跨越时空的骰子 量子通信、量子密码的背后原理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[瑞士] 尼古拉·吉桑 著，周荣庭 译

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• 量子通信
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• 信息安全
• 密码学
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• 物理学
• 未来科技
• 科学普及

出版社： 上海科学技术出版社

ISBN：9787547831342

版次：1

商品编码：12004164

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-08-01

用纸：胶版纸

页数：180

字数：115000

产品特色

编辑推荐

　　不仅仅是告诉你答案，而是带领你思考。这是这本书重要的优势之一。本书所有论述基于新的实验事实，既具有客观严谨性，同时紧随科学前沿，这是本书的另一特点。同时，以想象中的一种游戏——“贝尔游戏”贯穿全书，使得本书具有可读性。这些优势得益于作者的独特学术背景：吉桑是国际著名物理学家，长期从事于量子信息和量子通信的前沿研究，在致力于对量子原理进行实验检验的同时，还对量子物理的基础有着浓厚的个人兴趣。常年的教学实践又使得他擅长把握读者的心思。

内容简介

　　量子通信可以超光速吗？如何实现不可破解的密码？自然是非局域的么？电子是否也有自由意志？量子纠缠的本质是什么？量子原理和相对论原理能否相容？……这些问题是目前科学研究的前沿，同时也是大众所欲了解的热点话题。《跨越时空的骰子：量子通信、量子密码背后的原理》围绕“非局域性”和“量子真随机性”概念，以统一的方式对以上问题进行了深入浅出的剖析。

作者简介

　　尼古拉·吉桑（作者），物理学家，日内瓦大学教授，长期从事于量子信息和量子通信的前沿研究，曾获得约翰·贝尔奖、国际量子通信奖、马塞尔·伯努瓦奖等。

　　周荣庭（译者），中国科学技术大学教授、博士生导师，科技传播与科技政策系主任，先研院新媒体研究院院长，终身学习实验室执行主任。

目录

前言1
导读1

第1章开胃小菜1
第2章局域关联和非局域关联8
第3章非局域性与真随机性39
第4章量子的不可克隆性54
第5章量子纠缠62
第6章实验75
第7章应用84
第8章量子隐形传态92
第9章自然是非局域的么？105
第10章当前非局域性研究131
结语145
译后记152

