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2021-09-27 07:08:02PChome書店

一次搞懂量子通訊


一次搞懂量子通訊
作者:神們自己 出版社:時報出版 出版日期:2021-09-22 00:00:00

<內容簡介>

薛丁格的貓>一隻貓的生與死,影響著量子力學的問題與矛盾。
愛因斯坦>與波耳的量子物理之爭,促進量子力學的發展。
密碼學>二戰期間,圖靈的密碼學發揮關鍵作用,盟軍才能順利擊敗納粹。

上課聽不懂、考試想不通?跟著愛因斯坦、薛丁格與圖靈,快速理解物理的疑難雜症!

誰適合讀《一次搞懂量子通訊》?
有「十萬個為什麼」的孩子,能有機會更快、更無壓力地進入奇妙的量子世界
對理科頭疼的國、高中生,發現科學神奇的魅力,找到豁然開朗的轉折點
大學物理相關科系學生,真正搞懂課堂中探討的知識究竟是什麼
職場拚搏的上班族,「魔法科技」早已成為現實,而世界仍在加速變化

量子到底是什麼?IBM、Google為何要爭奪「量子霸權」?搞懂量子就能像《駭客任務》一樣隨心所欲?凱撒大帝是最早發明密碼學的人?愛因斯坦受到幽靈的困擾才搞懂量子糾纏……未來屬於有好奇心的人!

從凱撒大帝到神探福爾摩斯,從物理、哲學到密碼學,以時代為舞臺,以宇宙為主角,讓你看看新世界科技的真面目!

圖解十大量子實驗,回眸十五位科學天才的閃耀時刻,展望無處不在的量子黑科技。只講故事、不講理論,「薛丁格的貓」、「愛因斯坦的量子物理」、「密碼學」三大領域輕鬆融會貫通。

這不是一本量子力學的史詩鉅作,也不是科學家的神蹟紀錄片,而是連文科生都能看懂,讓人可以邊看邊笑,輕鬆理解量子通訊與密碼學的「科普小說」。

翻開本書,您可以發現對物理學的興趣之外,還能讀懂世界的過去、現在和未來。

★專家推薦:

佑來了 科學型YouTuber
陳正源 臺北市立第一女子高級中學物理科教師
簡麗賢 臺北市立第一女子高級中學物理科教師
專業推薦(依姓氏筆畫排序)

★目錄:

前言 為什麼我們該學黑科技?因為未來屬於有好奇心的人

CHAPTER 1 魔法時代
Section 1 百年戰爭
Section 2 千面之神
Section 3 靈異實驗
Section 4 觀察者的魔咒
Section 5 三觀的崩塌

CHAPTER 2 薛丁格的貓
Section 1 學歷最高的運動員
Section 2 薛丁格的貓
Section 3 我思故我在
Section 4 命運之眼
Section 5 天機不可洩漏
Section 6 回到未來
Section 7 眼見為實

CHAPTER 3 愛因斯坦的幽靈
Section 1 愛因斯坦之夢
Section 2 幽靈的威脅
Section 3 量子駭客
Section 4 幽靈成像
Section 5 宇宙的洪荒之力

CHAPTER 4 終極密碼
Section 1 密碼簡史
Section 2 小舞人探案
Section 3 機器新腦
Section 4 圖靈的祕密
Section 5 阿基里斯之踵
Section 6 全民加密

CHAPTER 5 兵者詭道
Section 1 魔法硬幣
Section 2 無條件安全
Section 3 兵者詭道
Section 4 最強之矛與最強之盾

致謝

<作者簡介>

神們自己
畢業於復旦大學理論物理專業科系,研究方向為量子級別的分子電子學與理論計算。
興趣廣泛,文理皆有所好,對量子通訊、電腦、人工智慧領域略有涉獵。
現從事網路+人工智慧行業創業。
知乎站內不可多得的優秀科普作者,已出版五本電子書,其中《貓、愛因斯坦和密碼學:我也能看懂的量子通信》長時間占據電子書暢銷榜。

★內文試閱:

