《信息簡史》這本書可能在科普讀物里屬于不那么好讀的。我始終認(rèn)為，這絕不是作者的錯，實(shí)在是這部歷史太宏大了，若不是格雷克這樣的大牛，恐怕少有人敢挑戰(zhàn)這樣的話題，即使是格雷克，也是花費(fèi)了7年的時(shí)間。譯者高博，在譯后記里也說，“當(dāng)初接手這本書的翻譯時(shí)，對原著的難度之高也是始料未及”，六易其稿，方才得以付梓。
這本書的難度，在于它超出了一般人的知識廣度以及思維定勢。現(xiàn)在有很多諸如“每天讀1本書”之類的知識付費(fèi)推送，但介紹這本書的很少，因?yàn)樗茈y用只言片語說清楚。
但是，我覺得，花些功夫讀這本書，或者反復(fù)讀一些章節(jié)，是值得的。它可粗讀、可細(xì)讀，不同人、不同需要，可以有不同的選擇。如果按照最近很火的一本書《刻意練習(xí)》的說法，學(xué)習(xí)任何知識和技能都要“超越舒適區(qū)”方能有所收獲?？墒?，超越舒適區(qū)這種說法總讓人聯(lián)想到頭懸梁錐刺股，其實(shí)關(guān)鍵看心態(tài)，閑暇之時(shí)，在單純的好奇心的驅(qū)使下，本著“獲取知識消磨時(shí)間”的心態(tài)，利用便捷的互聯(lián)網(wǎng)，對這本書涉及的某些細(xì)節(jié)進(jìn)行一番尋根究底，也不失為人生樂事。

第13章 信息是物理的（萬物源自比特）

首先，為何我在前面做了這么一番鋪墊？就是因?yàn)檫@一章比較難，因?yàn)檫@一章把量子物理和信息論聯(lián)系起來了！而這兩樣，對我們來說，都是“不明覺厲”的典型！

量子力學(xué)這玩意兒確實(shí)不是一兩句話能說清的，不僅如此，它幾乎是反常識、毀三觀的，不僅僅是對我等凡夫俗子，即使是對愛因斯坦這樣的“業(yè)內(nèi)大?！?，他至死都無法接受量子力學(xué)的一些觀點(diǎn)。

關(guān)于量子力學(xué)的科普讀物，我強(qiáng)烈推薦曹天元的《上帝擲骰子嗎——量子力學(xué)史話》，這本書是能夠讓普通人體會到量子力學(xué)對整個人類認(rèn)知的挑戰(zhàn)性和撼動力的為數(shù)不多的量子力學(xué)科普書。這本書再版多次，現(xiàn)在網(wǎng)上流傳的有三種封面，我讀的是如下這種封面的，也是三種封面里我最喜歡的一個設(shè)計(jì)。

《上帝擲骰子嗎——量子力學(xué)史話》

沒有讀過的童鞋，可以體驗(yàn)一下下面這兩段話，這是這本書序言里的：

我在這里要給大家講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇，由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛，亂花迷眼。正在沒個頭緒處，突然間峰回路轉(zhuǎn)，天地開闊，如河出伏流，一瀉汪洋。然而還未來得及一覽美景，轉(zhuǎn)眼又大起大落，誤入白云深處不知?dú)w路……量子力學(xué)的發(fā)展史是物理學(xué)上最激動人心的篇章，我們會看到物理大廈在狂風(fēng)暴雨下轟然坍塌，卻又在熊熊烈焰中得到了洗禮和重生。我們會看到最革命的思潮席卷大地，帶來了讓人驚駭?shù)碾婇W雷鳴，同時(shí)卻又展現(xiàn)出震撼人心的美麗。我們會看到科學(xué)如何在荊棘和沼澤中艱難地走來，卻更加堅(jiān)定了對勝利的信念。