精彩书摘

　　“一见钟情！”这是吉桑（Nicolas Gisin）初次接触到贝尔（John Bell）的理论时所说的话。闻知其感受，我的脑海中也浮现出1974年秋日里自己沉迷于贝尔论文时的情形。尽管这篇论文在当时鲜为人知，我却完全明白，这将会是通过实验方式诠释量子力学，解决玻尔（Niels Bohr）和爱因斯坦（Albert Einstein）分歧的关键！
　　在当时，即便有些物理学家已经知道爱因斯坦、波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）提出的“EPR佯谬”，却很少有人听说过贝尔不等式，更别说去关注量子力学的基础概念了。1935年发表在《物理评论》（Physical Review）上的EPR佯谬论文，在一些大的图书馆里很容易查阅到。而贝尔的那篇论文就没有这份幸运了——它躺在一份不为人知的新期刊上，而那份期刊仅发行了四期便遭遇了停刊的噩运。在那个没有互联网的年代，那些没有发表在主流期刊上的论文只能借助复印机进行传播。在希莫尼（Abner Shimony）的一次来访中［受德帕尼亚（Bernard d�餎spagnat）邀请访问奥尔赛］，我得到了贝尔那篇文章的复印件——复印自光学研究所（Institut d�餙ptique）的年轻教授英伯特（Christian Imbert）所整理的文件。沉浸在贝尔带给我的震撼中，我决定将自己的博士学位论文聚焦于对贝尔不等式进行实验检验，而英伯特教授也欢迎我在他的麾下工作。
　　在贝尔清晰无误、让人印象深刻的论文中，我找到了实验者将面临的严峻挑战： 当纠缠的粒子（entangled particle）从放射源发射到测量区域时，如何改变偏振检测仪的方向？解决这一技术难题的关键是： 借助相对论基本原则，即物理效应不能以超光速传播，我们可以避免改变偏振检测仪方向对粒子放射机制或测量方法所造成的影响。通过这样的实验，我们可以精确地检验两种互相冲突的理论到底哪一个是正确的： 是玻尔的量子力学还是爱因斯坦所坚守的局域实在论（local realism）？局域实在论包含两个基本原则。首先，系统存在物理实在（physical reality）；其次，局域性假设（locality assumption）成立，即由于相对论基本原则，一个系统不会被遥远空间外的另一个封闭系统内所发生的任何事情立即影响。最终，实验证明量子力学是正确的，并迫使大多数物理学家放弃了爱因斯坦所竭力维护的局域实在论。但是，我们是否就要因此抛弃实在论(realism)或者局域论(locality)呢？
　　放弃物理实在的论点无法把我说服，因为我觉得物理学家的使命在于精确地描述这个世界的实在，而不仅仅是预测测量仪器上所呈现的结果。不过，倘若量子力学在这方面被证实了（时至今日，这看似已经确凿无疑），我们是否该认定，这个明显与爱因斯坦相对论准则相违背的非局域相互作用（nonlocal interaction）是存在的呢？我们能否利用这种量子非局域性（quantum nonlocality）来传输有用的信号，比如，以超越光速的速度来点亮一盏灯，或者在证券交易所下个订单？但是，我们还不得不受量子力学另一特性的制约，即基本量子非决定论（fundamental quantum indeterminism）。这个理论认为，在任何具体实验中，我们都不可能左右实验的实际结果，尽管通过量子力学我们可以预见到可能出现的各个结果。可以确定的是，量子力学虽然可以对实验中各种可能结果的概率进行极其精确的计算，但是这些概率仅在相同实验多次重复时才有统计学上的意义。正是这种基本量子随机性（fundamental quantum randomness）禁止了信息的超光速传播。
　　在许多介绍量子物理最新进展的科普读物中，吉桑的这本书清晰地强调了基本量子随机性的关键地位。比如，如果没有基本量子随机性，有朝一日我们可望设计出超光速电报系统！假使我们能发明出这种只有科幻小说里才有的神秘装置，就不得不对以前所有的物理理论进行一次彻底的修正。我不认为有什么不可触碰、无法更改的物理理论。恰恰相反，我本人一直坚信，任何物理理论都有可能被适应领域更广阔的理论所取代。然而，如果要修改一些基石理论，就会引发一场真正意义上影响深远的物理观念变革。虽然人类历史中出现过几次非同凡响的观念变革，但这些根本上的观念变革是极其罕见和震撼的，人们不能轻易希冀这样的奇迹时刻会再次发生。尽管非局域性量子物理充满了奇特之处，吉桑也未曾推翻爱因斯坦相对论中禁止超光速传播的基本法则。我觉得这是本书很值得注意的一个重要特征。
　　在上述问题上，本书坚持如此独特的立场而不是跟着其他科普图书人云亦云，这一点也不让人惊讶。原因是，吉桑在20世纪最后25年那场量子理论革命中是一位关键人物。
