?Charles H. Bennett，美國科學(xué)院院士，IBM Research 的物理學(xué)家和信息理論家。他在 IBM工作的重點是重新審視信息的物理基礎(chǔ)，將量子物理應(yīng)用于信息交換的問題。他在闡明物理和信息之間的相互聯(lián)系方面發(fā)揮了重要作用，特別是在量子計算、元胞自動機(jī)和可逆計算等領(lǐng)域。他與 Gilles Brassard 一起發(fā)現(xiàn)了量子密碼學(xué)的概念，是現(xiàn)代量子信息理論的創(chuàng)始人之一。曾獲得沃爾夫物理學(xué)獎，哈維科技獎，狄拉克獎?wù)?，墨子量子獎等多個獎項。
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【墨子沙龍】 Bennett——Quantum nature of information_騰訊視頻
圖文
信息理論誕生于對實際經(jīng)驗的抽象。
在20世紀(jì)產(chǎn)生了一些極其重要的，通用的、跟硬件無關(guān)的概念。這些抽象的概念是目前計算機(jī)的基礎(chǔ)。是由查爾斯·巴貝奇在19世紀(jì)首先提出，20世紀(jì)被圖靈證明，后來香農(nóng)提出了通用的、跟信息含義無關(guān)的通信理論。20世紀(jì)后半葉，人們將量子力學(xué)的概念吸收納入信息科學(xué)，并真實地改變了計算和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。
量子力學(xué)的發(fā)展橫跨了整個二十世紀(jì)。但是在二十世紀(jì)的大部分時期，量子效應(yīng)被認(rèn)為是不好的東西，噪聲的來源。如今我們知道量子效應(yīng)已經(jīng)產(chǎn)生了很多積極的作用，誕生了新興的計算和密碼學(xué)等。
量子信息
我們所有人都在使用經(jīng)典信息，每個人身上都帶著上百萬的晶體管。那么應(yīng)該如何解釋量子信息呢？量子信息總是讓人們很恐慌。如果被人問到量子信息是什么，該如何解釋呢？
我是這么解釋量子信息的，與書里面的經(jīng)典信息不同，量子信息就像是夢里面的信息。當(dāng)你嘗試想將你的夢描述給誰的時候，你就會忘記你的夢。你只會記得你關(guān)于這個夢說的話，你也無法向別人證明你做了這個夢，你甚至可以關(guān)于你夢到的東西撒謊。與夢境不同，量子信息是有十分簡單基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)形式的理論的。
量子信息的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)很簡單，但卻十分奇特。量子信息的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)如此奇怪，量子信息似乎不遵從我們通常所理解的概率理論中的一般定理。
態(tài)疊加原理
量子力學(xué)的核心原理是態(tài)疊加原理。量子疊加原理說的是并非所有量子態(tài)之間都是完全可區(qū)分的?？赏耆珔^(qū)分并不是指由于設(shè)備不足而造成的，而是指原理上的可完全區(qū)分。在任意兩個可被完全區(qū)分的量子態(tài)之間，仍然有其他的量子態(tài)，不能完全區(qū)分出來。這里的可區(qū)分度的意思是，一個物理系統(tǒng)的任意一個態(tài)都跟空間中的一個方向?qū)?yīng)。只不過這個空間不是通常的物理空間，這個空間的維度的數(shù)量與可以完全區(qū)分開的態(tài)的數(shù)量一致。所以有3個維度就意味著可完全區(qū)分開的態(tài)的最大數(shù)目是3。事實上，任意三個互相垂直的方向都是可以完全區(qū)分開的，最簡單的空間只有兩個維度。
光子是一種粒子，它們的偏振只有兩種可以完全區(qū)分的狀態(tài)。而且你可以跟蹤這些光子的行進(jìn)方向，因為光子們都沿著一個方向運動。光子的偏振方向總是跟光子的行進(jìn)方向垂直。偏振方向是垂直的光子可以完全和偏振方向為水平的光子區(qū)分出來，但是并不能完全跟其他角度偏振的光子區(qū)分出來。然而，偏振方向為45度角的光子和偏振方向為135度角的光子也可以被完全區(qū)分出來。
盡管量子信息和經(jīng)典信息有這些區(qū)別，這里的“經(jīng)典信息”就是指人們通常所說的“信息”，在量子信息領(lǐng)域，我們將人們通常所說的“信息”稱為“經(jīng)典信息”。
