信息,还是受限于光速不变理论。

虽然利用量子特性进行超光速通信的每一条路都被封死了。但是科学家们从量子纠缠特性想到了另一个应用领域。既然两个处于纠缠状态的量子一旦其中一个被观测,那么另一个的状态就会发生改变,这样,我们是不是可以通过量子纠缠的这个特性进行信息安全方面的应用呢?没错,目前我们国家的墨子号量子通信卫星就是利用量子纠缠的这一特性,进行信息安全方面的实验应用。而且利用量子纠缠特性,进行信息加密技术是目前已知的,没有任何前提条件的绝对安全的信息加密技术。

今天的节目就到此为止,我们今天从复联4的量子领域进行时空穿越的桥段,讲到现实世界中进行时空穿越的各种可能性。再从一个叫“星际版延的时双缝实验”,讲到了在量子领域中是没有时间和空间的概念的。然后我们讨论了量子纠缠能否进行超光速信息传递。最后回到本期主线上,量子通信到底是一个什么技术。感谢大家的收听。我们下一期将详细介绍墨子号量子通信卫星的加密技术应用原理。我们下期再见。






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这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。

通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(2)
https://www.ximalaya.com/keji/22777105/185262142
 
有听众在听了上期节目以后,留言说:最近刚刚看过复联4,对量子理论有浓厚的兴趣。希望我能多说一点量子的相关知识。其实我也是一个复联系列电影的忠实粉丝,但复联4上映以后,一直没抽出时间去看。所以上周末乘着复联4还没有下映,赶紧去看了一下,真的很过瘾。复联4里面的关于量子领域的故事情节是这样的:蚁人无意间从量子领域回到了现实世界。然后告诉复联们说,量子世界可以可以穿越时空,于是在众人的努力下,复联们回到了过去筹齐了6颗无限宝石,并召回了在5年前被灭霸消灭的那些人。

复联.png


我们先来所说复联4中通过的量子领域的进行时空穿梭的桥段。那么时空穿梭到底是否可行呢?我们先排除量子领域而言,单从现实的宏观世界来看,目前绝大部分描述有时空穿梭的科幻片是都是基于“哥德尔宇宙模型”的条件下的时空穿越。哥德尔是20世纪最伟大的数学家之一,他利用爱因斯坦的场方程计算出了一种结果,如果宇宙在围绕一根无限长且质量无限大的圆柱体快速旋转的情况下,会产生空间极度扭曲,以至于把时间都闭合成一个圆。既然是一个圆,那么每一个点都是可以重复的。所以在哥德尔宇宙模型中是允许时空穿梭的。

哥德尔时空.jpg


而我们现实所处的宇宙是“霍金宇宙模型”,在这个宇宙模型中,如果要想穿越时空,就必须制造一个爱因斯坦罗森桥,也就是我们通常所说的“虫洞”。

虫洞.jpg


但是据霍金的推算,他认为在有限的空间中要想制造一个虫洞,势必会产生一个:“奇点”。也就是宇宙黑洞中心的那个体积无限小,且质量无限大的奇点。也就是说会产生一个黑洞。由于我们人类目前已经掌握的科技还暂时不能解决这个奇点问题,所以我们目前暂时还不能实现时间旅行。

奇点.jpg


接下来我们再来看看复联4中描述的:在量子世界里面的时间是不是比现实宏观世界要慢的问题,我认为这个可能是剧情需要所设定的。科学家们研究发现:在量子世界中是没有时间和空间的概念的。

我们在上一集中提到的“延迟双缝实验”就证实了这一点。不管光子是否已经穿过了双缝,只要我们进行观测,干涉条纹就会消失,反之,只要取消观测,干涉条纹又会出现。

有的人会说,这个延时双缝实验装置的尺寸相对于光速来说实在是太短,会不会是应为误差所致。所以科学家们采用望远镜和光导纤维等材料设计了一个“星际版延迟双缝干涉实验”。希望通过在宇宙中跑了几百万光年的光子来验证量子世界与时间是否具有相关性这个问题。