前言

為什麼我們該學黑科技?因為未來屬於有好奇心的人

上課時,大部分物理系同學都竊竊私語:
「消耗這麼多珍貴的腦細胞學這些東西有什麼用?」
「量子力學有什麼用?」
「廣義相對論有什麼用?」
「薛丁格方程式、路徑積分和群論究竟有什麼用?」
那時,理論物理學還是一項難以描述的專業。
每當叔叔、阿姨、大伯、大嬸好奇地問我學什麼,老實回答後,總會出現一陣莫名的沉默。
短暫的寂靜後,會傳來一陣悲天憫人的聲音:
「學這個專業將來找什麼工作啊??」
十年前,同學們在寢室激辯「薛丁格的貓」,在教室聽教授吹噓量子電腦的浮誇功能,期末考前鬥志昂揚地準備小抄時??我們都以為像量子這種謎之科技,只能存在於象牙塔和實驗室中。
十年後,當我破天荒地轉到電視臺,看了一晚上的科普版量子通訊──我震驚了。
我從沒想到它這麼快就有用了!
二○一六年八月十六日,「墨子號」──一顆中國製造的量子通訊終端衛星,在全世界的眼皮底下衝出實驗室,飛向太空。
自從一九○○年,馬克斯.普朗克(Max Planck)發明「quantum」這個單字至今,量子終於從哲學辯論會的題材,變成魔法般的黑科技。基於量子糾纏,能造出比現在快一億倍的量子電腦;而超距作用和貝爾不等式,把量子糾纏變成加密通訊領域的終極武器。
真實的未來,總是比我們以為的精彩。
據說,如果人類沒有發明量子理論,就不會有今天引以為傲的半導體晶片和網際網路,全球三分之一的國內生產毛額(GDP,Gross Domestic Product)將不復存在。
而這三分之一的GDP,大部分基於二十世紀三○年代的理論框架,相當於大學物理本科二年級《量子力學(下)》的水準。
現在,「墨子號」量子通訊衛星飛上天了,五年後人人都會用無法破解的加密網路刷信用卡。再等到量子電腦投入量產,人工智慧在恐怖的哈希率(HashRate,又稱算力)加持下統治世界??到時候,可能全球九九.九九%的GDP都必須歸功於量子理論吧!
驚喜嗎?其實這些不過是運用二十世紀八○年代的理論而已。
蓄勢待發的還有弦理論、重力波、蟲洞、量子隱形傳態??這些三十年前就被人紙上談兵的理論,變成真正改變世界的武器,將是怎樣的魔法時代啊??
我常想,這個看似司空見慣的尋常世界,其實是個巨大的謎團,宇宙、社會、代碼、商業究竟是如何運作的?
無論是仰望星空還是改變世界,真相永遠只有一個,而且總是出乎意料的簡單與殘酷。但是,只有在探索的路上才能贏得力量,收穫價值,發現意義。這樣,當我臨死回首往事時才不會說:「原來我終其一生,只是這個世界的 guest(訪客)用戶。」
這是我寫這本書的目的。
你不需要學過高等數學,只需要有好奇心。好奇心會讓你把這本書當作懸疑推理小說,全程無尿點地讀完一章,然後像追美劇般義無反顧地翻開下一章,時不時還發出看相聲段子時的會心一笑。
我不期待你看完這本書就能變身成民間物理學家,但期待未來的夢想家和技術宅能看到科技的全部潛力,解鎖宇宙的隱藏關卡。
一個被黑科技主宰的未來,一個「墨子號」、「AlphaGo」成為熱門新聞的未來,屬於有好奇心和想像力的人。誠如阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)所說,它們比知識更重要。
當一個人與生俱來的好奇心漸漸喪失,他不是在長大,只是在變老。
或者,你可以繼續等待 ─就像在火車站自動售票機前躊躇的人,茫然無措地看著正在崛起的新時代,載著一群年輕而陌生的面孔,飛馳而去。
這是你的選擇。