量子理論是一個極為復(fù)雜而又難解的謎題。她像一個神秘的少女，我們天天與她相見，卻始終無法猜透她的內(nèi)心世界。今天，我們的現(xiàn)代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術(shù)，幾乎沒有哪個領(lǐng)域不依賴于量子論。但量子論究竟帶給了我們什么？這個問題至今卻依然難以回答。在自然哲學(xué)觀上，量子論帶給了我們前所未有的沖擊和震動，甚至改變了整個物理世界的基本思想。它的觀念是如此地革命，乃至最不保守的科學(xué)家都在潛意識里對它懷有深深的懼意?，F(xiàn)代文明的繁盛是理性的勝利，而量子論無疑是理性的最高成就之一。但是它被賦予的力量太過強(qiáng)大，以致連它的創(chuàng)造者本身都難以駕馭，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！?/p>

——曹天元《上帝擲骰子嗎——量子力學(xué)史話》序

是不是跑題了？也不是，因?yàn)椴蛔x這本書，讀《信息簡史》的這一章確實(shí)比較“懵懂”，不知道老格在說啥。我的能力有限，難以用幾句話把量子力學(xué)的思想大概介紹清楚，所以只能建議大家去讀《上帝擲骰子嗎——量子力學(xué)史話》

從邏輯上來看，量子力學(xué)與信息論是怎么走到一起的呢？ 這個媒人大概就是“概率”以及蘊(yùn)含在概率論中的概率思維，或者說人類對隨機(jī)性的認(rèn)識。

信息論前面已經(jīng)說過了，熵的概念跟概率密切相關(guān)，而量子力學(xué)最具顛覆性的，就是以“海森堡不確定性原理”為代表的觀點(diǎn)——人類從此失去了一個確定性的、可測量、可預(yù)測的世界！

《信息簡史》這本書的標(biāo)題以及標(biāo)題后的（）非常有意思，都是對一章內(nèi)容的點(diǎn)睛之筆，而且兩者真的是“相映成趣”，它們既是解開這一章核心思想的鑰匙，也是考察你對這一章理解程度的準(zhǔn)繩。

“信息是物理的”與“萬物源自比特”乍一看似乎是矛盾的，這主要是因?yàn)槲覀兺ǔπ畔⒌恼J(rèn)識都是“非物理的”，信息論中熵的概念，似乎打通了信息世界（信息科學(xué)）與物理世界（物理科學(xué)）的聯(lián)系，這個我們前面專門談到過，但后來的量子力學(xué)，對于這種程度的聯(lián)系，恐怕要“呵呵”了，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)看來，它只是修了一座橋梁或隧道而已。而量子力學(xué)，是將信息世界與物理世界統(tǒng)一了起來。如果按照這樣的理解，這個標(biāo)題的兩句話可以解讀為：因?yàn)閺牧孔恿W(xué)的觀點(diǎn)來看信息是物理的，所以萬物源自比特。量子力學(xué)的確是充滿悖論的，同時(shí)也的確是毀三觀的，這種觀點(diǎn)摧毀了唯物主義，仿佛說世界的本源是信息，但信息又是物理的——那只能說信息先于物質(zhì)但同時(shí)又依賴于物質(zhì)，那么，究竟是蛋生雞還是雞生蛋呢？

這一章大概就是在重現(xiàn)歷史上的上述糾結(jié)。

不如，我們就說幾個細(xì)節(jié)，幾個“好懂”的、與現(xiàn)實(shí)生活有聯(lián)系的細(xì)節(jié)吧：

1. 量子通信究竟是怎么回事？

量子力學(xué)處處都是悖論！這四個字會讓絕大多數(shù)人“不明覺厲”、“敬而遠(yuǎn)之”，但同時(shí)出自量子力學(xué)的概念在我們?nèi)粘Ｕ勝Y及科幻作品中又似乎比其他科學(xué)領(lǐng)域都流行，比如年前火了一把的“薛定諤的春節(jié)”，比如《星際迷航》中的一句“發(fā)送我吧”所實(shí)現(xiàn)的“星際傳人”，似乎不遠(yuǎn)的將來，我們辦個卡，biu的一聲刷一下，就可以瞬間到達(dá)至少地球上任意地方的夢想已經(jīng)快要實(shí)現(xiàn)了……