整个实验室这样的。科学家找到一颗位于几百万光年以外的恒星。它持续在向地球方向发出光子,而地球和这颗恒星中间有一个质量巨大的星系,根据爱因斯坦相对论,这个星系将导致空间膨胀进而使光线弯曲,这样就相当于一个巨大的分光镜,将光子分成上下两条路径。

星际版.jpg


然后在地球上设置两台方向不同的天文望远镜,分别对这两路光进行观测。这两个天文望远镜的作用就像上一集中描述的延迟双缝实验中的两个光路探测器一样。对这两条光的行径路线进行探测。这个时候的实验结果是,在天文望远镜中的图案是没有干涉条纹的粒子性质的光斑。

但是如果把这两个天文望远镜中的光线,通过分光器和光纤重新合并到一个焦点上,则又会出现干涉条纹。

宇宙.jpg


要知道,这些光子是在数百万年就已经出发了的,它们的旅程早已在出发前就已经被决定的。但是实验结果证实,当人类对其观测和不观察,这两条光线会呈现出不同的特质。或者说光子在几百万年前,从出发那一刻就已经预知了未来会有人对他进行观测,并作出了相应的改变吗?还是说:光子本身就与时间无关呢?

后来提出这个延时双缝实验的约翰惠勒,引用了玻尔的话来解释这个现象,“任何一种基本量子展现出的现象,只在其被记录之后才是一种固定的现象”,我们是在光子上路之前还是途中对它进行观测,这在量子世界中是没有区别的。量子世界的历史是不确定的——除非它已经被记录下来。更精确地说,光子在通过第一块透镜以后到我们第二块透镜这之间“到底”在哪里,是个什么样子的,是一个无意义的问题。所以科学界认为在量子世界中没有时间和空间的概念的。

有的人听到这里,可能会产生一个大胆的想法,是不是可以利用类似星际版延迟双缝实验的装置来实现超光速通信呢?但是从理论上来说,我们只要仔细想一想就能知道,光子的状态变化是在于观测与否,根本不在于之前发射出来的状态,所以我们无法利用这一特性进行信息的传递。因此这一条路是走不通的。不过是量子世界的另外一个特性却给科学家们带来了一丝的希望。这就是“量子力学的终极特性”- 量子纠缠。

量子纠缠2.jpg


学家们发现一种叫SDPC的晶体,当光子照射到这种晶体上以后,就会被这种晶体吸收掉,同时释放出两颗相互纠缠的光子。每一个光子的能量都是被吸收掉的光子的一半。而且根据能量和角动量守恒的原则,这两个相互纠缠的光子,的自旋速度完全相同,但自旋方向完全相反。而且这两颗处于纠缠状态的量子一旦对其中一颗的自旋方式进行观测,那么另一颗量子就会立即呈现出与这颗量子相反的自旋状态。

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这种处于相互纠缠的粒子有着完全颠覆物理常识的特性。也就是说,相互纠缠的两个粒子,无论相隔多远 -- 哪怕是在宇宙的两端 – 当一个粒子发生变化时,会瞬间跨过千山万水,立即对另外一个粒子产生影响。由于双方发生的变化是“绝对”同时的,你甚至不能说是哪一个先发生了变化而引起了另一个的变化 。因而可以说,量子纠缠的这一特性,其实不是一个粒子对另一个粒子的瞬时影响,而且这种影响是一瞬间完成的,没有时间先后概念。

量子纠缠.jpg


举个例子,例如我们在口袋里面放上一颗红球和一颗白球,这两颗球除了颜色不同以外,大小和重量都是完全相同的。现在我们选两个人,各自在口袋里面拿一个球走,每个人拿了也不看,就直接回家了。当回到家里,掏出球来一颗,哦,原来自己拿的是一颗白球,那么他看到这颗白球的瞬间,就立即知道另一个人手里的一定是一颗红球。而无论这两个人在这个时刻间隔有多远,甚至他都不用打电话问对方,一瞬间就知道了对方手里的球是什么颜色的了。

当纠缠量子的这一特性刚刚被科学家发现的时候,大家第一印象发现:。既然粒子可以超远距离同步,那么可不可能经过某些“精巧”的设计,让我们真的实现超光速通讯呢?例如我们将处于纠缠状态的两颗量子一颗带到火星上,另一颗留在地球上,当火星上发生某一特定事件以后,我们就对这颗量子进行观测,这个时候在地球上的量子就会瞬间改变状态,这样不就可以实现超光速通信了吗?