CHAPTER 1 魔法時代

一百一十九年前的十二月十二日,位於加拿大紐芬蘭島的聖約翰斯港口。
那一天,如果有人路過這片荒涼的海岸,一定會被眼前的奇景驚訝到掉下巴:海灘的鐘樓上空,竟然翱翔著一只巨大的六邊形風箏。它迎著凜冽的海風一躍而起,在一百二十公尺的高空盤旋,驕傲地俯瞰一望無際的大西洋。
鐘樓裡,一個年輕人焦灼的目光正眺望著大洋彼岸的英格蘭。冬日的陽光冷冷地盯著鐘樓的指標,疲憊的波濤百無聊賴地拍打著礁石。他把電話聽筒緊緊貼在耳邊,直到手心攥出汗─但他什麼都沒聽見,除了自己在一片寂靜中無法抑制的心跳聲。也許,快了,就快到了??
他在等候一個遠道而來的客人。
三千七百公里外的英格蘭,一束掙脫天線重獲自由的電磁波正以光速衝破雲層,眼看就要飛向外太空,卻在六萬公尺的高空一頭撞上電離層,一個跟頭栽進大西洋。
從海裡爬起來一看,不知不覺已來到楓葉之國,本打算再繞著地球多溜達幾圈解悶,不料竟被一根裝在風箏上的天線俘獲,身不由己地沿著導線滑進聽筒,變成三聲微弱而堅定的「嘀、嘀、嘀」。
只用了○.○一秒,就成為人類歷史上第一個橫跨大西洋的無線電訊號。
歷經六年研發,耗資數萬英鎊(相當於今天的四億三千萬新臺幣),面對無數次挫敗和冷眼,年僅二十七歲的古列爾莫.馬可尼(Guglielmo Marconi)終於成功了,他用無線電改變世界!只發送了一個字母S。而且,實驗的大部分時間,這個S微弱到幾乎無法聽清楚。難怪很多專家對馬可尼的發明不屑一顧,甚至質疑能否稱之為發明──畢竟,只能發出一個字的技術也算通訊嗎?
普通人的眼裡,那一天不過是報紙上一行「看起來很厲害,但卻不知道是什麼」的頭條,一則真假難辨的傳聞,一種距離現實遙遙無期的黑科技。
那一天,似乎什麼都沒有改變。
直到兩年後,英國《泰晤士報》正式使用無線電向美國發送每日新聞;
直到八年後,三十五歲的馬可尼憑藉無線通訊領域的發明獲得諾貝爾物理學獎;
直到十一年後,絕境中的鐵達尼號靠著無線電呼救,七百一十名乘客和船員獲救;
直到二十一年後,世界上第一個無線廣播電臺開始播音;
直到三十六年後,馬可尼病逝時,英倫三島所有無線電全體靜默兩分鐘,致敬這位為無線通訊事業奉獻一生的義大利奇男子。
包括馬可尼自己,當時沒有人能夠想像接下來的一百多年,通訊會把世界變成這樣:
二○一六年八月十六日,世界 第一顆量子通訊衛星「墨子號」從中國的酒泉基地發射。
就像當年的馬可尼一樣,今天的我們無從想像,未來的量子通訊與量子計算,終將帶來一個怎樣的魔法時代。
絕對安全的資訊傳輸?秒破全世界加密系統的超級電腦?瞬移、穿越將不再是科幻?
二○一六年八月十六日,潘建偉院士的量子通訊衛星飛上天了。
二○一七年八月十日,「墨子號」完成三大科學實驗任務,實現星地間一千二百公里的超遠距離量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態。
二○一七年九月二十九日,連接北京、上海,全長二千多公里的量子通訊骨幹網路「京滬幹線」開通,與「墨子號」成功對接。
二○一八年十一月十三日,武漢-合肥量子通訊網「武合幹線」開通;同年底,中國量子網路線路總長超過七千公里。
今天,已經有量子通訊手機和視訊會議系統,政府和銀行都用量子通訊傳輸加密資料,阿里巴巴已經把量子通訊搬到雲端。下一步,量子通訊的大規模商業化正蓄勢待發。也許不久後,人人都會用無法破解的加密網路「剁手」、聊天、看直播。難道,你還覺得量子理論是象牙塔裡的黑科技,和你的生活毫無關係?
讓我們先從神祕的量子理論開始,解密量子通訊。
這註定是一段不可思議的旅程。

任何足夠先進的科技,
初看都與魔法無異。
――亞瑟.克拉克(Arthur Charles Clarke)

如果你完全不懂量子力學,請放心大膽地往下看,我保證不用任何公式就能秒懂,連一加一等於二的幼兒園數學基礎都不需要。
如果你自以為懂量子力學,請放心大膽地往下看,保證看完會仰天長嘆:「什麼是量子力學啊?!」
正如量子力學兼撩妹大師理察.費曼(Richard Feynman)的名言:「從前,據說世界上只有十二個人懂相對論──我不信。也許曾經只有一個人懂相對論,但當人們看他的論文後,懂的人肯定不只十二個。然而另一方面,我可以有把握地說,沒有人懂量子力學。」
換句話說,誰要是覺得自己徹底搞懂量子力學,那他肯定不是真懂。
在燒腦、反直覺和「毀人三觀」方面,恐怕沒有任何學科能和量子力學相比。如果把理工男最愛的大學比做霍格華茲魔法與巫術學院,唯一能與量子力學專業相提並論的只能是黑魔法。
然而,量子理論之所以看上去如此神祕,不是因為物理學家故弄玄虛。其實,量子理論誕生之初的搖籃時期,它原本只是人畜無害的學科,專門研究電子、光子之類的小玩意兒。而「量子」這個現在看來很厲害的名詞,本意不過是指微觀世界中「一份一份」的不連續能量。
這一切都源於一次物理學的靈異事件……