　　第一次量子革命于20世纪初开始，标志是波粒二象性的发现。我们因此能极其精确地描述构成物质的原子，形成金属、半导体内电流的电子云以及构成光束的数以亿计的光子的统计特征。我们也终于能理解固态物质的力学属性，例如由相互吸引的正负电荷组成的物质为何不会自我塌缩，这一点经典物理完全无法解释。量子力学使人们可以对物质的光学性质、电学性质进行精确的定量描述。同时，量子力学也为描述神奇的超导现象和某些基本粒子的独特属性提供了必要的概念框架。在首次量子革命的照耀下，物理学家们发明了晶体管、激光发射器、集成电路等新装置，正是这些发明引领我们步入了现今的信息时代。
　　到了20世纪60年代，物理学家们开始追问在第一次量子物理革命中被搁置的两个问题：
　　第一个问题： 我们如何把可以做出精确统计预言的量子物理运用到单个微观粒子？
　　第二个问题： 量子物体的纠缠对（entangled pair）的惊人特性是否真的与自然规律相一致？它在1935年的EPR论文上被描述过，却从未被观测到。我们在这个问题的探索上是不是触及到了量子力学的边界？
　　这些问题的答案，先由实验物理学家给出，随后理论物理学家对其加以完善。这一系列工作引发了第二次量子革命，并持续至今！
　　单个量子的行为是目前物理学家们热烈讨论的焦点议题。在过去相当长一段时间里，大部分物理学家都认为这个问题没有什么意义，也不重要，因为尝试观测单个量子已是不可思议的事了，更别提去控制它，操纵它了。引用薛定谔（Erwin Schr�塪inger）的话： “……完全可以说，就像我们不能在动物园里养鱼龙鱼龙，大型海栖爬行动物，最早出现于2.5亿年前，于9000万年前灭绝。——译者注一样，我们难以对单个微观粒子开展实验研究。”20世纪70年代是转折点，实验物理学家设计出了观测和操控像电子、原子、离子这样的单个微观粒子的实验方案。我一直对1980年于波士顿举行的原子物理国际大会上人们所表现出的热情记忆犹新。当时托谢克（Peter Toschek）展示了第一张单个囚禁离子的成像图片——该种离子在激光照射下会发射荧光光子，实验中便是据此成像的。从那时起，实验上的不断进展使得观测者能直接观测到量子的跃迁，这让数十年的论战画上了句号。这个故事表明，只要能正确解释计算上的概率结果，量子理论可以完美地描述单个量子的特征。
　　第二个问题和量子纠缠这一特性有关。关于这个特性的量子理论预测首先通过基于光子对（pair of photons）的实验获得了检验；随后一系列努力把实验场景逐步推进到了贝尔等理论物理学家所追求的理想状态。无论这些实验看起来多么不可思议，它们却非常一致地验证了量子理论的有效性。
　　在20世纪80年代，吉桑不仅组建了一个研究光纤的应用物理团队，而且一直保持着对量子力学基础问题的强烈个人兴趣和理论上的执着追求。因为当时对这类问题开展研究尚未被视为有价值的工作，他还要对项目负责人保密，至少是保持低调。所以，他成为首批对光纤中光子对的纠缠现象进行检验的实验物理学家之一是再正常不过的事了。凭借博学的光纤技术知识，吉桑可以很好地使用日内瓦周边的商业电信光纤网络来展示相距几十公里依然存在的量子纠缠性，这让参加实验的人员也颇感意外。通过一些基于基础概念的简单实验，他证实了遥远物体间能发生纠缠，并让量子隐形传态协议（quantum teleportation�� protocol）投入应用。他既是量子基础方面的优秀理论家，也是光纤应用方面的专家，因此，他成为首批将量子纠缠性应用于量子密码（quantum cryptography）和真随机数（truly random number）生成的科学家之一。
　　我们能在这本充满奇幻的书中发现吉桑的智慧所在。他用对大众来说浅显易懂的语言来描述量子物理中最特殊、最难以琢磨的问题（这一点是冒险的，而他成功了），并且避免使用数学公式。他解释了什么是量子纠缠、量子非局域性以及量子随机性(quantum randomness)，同时还为我们展示了与这些理论相关的应用。但是，这本书又不仅仅是一本科普书，专业量子物理学者也可以就其中一些现象进行深层次的讨论，正如吉桑所强调的： 我们还远没有搞清万物运行的机制以及运行结果。那么，即使局域实在已被实验否定，我们是否就要抛弃物理实在或者局域性呢？对于这个问题，我跟吉桑处于同一个战壕： 局域论和实在论曾经密不可分，并且作为同一个理论在逻辑上是自洽的，那么将它一分为二并坚持其中之一也就是不可取的。如果某个局域的系统会立即受到空间上相互隔离的另一系统的影响，我们该如何定义这个局域系统中物理实在的独立性？这本书为我们提供了较为温和的解决方法。如果基础量子随机性存在，那么非局域性物理实在就能和爱因斯坦的相对论共存了。
　　即使了解这些问题的物理学家们也将在吉桑的书中找到让他们思考更上一层楼的资料；而一般读者在世界上最优秀的前沿专家的精心指引下，将直入问题的精妙之处，欣赏到量子纠缠和量子非局域性的神奇特性。
　　……