量子纠缠3.jpg


于是好多人以为看见了曙光,他们就像打了鸡血一样的利用相互纠缠的量子,试图设计出超光速通信设备来。有不少人做过很多非常聪明的设计,这些设计看上去似乎毫无破绽。但是,真的去做一下实验,却发现无一不是失败的。

后来,人们从量子力学的基本原理经过严格推导,证明了一个所谓的“无通讯定理”(no communication theorem),正式宣判了:试图利用量子纠缠特性进行瞬时通讯的死刑。“无通讯定理”是说:仅通过量子纠缠无法传递任何信息。

其实原因也很简单,还记得我们上一期节目里面提到,量子如果不被观测,其状态、速度和位置都是未知的吗?一旦被观测,就会因为你观测的方式不同,而呈现出不同的确定状态。所以科学界在描述量子的状态的时候,要加上你什么情况下,采用什么方式观测到的结果。

所以处于纠缠状态的两颗量子,一旦一颗被观测以后,即便第二颗也发生了变化,但是人们是不知道的,必须是那个观测第一颗量子的人,打电话告诉另一个人,好了,你现在采用XXX的方式观测吧。这个时候,拥有另一颗量子的人才能看到这个结果。所以要想利用量子纠缠传递信息,还是受限于光速不变理论。

虽然利用量子特性进行超光速通信的每一条路都被封死了。但是科学家们从量子纠缠特性想到了另一个应用领域。既然两个处于纠缠状态的量子一旦其中一个被观测,那么另一个的状态就会发生改变,这样,我们是不是可以通过量子纠缠的这个特性进行信息安全方面的应用呢?没错,目前我们国家的墨子号量子通信卫星就是利用量子纠缠的这一特性,进行信息安全方面的实验应用。而且利用量子纠缠特性,进行信息加密技术是目前已知的,没有任何前提条件的绝对安全的信息加密技术。

今天的节目就到此为止,我们今天从复联4的量子领域进行时空穿越的桥段,讲到现实世界中进行时空穿越的各种可能性。再从一个叫“星际版延的时双缝实验”,讲到了在量子领域中是没有时间和空间的概念的。然后我们讨论了量子纠缠能否进行超光速信息传递。最后回到本期主线上,量子通信到底是一个什么技术。感谢大家的收听。我们下一期将详细介绍墨子号量子通信卫星的加密技术应用原理。我们下期再见。

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通信杂谈:量子通信可以超光速吗?(1):量子是否可以回到过去改变历史

BT零 发表了文章 • 0 个评论 • 587 次浏览 • 2019-05-25 12:08 • 来自相关话题

这是一个闲聊通信的一个音频专辑,叫《通信杂谈》,主要是想谈谈发生在通信圈子里的故事,没有什么局限性,想到什么就谈什么。大家也可以留言说说你们想听的内容,如果我觉得话题比较好的话,我会尝试给大家讲讲。大家可以在喜马拉雅上搜索《通信杂谈》,然后点击,那个黄色的BT零图标就是。

点击此处收听《通信杂谈:量子通信可以超光速吗?-1》
https://www.ximalaya.com/keji/22777105/182613972


2016年8月16日凌晨,在我国酒泉卫星发射中心的火箭发射架上一枚长征二号丁型运载火箭,正在做发射前最后的调试和准备工作。这次火箭发射的任务就是将一颗被命名为“墨子”的量子通信卫星发射到距离地面500公里的太空轨道中,这是我国的第一颗量子通信试验卫星。时间到了凌晨1点40,随着控制中心的一声令下,火箭被点燃,瞬间腾空而起。顺利的将这颗卫星运送到指定轨道上。于是这颗名叫“墨子”的量子通信卫星,开始了他的使命之旅。