量子信息學(xué)科一直到二十世紀(jì)晚期才誕生。我們都知道經(jīng)典信息可以用比特來表示。每一種計算都可以用“與”操作和“非”操作來表示，將這些操作運行在那些比特上，人們在十九世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)了這些。量子信息則是用雙態(tài)的量子系統(tǒng)來表示的，比如說光子。對量子信息的操作可以用對量子比特的操作來表示。
偏振光子
光子的偏振方向與行進(jìn)的方向垂直。放置一個對稱性足夠低的透明材料（比如說碳酸鈣）讓光子入射其中，水平偏振的光子將會直接沿著原來的行進(jìn)方向出來，垂直偏振的光子將會在晶體內(nèi)部轉(zhuǎn)向，然后再從晶體出射。這意味著你可以用每個光子來攜帶一個比特的信息。如果你旋轉(zhuǎn)這些光子，將會發(fā)生很奇特的量子現(xiàn)象。比如激光筆會產(chǎn)生偏振光子，如果讓這些光子入射進(jìn)同一個晶體，其中一些光子變成了水平偏振，而其他的光子則在晶體內(nèi)轉(zhuǎn)向，并變成了垂直偏振。
而這種情況的發(fā)生是概率性的，這就是量子力學(xué)的一個基本的詭異之處。
這個概念是如此奇怪，給大家提供一個隱喻以幫助理解。這個隱喻是由合作伙伴比爾·伍特提出來的，他在很長的職業(yè)生涯中一直在教本科生。
他說量子疊加就有點像老式的教學(xué)方式在這種學(xué)校里，只能由老師來講，而學(xué)生則不應(yīng)該問任何問題，甚至不應(yīng)該回答老師，除非被老師提問了。老師就像是這里的測量裝置，比如這里的方解石晶體和兩個光子探測器。當(dāng)然光子就是那些可憐的沒有任何權(quán)力的學(xué)生。老師問學(xué)生：你的偏振是垂直方向的還是水平方向的？學(xué)生回答：我偏振方向55度。（譯者注：光子原本的偏振方向既不是垂直的也不是水平的，而是在兩者之間。）
然后老師說：我想我是問了你這樣一個問題，你的偏振方向是垂直的還是水平的？
（譯者注：由于測量裝置只能通過垂直偏振或者水平偏振的光子，所以其他偏振方向的光子也必須要在這兩種偏振方向中隨機(jī)地選擇一個）
學(xué)生回答：水平的，先生。
老師繼續(xù)問：那你曾經(jīng)有過其他的偏振方向嗎？
學(xué)生回答：先生，沒有過。我一直是水平偏振的。
（譯者注：一旦光子在經(jīng)過測量裝置時選擇了偏振方向，那么便一直是這種偏振方向了）
這真的很奇特，而且看起來一點不像物理學(xué)倒有點像是恫嚇或者心理學(xué)等。
量子密碼
如果你將這個晶體入下圖放置，垂直偏振和水平偏振的光子可以被完全區(qū)分開。
如果你將光子的偏振方向旋轉(zhuǎn)45度角，再將晶體也旋轉(zhuǎn)45度角。那么你可以完全區(qū)分出這兩種偏振方向的光子。
（譯者注：這里指將水平偏振和垂直偏振光子旋轉(zhuǎn)45度后得到的45度偏振和135度偏振光子）
光子是一個兩維系統(tǒng)，這個兩維系統(tǒng)是量子希爾伯特空間中的系統(tǒng)。量子的空間，就叫做希爾伯特空間。水平偏振和垂直偏振可以被完全區(qū)分出來。45度偏振和135度偏振態(tài)也可以被完全區(qū)分出來。但是沒有辦法可以將四種偏振方向的光子完全區(qū)分出來。
威斯納在他1968年的手稿中就提議使用這個原理了。
（譯者注：威斯納用這個原理制作quantum money，即量子貨幣）
事實上這僅僅是在信息理論被建立二十年后。銀行制作了這些量子貨幣。你以為你只需要一個能夠完全反射光子的箱子。然而事實上，如果你制作了一個能夠完全反射光子的箱子。這些光子會在一微秒甚至更短的時間內(nèi)消失。銀行制作了這些量子貨幣，并且銀行知道量子貨幣所包含的偏振光子的順序。如果有人想復(fù)制這些量子貨幣，他的做法會破壞掉其中一些光子的偏振態(tài)。
量子貨幣
吉爾和我將這個想法帶到了量子密碼學(xué)的第一個驗證實驗里，實現(xiàn)了量子通信，通信距離30厘米?，F(xiàn)在，墨子衛(wèi)星的成碼率都比這通信距離只有三十厘米的裝置的成碼率高。（譯者注：一般通信距離增加后，成碼率會降低。）
總之，這就是量子密碼了。
關(guān)于“墨子沙龍”
墨子沙龍是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院主辦、上海市浦東新區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會及中國科大新創(chuàng)校友基金會協(xié)辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學(xué)有濃厚興趣、熱愛科普的普通民眾，力圖打造具有中學(xué)生學(xué)力便可以了解當(dāng)下全球最尖端科學(xué)資訊的科普講壇。
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