跨越时空的骰子：量子力学与信息革命的交织 这本书将带领读者深入探索一个既古老又前沿的领域——量子力学，并揭示它如何正在重塑我们对信息、计算乃至现实本质的理解。我们并非聚焦于量子通信或密码学的具体应用技术，而是着眼于支撑这一切的底层物理学原理，解析那些看似玄妙却又精确无误的自然法则。 第一章：微观世界的奇特景象——量子力学的基石 本章将构建理解量子世界的基石。我们从宏观世界的经典物理学（牛顿力学与麦克斯韦电磁学）出发，指出其在解释原子尺度现象时的局限性。随后，我们将引入量子力学的核心概念，如同一次穿越到亚原子尺度的旅行。 光子的诞生与波粒二象性： 普朗克对黑体辐射的革命性解释，如何引出能量的“量子化”概念。爱因斯坦的光电效应，确认了光的粒子性——光子。但紧接着，我们将探讨德布罗意提出的物质波假设，电子、原子等粒子如何同时展现出波动性。我们将详细剖析著名的双缝干涉实验，不是作为量子通信的案例，而是作为理解“叠加态”的基础模型，展示测量行为对系统状态的不可避免的影响。 薛定谔方程：粒子的“命运”之舞： 我们将深入探讨薛定谔方程，将其视为描述微观粒子状态演化的基本动力学方程。我们会解释波函数（$Psi$）的物理意义——它不是实际的波，而是概率幅的数学表达。读者将理解，在量子世界中，我们无法确定粒子“在哪里”，只能计算它“可能在哪里”的概率分布。 量子叠加与不确定性原理： 叠加态是量子世界最反直觉的特性之一，一个粒子可以同时处于多种状态的组合。我们将用一个思想实验来阐释这种叠加的本质，而非直接讨论量子比特（Qubit）的存储。海森堡的不确定性原理将被系统地介绍，它揭示了物理量之间内在的、非人为造成的精确度限制，例如动量和位置的相互制约。 第二章：纠缠的幽灵之距——量子关联的本质 本章聚焦于量子力学中最令人着迷、也最违反直觉的现象之一：量子纠缠。在这里，我们的重点是理解这种关联的物理机制和哲学意涵，而非其在信息传输中的应用。 爱因斯坦的质疑与EPR悖论： 我们将回顾爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的著名思想实验（EPR），他们试图证明量子力学是不完备的，因为纠缠似乎暗示了“幽灵般的超距作用”。本章将详细解析“非定域性”的概念，即一个粒子的状态瞬间影响到远方另一个粒子的状态。 贝尔不等式与实在性检验： 伟大的约翰·贝尔如何将这场哲学争论转化为可实验检验的数学不等式。我们将解释贝尔不等式的物理意义：如果世界是“定域隐变量”所支配的（即粒子在测量前已经确定了所有属性），那么实验结果必须满足这个不等式。而实际的实验结果一次又一次地违反了贝尔不等式，强有力地证明了量子世界存在着深刻的、非定域的关联性。这种关联性是纯粹的物理现象，而非信息传递的途径。 纠缠的度量与结构： 我们将探讨如何量化纠缠的程度，理解一个系统必须具备何种物理结构才能表现出这种强烈的关联性。重点在于理解，尽管状态是瞬时关联的，但我们不能利用这种瞬时关联来传递任何经典信息，从而维护了狭义相对论的因果律。 第三章：从概率到实在——量子力学的诠释之争 量子力学是迄今为止最成功的物理理论之一，但“它究竟告诉了我们什么”却引发了长达百年的争论。本章将梳理主流的哲学诠释，探讨测量问题，而不是讨论如何构建量子计算机。 测量的难题与波函数坍缩： 为什么一个粒子处于叠加态，但在我们观测它时，波函数会瞬间“坍缩”到某一个确定的本征态？坍缩的过程是物理的、连续的，还是瞬时的、非物理的？我们将分析哥本哈根诠释（玻尔、海森堡）的核心观点，以及它如何界定经典世界与量子世界的边界。 替代的视角：多世界与隐变量： 我们将介绍休·埃弗雷特的“多世界诠释”，即每一次测量都导致宇宙分裂成无数个平行的分支，每个分支对应一个可能的结果。这是一种完全决定论的解释，避免了随机的坍缩。此外，我们也会回顾德布罗意的“导引波理论”（玻姆力学），其中粒子总是有明确的位置，只是由一个“量子势”所导引。 量子信息论的哲学背景： 探讨量子力学如何挑战我们对“信息”本身的定义。信息不再是客观存在于物体中的属性，而是与观察者、测量仪器之间的交互关系中产生的。我们将讨论量子信息论如何帮助我们更清晰地界定什么是“可区分的”，什么是“不可克隆的”物理资源。 结语：超越我们的直觉 本书的宗旨在于深化读者对量子世界基本物理图像的理解。我们探索了粒子如何兼具波和粒子的特性，关联的非定域性如何在数学上被证实，以及物理学家和哲学家们为理解测量行为所进行的深刻辩论。通过这些基础原理的梳理，读者将对未来所有基于量子现象的技术革命——无论其最终形态如何——拥有一个坚实而深刻的物理学背景认知。我们跨越的，是经典直觉与微观实在之间的鸿沟。