说起量子通信,那我们必须要回到19世纪初,从那个著名的杨氏双缝实验开始。1807年,英国著名的物理学家托马斯杨,在实验室进行了著名的杨氏双缝干涉实验,由此拉开了一个神秘的量子世界的大门。






托马斯杨在一个暗室里面,把一个光源放在一张开了一个小孔的纸板前边,然后在纸板后边再放一张纸板,不同的是第二张纸板上开了两道平行的狭缝,然后在狭缝后面再放置一个纸板作为屏幕。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,最后在屏幕上形成了一系列明、暗交替的条纹。






这个实验为我们证实了光一种波,明暗相交的条纹是由于穿过两道缝隙的光波相交出现了波峰与波峰叠加,波峰与波谷抵消的干涉显现。所以,光具有波的属性。

这个杨氏双缝实验被后人评为人类科学历史上最著名的十大实验之一,也被收录到我们的中学物理课本中,相信好多听众都还记得。这个实验成了支持光的波动理论的绝佳例子,杨氏双缝实验也被称为光的干涉实验。

后来法国物理学家德布罗意提出一种理论,认为任何物质都是“波”,都具有波动性,来对这个现象进行了解释。

听到这里,相信肯定会有听众跳出来说,这有什么奇怪的,我们的中学物理课本里面都学过,光具有波粒二象性,光既是波也是粒子。您别急,我们的故事才刚刚开始。

在托马斯杨完成光的双缝干涉实验,很多年以后,这个实验再次引起了一个人的的浓厚兴趣,这个人就是时任瑞士伯尔尼专利局三级技术员,的阿尔伯特·爱因斯坦。不过当时爱因斯坦还没有出名,仅仅是一个默默无闻的专利局最低等级的技术员而已。爱因斯坦从杨氏双缝干涉实验中获得了灵感,他在想:如果在这个实验中,不断降低光的强度,直到每次只有一个光子进入整个实验装置时,结果会是怎样?根据这个思路并结合普朗克的黑体辐射理论,在1905 年,爱因斯坦明确提出,单个光子是一个粒子,其静止量为零,不带荷电,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是一种玻色子。(听到这里,可能会有人问这里好多概念都不懂呢。其实这些概念听不懂也没什么关系,因为我们本期节目主要是讲量子通信的科普类节目,所以与量子通信关系不大的知识也就随便提一下,不用太去深究。如果大家有兴趣的话,可以在留言区留言讨论,我们以后再安排节目解答)

好了我们书归正传,爱因斯坦根据这一研究最终提出了光量子理论,完美的解释了光电效应,并因此获得了诺贝尔奖。那一年爱因斯坦年仅26岁。

虽然爱因斯坦提出了这个光量子概念,但由于当时的技术限制,没有办法控制到每次只发射一颗光子的能力。所以当时科学界无法通过实验证实光量子理论。

但是即便如此,科学家们也在考虑,如果光是一种粒子的话,那么我们是不是可以用另一种粒子来代替光子来做杨氏双缝实验呢?于是,这个双缝实验衍生出了另外一个实验——电子双缝实验试验。科学家们设计了一个电子发射器,放在双缝挡板前面,并且在挡板后面放了一个荧光屏。当电子打到荧光屏上时就会出现一个小亮点。于是科学家开始用电子代替光子重复了杨氏双缝干涉实验,实验结果如大家所以预想的一样,当一束电子流打入双缝挡板的时候果然在后面的荧光屏上出现了明暗相间的条纹。这个结果和使用光来做的实验结果完全一致。这也再一次印证了德布罗意的物质波理论。






然而科学家们没有停下来,而是继续研究这个实验。他们在想,如果每次只发射一颗电子,而不是一次性全部撒出去,因为只有一颗电子,这样电子间就不会再互相影响,从而就不会产生干涉条纹了。

于是科学家们控制电子发射器,将一颗电子打入了双缝挡板,结果不可思议的事情发生了,即便一个一个的发射电子,在后面的荧光屏上还是出现了明暗相间的干涉条纹。就好像一个电子可以同时穿过两条缝隙,进而自己对自己产生干涉一样。