醒醒吧，騷年！ 要知道，科幻是源于科學(xué)而高于科學(xué)的想像空間。以《星際迷航》為代表的科幻作品的流行，反倒是給公眾造成了諸多“迷思概念”。量子通信其實(shí)與“傳人”相去甚遠(yuǎn)，量子通信的基本原理叫做“隱形傳態(tài)”（teleport），現(xiàn)實(shí)比想像骨感得多，就現(xiàn)在的科學(xué)發(fā)展水平而言，量子通信還不具備實(shí)用價(jià)值，局限多多，主要有以下三點(diǎn)：

1. 量子通信傳輸?shù)牟皇橇孔颖旧?，也就是不能傳遞物質(zhì)，只是量子的“狀態(tài)信息”；
2. 量子通信雖然可以在瞬間完成（與距離無關(guān)），但至少目前依然需要借助“經(jīng)典信道”——即我們現(xiàn)實(shí)中的通信方式完成，而經(jīng)典信道的最高速度是光速，因此，量子通信實(shí)際上其傳輸速度還是不能超過光速；
3. 量子通信是“剪切”而非“復(fù)制”，你如果用量子通信的方式抄我的作業(yè)，我是不會同意的，你抄了，我的作業(yè)就毀了。

量子通信原理的發(fā)現(xiàn)過程也是充滿悖論的，其初衷竟然是想“證偽量子力學(xué)”。1935年，愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）提出了一個思想實(shí)驗(yàn)，后人用他們的首字母稱為EPR實(shí)驗(yàn)。你可以制備兩個粒子A和B并使它們處于“糾纏態(tài)”——簡單說就是兩個粒子的狀態(tài)是互補(bǔ)的，你是上我就是下，你是左我就是右，你是風(fēng)兒，我是沙（串了……）。然后把這兩個粒子在空間上分開很遠(yuǎn)，任意的遠(yuǎn)，但由于它們是“糾纏態(tài)”的，按照量子力學(xué)的理論，當(dāng)你對A進(jìn)行測量的時(shí)候，A和B會同步發(fā)生變化。注意是同步，同步意味著不需要時(shí)間間隔、與AB間的距離無關(guān)，也就是速度無窮大。愛因斯坦他們的目的，就是運(yùn)用量子力學(xué)的理論，推導(dǎo)出一個錯誤的結(jié)論——信息傳遞的速度超過光速，違反相對論，因此，就可以證偽量子力學(xué)的理論了。愛因斯坦他們還給這種“神同步”起了個名字，叫做“鬼魅般的超距作用”。

上述實(shí)驗(yàn)只是“思想實(shí)驗(yàn)”，當(dāng)時(shí)想真做實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件也達(dá)不到。可是到了1980年代，阿斯佩克特等人實(shí)現(xiàn)了這個思想實(shí)驗(yàn)，結(jié)果你猜怎么著？完全跟量子力學(xué)的預(yù)言符合！真的是你測得一個EPR對中的A是“上”的時(shí)候，B就變成了“下”！這下真的見“鬼”了！

但是，現(xiàn)實(shí)總是骨感的，雖然現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子力學(xué)的理論，但就實(shí)際應(yīng)用而言，還有很多限制，主要就是上面那3點(diǎn)，同時(shí)，受技術(shù)條件的限制，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的傳輸距離也是非常有限的。

在量子通信的實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究方面，我國科學(xué)家潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)走在了世界前列：

潘建偉院士

• 1997年，潘建偉的老師、奧地利物理學(xué)家蔡林格帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了傳送一個光子的自旋。他們在《自然》上發(fā)表了一篇題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的論文包括倫琴發(fā)現(xiàn)Ｘ射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等。
• 2004年，蔡林格小組利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。
• 2009年，潘建偉的研究組與清華大學(xué)合作，在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳態(tài)，相當(dāng)于此前世界紀(jì)錄的27倍。
• 2012年，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了100公里自由空間的量子態(tài)隱形傳輸。
• 2015年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，首次證明了一個粒子的所有性質(zhì)在原理上都是可以被傳輸?shù)摹Ｍ暾饬x的量子隱形傳態(tài)，應(yīng)該說是2015年才實(shí)現(xiàn)的。英國物理學(xué)會新聞網(wǎng)站《物理世界》評選的2015年度國際物理學(xué)十大突破中，潘建偉團(tuán)隊(duì)的這一成果位列榜首。這是在中國本土完成的研究工作第一次獲此殊榮。
• 2016年8月16日，我國發(fā)射了世界上第一顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子號”，潘建偉擔(dān)任該項(xiàng)目的首席科學(xué)家?！澳犹枴钡闹饕芯磕繕?biāo)是量子通信在實(shí)際應(yīng)用方面最具吸引力的一項(xiàng)特征“信息安全”。量子通信在理論上決定了信息在傳輸過程中是無法被竊取的，因此這也成了當(dāng)前信息安全領(lǐng)域最具潛力的研究方向。