评分☆☆☆☆☆

我选择这本书，很大程度上是因为它承诺要揭示“背后原理”。很多时候，我们接触到的科技概念，都只是停留在“是什么”的层面，而很少有机会深入了解“为什么”。比如量子通信，我知道它比传统通信更安全，速度更快，但具体是怎么实现的，为什么能做到这一切，我一直没有一个清晰的概念。这本书的标题，尤其是“背后原理”这几个字，精准地击中了我的痛点。我希望它能像一位循循善诱的老师，用生动形象的比喻，清晰的逻辑，一步步地剖析量子通信和量子密码的核心机制。我不是科班出身，对物理学的专业术语可能并不熟悉，所以这本书如果能够做到通俗易懂，避免过多的冗余和晦涩的推导，那将是对我这样普通读者最大的福音。我希望读完这本书，我能真正地理解，是什么让量子通信如此特别，又是什么让量子密码如此坚不可摧。

评分☆☆☆☆☆

“跨越时空的骰子”这个书名，总让我想起一些科幻小说里的情节，那种时间与空间交错，信息传递不受物理限制的奇妙场景。虽然我知道这本书是关于科学原理的，但这种联想，让我在阅读前就充满了期待。我想象中的量子通信，或许就是能够实现比光速更快的信息传输，或者能够突破时空的阻碍，将信息传递到遥远的过去或未来。而量子密码，则更像是拥有了绝对安全的“密钥”，让任何窃听者都无处遁形。这本书能否将这些令人神往的科幻概念，与真实的科学原理巧妙地结合起来，是我非常好奇的。我期待它能用一种引人入胜的故事线，或者通过对前沿科学家的访谈，来展现量子通信和量子密码的魅力，让我不仅学到知识，更能感受到科学的浪漫与伟大。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就充满了吸引力，那种带有宇宙星辰和抽象几何图形的交织，很容易让人联想到其中蕴含的深邃知识。我一直对“量子”这个词充满了好奇，但又觉得它遥不可及，总觉得是科学家们才能触及的领域。但“跨越时空的骰子”这个书名，却用一种非常形象、甚至有点奇幻的方式，将量子通信和量子密码这两个听起来高大上的概念拉近了距离。我想，作者一定花了很多心思去构思这个书名，它既能激发读者的兴趣，又能暗示书中内容的前沿性和神秘感。我尤其好奇“骰子”这个意象在量子世界中扮演的角色，是概率的象征，还是某种不可预测性的体现？这本书能否用一种更贴近生活、更容易理解的方式来解读这些抽象的原理，是我非常期待的。希望它能像一个引路人，带我走进量子世界的奇妙大门，而不是让我望而却步。

评分☆☆☆☆☆

这本书的副标题，“量子通信、量子密码的背后原理”，让我觉得它不像市面上那些浅尝辄止的科普读物。很多时候，我们看到的科普文章，只是简单介绍概念，而真正触及核心原理的，却寥寥无几。我渴望了解量子纠缠、量子叠加这些概念是如何被应用到通信和密码学中的。这本书会不会深入讲解这些量子力学的基本原理，并且说明它们是如何转化为实际应用的？我希望它能帮助我理解，为什么传统加密方式在量子计算面前会显得脆弱，以及量子密码的出现，又将如何构建一个全新的安全体系。当然，我并不指望这本书能让我立刻成为量子领域的专家，但我希望它能为我构建一个扎实的知识框架，让我能够对这些前沿技术有一个更深刻、更系统的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，“跨越时空的骰子”，给我一种极大的想象空间。我想象着，这个“骰子”可能象征着量子世界的随机性和不确定性，而“跨越时空”则暗示着量子通信和量子密码所能达到的神奇效果。我很好奇，作者是如何将“骰子”这个看似普通的事物，与高深的量子原理联系起来的。这本书会不会通过一些巧妙的比喻和类比，来帮助读者理解那些抽象的量子概念？比如，量子比特是如何像一个可以同时处于多种状态的“骰子”，而量子通信又是如何利用这种特性来实现信息传输的？我非常期待这本书能够以一种独特而富有创意的方式，来解读量子通信和量子密码的奥秘，让我在阅读过程中，不仅能收获知识，更能享受到一种智力上的探索乐趣。

评分☆☆☆☆☆

觉得很前沿神秘，所以想了解，学习来?

评分☆☆☆☆☆

整体还好，还是有点儿专业，看着有点儿困

评分☆☆☆☆☆

虽然没有包装纸 但是很新 内容估计可以 还没看

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非常好

评分☆☆☆☆☆

跨越时空的骰子量子通信、量子密码的背后原理跨越时空的骰子量子通信、量子密码的背后原理

评分☆☆☆☆☆

还没看 书质量还行

评分☆☆☆☆☆

最近量子通信搞得很密码,凭兴趣搞得了解一下

评分☆☆☆☆☆

物流速度很快，快递员很好。

评分☆☆☆☆☆

浅显易懂的科普读物