实验结果异常诡异!一时间,没有人能解释这一不可思议现象?因为之前德布罗意提出了物质波理论,科学家们只能认为电子也具有波粒二象性,这个解释看似十分完美,但所有人都不知道,更恐怖的事情还在后面。






后来某位大学教授对这个实验有了更深的疑问,于是他重新做了这个实验,并在两条细缝两边加装了精度极高的监视器,重新开始一颗一颗的发射电子,只要电子穿过双缝就会被探测器探测到,从而知道电子到底是走哪一条路径穿过双缝的。但是这一次出来的结果吓坏了许多人:当电子穿过探测器以后,每个电子的运动路径都被清清楚楚的探测到。但是在后面的荧光屏上只会出现两条整整齐齐的亮纹,干涉现象消失了... ...






这位教授不信这个邪,他关掉了监视器,这时干涉条纹又奇迹般地出现了,但是当他重新开始监测的时候,干涉条纹又消失了,只能看到一个又一个电子穿过双缝,形成两条亮纹... ...

说到这儿,大家就明白了为什么这个实验如此的“毛骨悚然”了吧,因为在这个实验中,好像有未知的力量在操纵电子一样,实验的结果受人的意识控制而变化,你不去看他是一个样子,你去看他又是另一个样子。“意识控制”这个词是在物理学中最不应该存在的词汇,但实验结果真真切切的证实它存在了。目前的电子双缝实验能够得出来的结论是:当你希望电子是波的时候,它就是波,但当你希望它是粒子的时候,电子就是粒子。

这个结论震惊了整个科学界。是因为电子双缝干涉实验中出现的奇怪现象彻底颠覆了人类以往的认知。在我们传统的观念中,物质的运动是不以人的意志为转移的,换句话说,任何物质都应该是客观存在的,不管人是否在观察,该发生还是会发生,不会因为人的观察而影响到它,但在电子双缝干涉实验的过程中,这个观念被打破了。实验现象是,人们对电子的观察与不观察,影响到了电子的运动。当一个电子,你不去观察它,它是一种状态,你去观察他,它又是一种状态,而且,速度一旦测准确了,它的位置你就无法确认,一旦位置测准确了,他的速度就无法确认。换句话说,人的主观意识影响到了物质的运动。

于是在经过科学家们不谢的探索以后,与1927年德国物理学家海森堡提出了“量子的不确定原理”。这个理论是说,在微观世界中任何一个量子,你都不可能同时知道他的位置和速度。这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样,微观世界的量子是以概率形式存在的。

海森堡认为,这个不确定性来自两个因素,首先测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物,从而改变它的状态,因为量子实在太小了,他是构成这个世界的基本物质,所以任何测量都可能对他原来的状态造成极大的改变;其次,因为量子世界本来就不是具体的,是基于概率方式存在的。

在“量子的不确定原理”中,类似这种位置和速度的不确定关系以外,还有能量和时间、角动量和角度等物理量之间的关系都是无法同时准确测量的。

因为量子世界的不确定性,为了达到认知的统一,物理学家们约定,在描述微观世界量子的状态时,都必须要加上,在什么情况下,采用什么方式测量到的结果。这样就会避免照成大家在交流上产生的信息错误。
 
听到这里,大家是不是已经觉得量子世界毁三观了。但是在量子世界中,令人毛骨悚然的事情还不仅限于此,更大的惊悚还在后面。

1979年,也就是是爱因斯坦诞辰100周年,在他生前工作的普林斯顿召开了一次纪念他的讨论会。在会上,爱因斯坦的同事,也是玻尔的密切合作者之一约翰·惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想,也就是所谓的“延迟双缝干涉实验”。






这个实验是说:如果我们根据电子或光子的速度,当确定它已经通过双缝之后,迅速的在后面的板上放上摄像机,会出现什么情况?