正如有了牛頓定律并不意味著人造衛(wèi)星馬上可以實(shí)現(xiàn)一樣，量子通信在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上還有很長一段路要走。但當(dāng)今的科技發(fā)展速度，這個時(shí)間顯然要比從牛頓定律到人造衛(wèi)星短得多。

2. 量子計(jì)算機(jī)究竟是怎么回事？

說完量子通信，再來說說量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)之于電子計(jì)算機(jī)最具革命性的地方就是天生具有超強(qiáng)的并行處理能力。

薛定諤的貓?jiān)谕粫r(shí)刻可以既是死的又是活的，這反映了量子的一種特性——“疊加態(tài)”。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲器，1比特的存儲空間，只能存儲0、1兩種狀態(tài)中的一種，也就是同一時(shí)刻要么是0，要么是1，不能“疊加”，而量子比特則可以同時(shí)存儲兩種狀態(tài)。

這樣一來，我們所熟悉的存儲空間的計(jì)算方法就徹底被突破了，我們熟悉的是n位二進(jìn)制可以表示的范圍是2^{n，但同時(shí)只能表示一個n位二進(jìn)制數(shù)，但如果是**n位量子存儲器，則是可以同時(shí)存儲2}n個數(shù)據(jù)！**

我們都知道，指數(shù)的增長是非?？膳碌?，按照上述原理，只需250位的存儲空間（由250個原子組成），就能存儲2^250個數(shù)據(jù)，這比現(xiàn)在已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多！

學(xué)過一點(diǎn)編程的人都知道，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)某一時(shí)刻只能操作一個數(shù)據(jù)（所謂多任務(wù)乃至超級計(jì)算機(jī)實(shí)質(zhì)上都是多個CPU并行工作，就單個CPU而言，依然是某一時(shí)刻只能操作一個數(shù)據(jù)），然而量子比特的上述性質(zhì)，就使得同時(shí)對2^{n個數(shù)據(jù)變?yōu)榭赡埽@就相當(dāng)于2}n個CPU同時(shí)工作！

以上是理論，現(xiàn)實(shí)的情況依舊骨感。我們都知道，電子計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)0、1兩種狀態(tài)的是電壓，這是一種宏觀的物理量，而量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)0、1兩種狀態(tài)的，是靠操縱微觀世界的量子，這在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上來說還有不小的難度。

就在這個月（5月3日），我看到一條新聞，標(biāo)題是“我國量子計(jì)算機(jī)研究取得重大突破 首次超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)”。這讓我感到很困惑，因?yàn)樵谖业男哪恐?，量子?jì)算機(jī)的速度與現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)不可同日而語，為什么僅僅超越了“早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)”就是“重大突破”？再仔細(xì)看新聞的內(nèi)容，更迷糊了：說白了，這里的“早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)”就是我們都非常熟悉的第一臺電子管計(jì)算機(jī)ENIAC和第一臺晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC，而這臺量子計(jì)算機(jī)，比它們快了10-100倍，就被視為“重大突破”了！

現(xiàn)在新聞從業(yè)者的科普意識和科普能力均有待提高，這樣的報(bào)道相信大多數(shù)人會和我一樣無法理解。在好奇心的驅(qū)使下，我在網(wǎng)絡(luò)上搜了一圈，方才有點(diǎn)明白。

其實(shí)就是上面所說的那個2^n的原理，n的大小直接決定了量子計(jì)算機(jī)的性能。這個n其實(shí)就是我們可以操縱的量子數(shù)，然而，精確操縱量子在目前來看還是非常困難的，以下這個數(shù)據(jù)，是人類在這方面前進(jìn)的步伐：