5年之后,马里兰大学宣布实验已经成功,他们是在光子射入通道上放置一块半透镜,让光子有50%可能性穿过半透镜,又有50%的可能性被直接反射向另一个方向。然后在两条光路中间各使用一面全反射镜,将两条不同的光路反射汇聚回同一个目标点上双缝挡板。

实验结果是,当确定光子已经通过双缝后,迅速的在后面的板上放上摄像机观察的结果是:没有干涉条纹产生!反之亦然,即便是如果迅速的拿掉摄像机,又会出现干涉条纹。即使我们在决定拿掉摄像机的时候,光子已经通过了双缝,但是只要你一观测,任然会改变光子之前的状态。这种感觉就像是光子预先知道我们是否要对他进行观测,从而做出了对应的改变一样。或者说,我们在对光子子观测的一瞬间,光子超越了光速,回到了从前的时间点改变了自己的状态。






这个实验结果一出来,立马轰动了科学界。可以说彻底颠覆了我们对世界的认识。世界或者说宇宙真的是有意识的吗?

还是说即便过去的现象已经产生,但是观测行为的加入会让历史过程发生了改变,这就意味着人类在未来的行为会改变过去的历史,从而影响未来的结果!这是否预示着我们的行为会干扰宇宙的过去,从而让宇宙改变它原有状态呢?

好了今天的节目就到此为止,我们今天从中学教科书中的杨氏双缝实验,讲到了量子世界的不确定性,你观测是一个样子,不观察又是一个样子,然后又延伸到了“延迟双缝干涉实验”为我们揭示了微观世界中,未来的行为会改变过去的历史。这是不是完全颠覆了大家的认知?

那我们下一期将向大家介绍量子世界的另一个无视光速存在的现象。如果大家喜欢这挡节目,请在喜马拉雅上搜索并关注,“通信杂谈”专辑。谢谢大家。

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2016年8月16日凌晨,在我国酒泉卫星发射中心的火箭发射架上一枚长征二号丁型运载火箭,正在做发射前最后的调试和准备工作。这次火箭发射的任务就是将一颗被命名为“墨子”的量子通信卫星发射到距离地面500公里的太空轨道中,这是我国的第一颗量子通信试验卫星。时间到了凌晨1点40,随着控制中心的一声令下,火箭被点燃,瞬间腾空而起。顺利的将这颗卫星运送到指定轨道上。于是这颗名叫“墨子”的量子通信卫星,开始了他的使命之旅。

火箭.png


说起量子通信,那我们必须要回到19世纪初,从那个著名的杨氏双缝实验开始。1807年,英国著名的物理学家托马斯杨,在实验室进行了著名的杨氏双缝干涉实验,由此拉开了一个神秘的量子世界的大门。

托马斯杨.png


托马斯杨在一个暗室里面,把一个光源放在一张开了一个小孔的纸板前边,然后在纸板后边再放一张纸板,不同的是第二张纸板上开了两道平行的狭缝,然后在狭缝后面再放置一个纸板作为屏幕。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,最后在屏幕上形成了一系列明、暗交替的条纹。

双缝实验.png


这个实验为我们证实了光一种波,明暗相交的条纹是由于穿过两道缝隙的光波相交出现了波峰与波峰叠加,波峰与波谷抵消的干涉显现。所以,光具有波的属性。

这个杨氏双缝实验被后人评为人类科学历史上最著名的十大实验之一,也被收录到我们的中学物理课本中,相信好多听众都还记得。这个实验成了支持光的波动理论的绝佳例子,杨氏双缝实验也被称为光的干涉实验。

后来法国物理学家德布罗意提出一种理论,认为任何物质都是“波”,都具有波动性,来对这个现象进行了解释。

听到这里,相信肯定会有听众跳出来说,这有什么奇怪的,我们的中学物理课本里面都学过,光具有波粒二象性,光既是波也是粒子。您别急,我们的故事才刚刚开始。

在托马斯杨完成光的双缝干涉实验,很多年以后,这个实验再次引起了一个人的的浓厚兴趣,这个人就是时任瑞士伯尔尼专利局三级技术员,的阿尔伯特·爱因斯坦。不过当时爱因斯坦还没有出名,仅仅是一个默默无闻的专利局最低等级的技术员而已。爱因斯坦从杨氏双缝干涉实验中获得了灵感,他在想:如果在这个实验中,不断降低光的强度,直到每次只有一个光子进入整个实验装置时,结果会是怎样?根据这个思路并结合普朗克的黑体辐射理论,在1905 年,爱因斯坦明确提出,单个光子是一个粒子,其静止量为零,不带荷电,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是一种玻色子。(听到这里,可能会有人问这里好多概念都不懂呢。其实这些概念听不懂也没什么关系,因为我们本期节目主要是讲量子通信的科普类节目,所以与量子通信关系不大的知识也就随便提一下,不用太去深究。如果大家有兴趣的话,可以在留言区留言讨论,我们以后再安排节目解答)

好了我们书归正传,爱因斯坦根据这一研究最终提出了光量子理论,完美的解释了光电效应,并因此获得了诺贝尔奖。那一年爱因斯坦年仅26岁。

虽然爱因斯坦提出了这个光量子概念,但由于当时的技术限制,没有办法控制到每次只发射一颗光子的能力。所以当时科学界无法通过实验证实光量子理论。

但是即便如此,科学家们也在考虑,如果光是一种粒子的话,那么我们是不是可以用另一种粒子来代替光子来做杨氏双缝实验呢?于是,这个双缝实验衍生出了另外一个实验——电子双缝实验试验。科学家们设计了一个电子发射器,放在双缝挡板前面,并且在挡板后面放了一个荧光屏。当电子打到荧光屏上时就会出现一个小亮点。于是科学家开始用电子代替光子重复了杨氏双缝干涉实验,实验结果如大家所以预想的一样,当一束电子流打入双缝挡板的时候果然在后面的荧光屏上出现了明暗相间的条纹。这个结果和使用光来做的实验结果完全一致。这也再一次印证了德布罗意的物质波理论。

电子双缝.png


然而科学家们没有停下来,而是继续研究这个实验。他们在想,如果每次只发射一颗电子,而不是一次性全部撒出去,因为只有一颗电子,这样电子间就不会再互相影响,从而就不会产生干涉条纹了。

于是科学家们控制电子发射器,将一颗电子打入了双缝挡板,结果不可思议的事情发生了,即便一个一个的发射电子,在后面的荧光屏上还是出现了明暗相间的干涉条纹。就好像一个电子可以同时穿过两条缝隙,进而自己对自己产生干涉一样。

实验结果异常诡异!一时间,没有人能解释这一不可思议现象?因为之前德布罗意提出了物质波理论,科学家们只能认为电子也具有波粒二象性,这个解释看似十分完美,但所有人都不知道,更恐怖的事情还在后面。

单电子双缝.png


后来某位大学教授对这个实验有了更深的疑问,于是他重新做了这个实验,并在两条细缝两边加装了精度极高的监视器,重新开始一颗一颗的发射电子,只要电子穿过双缝就会被探测器探测到,从而知道电子到底是走哪一条路径穿过双缝的。但是这一次出来的结果吓坏了许多人:当电子穿过探测器以后,每个电子的运动路径都被清清楚楚的探测到。但是在后面的荧光屏上只会出现两条整整齐齐的亮纹,干涉现象消失了... ...

电子双缝1.png


这位教授不信这个邪,他关掉了监视器,这时干涉条纹又奇迹般地出现了,但是当他重新开始监测的时候,干涉条纹又消失了,只能看到一个又一个电子穿过双缝,形成两条亮纹... ...

说到这儿,大家就明白了为什么这个实验如此的“毛骨悚然”了吧,因为在这个实验中,好像有未知的力量在操纵电子一样,实验的结果受人的意识控制而变化,你不去看他是一个样子,你去看他又是另一个样子。“意识控制”这个词是在物理学中最不应该存在的词汇,但实验结果真真切切的证实它存在了。目前的电子双缝实验能够得出来的结论是:当你希望电子是波的时候,它就是波,但当你希望它是粒子的时候,电子就是粒子。