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國際上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領(lǐng)先水平。在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)打破。

上述新聞中報(bào)道的就是潘建偉團(tuán)隊(duì)取得的成果，他們首次將n提升到了10。

潘建偉團(tuán)隊(duì)所實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算裝置原理示意圖

當(dāng)光子數(shù)達(dá)到20個時(shí)，量子計(jì)算機(jī)就可以打敗常用的個人電腦。當(dāng)光子數(shù)達(dá)到50個時(shí)，可以超越當(dāng)前超級計(jì)算機(jī)的速度。而當(dāng)光子數(shù)達(dá)到100個時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以輕松達(dá)到任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都望塵莫及的速度。

你也許會問，要這么快的計(jì)算機(jī)有啥用？

用處大了！現(xiàn)在很多現(xiàn)實(shí)問題依然受制于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，比如高精度的天氣預(yù)報(bào)，用于預(yù)報(bào)天氣的數(shù)學(xué)模型即使能做到100%的準(zhǔn)確率，試想計(jì)算明天的天氣如果需要的時(shí)間超過24小時(shí)的話，還有任何意義嗎？

另外一個需要超強(qiáng)計(jì)算能力的就是加密與解密，這可是與信息社會每個人的切身利益密切相關(guān)的。這又是一個復(fù)雜的話題，長話短說吧。下面是當(dāng)前普遍采用的“非對稱加密算法”的原理，它的優(yōu)勢在于不需要傳遞密鑰（私鑰），避免了密鑰泄露的風(fēng)險(xiǎn)，其加密過程是這樣的：

1. 乙方生成兩把密鑰（公鑰和私鑰）。公鑰是公開的，任何人都可以獲得，私鑰則是保密的。
2. 甲方獲取乙方的公鑰，然后用它對信息加密。
3. 乙方得到加密后的信息，用私鑰解密。

因此，如果公鑰加密的信息只有私鑰解得開，那么只要私鑰不泄漏，通信就是安全的。

關(guān)于這個算法的科普，大家可以參見這里：
RSA算法原理（一）
RSA算法原理（二）

這種加密算法的底氣在哪里呢？就是要想解密，必須完成一個大數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解，而這個工作，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)來做，是非常耗時(shí)的，耗時(shí)到一定程度，也就可以說這種加密方法的破解，在現(xiàn)實(shí)中是不具備可操作性的了。

這里所說的大數(shù)有多大呢？上億？億億？億億億？

別想了，翻到362頁體驗(yàn)一下吧：

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52151726400507263657518745202199786469389956474942774063845925
19255732630345373154826850791702612214291346167042921431160222
1240479274737794080665351419597459856902143413
=
3347807169895689878604416984821269081770479498371376856891243
1388982883793878002287614711652531743087737814467999489
×
3674604366679959042824463379962795263227915816434308764267603
2283815739666511279233373417143396810270092798736308917

這其實(shí)只是一個形如C=A×B的簡單乘法算式。

2009年12月，一個由來自瑞士洛桑、荷蘭阿姆斯特丹、日本東京、法國巴黎、德國波恩以及美國華盛頓州雷德蒙德的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，動用幾百臺機(jī)器花費(fèi)了近兩年的時(shí)間，才將這樣一個“大數(shù)”分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積。

這僅僅是一個232位整數(shù)，當(dāng)前實(shí)際加密算法采用的是1024位整數(shù)，重要場合采用的是2048位整數(shù)。據(jù)估算，按照當(dāng)前的計(jì)算速度，500位的整數(shù)進(jìn)行質(zhì)因子分解，就需要4.2x10^17億年！簡直不可想像！

一旦量子計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的量子算法發(fā)展成熟，這個問題的求解時(shí)間將呈指數(shù)趨勢縮短，短到一定程度，在可接受的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)破解，這個作為現(xiàn)在信息安全基石的加密算法就形同虛設(shè)了。

換句話說，哪個國家率先研制出這樣的量子計(jì)算機(jī)，全世界在它的面前就都是“透明”的了，細(xì)思極恐??！