这个结论震惊了整个科学界。是因为电子双缝干涉实验中出现的奇怪现象彻底颠覆了人类以往的认知。在我们传统的观念中,物质的运动是不以人的意志为转移的,换句话说,任何物质都应该是客观存在的,不管人是否在观察,该发生还是会发生,不会因为人的观察而影响到它,但在电子双缝干涉实验的过程中,这个观念被打破了。实验现象是,人们对电子的观察与不观察,影响到了电子的运动。当一个电子,你不去观察它,它是一种状态,你去观察他,它又是一种状态,而且,速度一旦测准确了,它的位置你就无法确认,一旦位置测准确了,他的速度就无法确认。换句话说,人的主观意识影响到了物质的运动。

于是在经过科学家们不谢的探索以后,与1927年德国物理学家海森堡提出了“量子的不确定原理”。这个理论是说,在微观世界中任何一个量子,你都不可能同时知道他的位置和速度。这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样,微观世界的量子是以概率形式存在的。

海森堡认为,这个不确定性来自两个因素,首先测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物,从而改变它的状态,因为量子实在太小了,他是构成这个世界的基本物质,所以任何测量都可能对他原来的状态造成极大的改变;其次,因为量子世界本来就不是具体的,是基于概率方式存在的。

在“量子的不确定原理”中,类似这种位置和速度的不确定关系以外,还有能量和时间、角动量和角度等物理量之间的关系都是无法同时准确测量的。

因为量子世界的不确定性,为了达到认知的统一,物理学家们约定,在描述微观世界量子的状态时,都必须要加上,在什么情况下,采用什么方式测量到的结果。这样就会避免照成大家在交流上产生的信息错误。
 
听到这里,大家是不是已经觉得量子世界毁三观了。但是在量子世界中,令人毛骨悚然的事情还不仅限于此,更大的惊悚还在后面。

1979年,也就是是爱因斯坦诞辰100周年,在他生前工作的普林斯顿召开了一次纪念他的讨论会。在会上,爱因斯坦的同事,也是玻尔的密切合作者之一约翰·惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想,也就是所谓的“延迟双缝干涉实验”。

约翰惠勒.png


这个实验是说:如果我们根据电子或光子的速度,当确定它已经通过双缝之后,迅速的在后面的板上放上摄像机,会出现什么情况?

5年之后,马里兰大学宣布实验已经成功,他们是在光子射入通道上放置一块半透镜,让光子有50%可能性穿过半透镜,又有50%的可能性被直接反射向另一个方向。然后在两条光路中间各使用一面全反射镜,将两条不同的光路反射汇聚回同一个目标点上双缝挡板。

实验结果是,当确定光子已经通过双缝后,迅速的在后面的板上放上摄像机观察的结果是:没有干涉条纹产生!反之亦然,即便是如果迅速的拿掉摄像机,又会出现干涉条纹。即使我们在决定拿掉摄像机的时候,光子已经通过了双缝,但是只要你一观测,任然会改变光子之前的状态。这种感觉就像是光子预先知道我们是否要对他进行观测,从而做出了对应的改变一样。或者说,我们在对光子子观测的一瞬间,光子超越了光速,回到了从前的时间点改变了自己的状态。

延迟双缝.png


这个实验结果一出来,立马轰动了科学界。可以说彻底颠覆了我们对世界的认识。世界或者说宇宙真的是有意识的吗?

还是说即便过去的现象已经产生,但是观测行为的加入会让历史过程发生了改变,这就意味着人类在未来的行为会改变过去的历史,从而影响未来的结果!这是否预示着我们的行为会干扰宇宙的过去,从而让宇宙改变它原有状态呢?

好了今天的节目就到此为止,我们今天从中学教科书中的杨氏双缝实验,讲到了量子世界的不确定性,你观测是一个样子,不观察又是一个样子,然后又延伸到了“延迟双缝干涉实验”为我们揭示了微观世界中,未来的行为会改变过去的历史。这是不是完全颠覆了大家的认知?

那我们下一期将向大家介绍量子世界的另一个无视光速存在的现象。如果大家喜欢这挡节目,请在喜马拉雅上搜索并关注,“通信杂谈”专辑。谢谢大家。

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