如何用通俗语言解释什么是量子通信?

 在知乎上看到一个提问,一时技痒,忍不住尝试回答一下。


如何用通俗语言解释什么是量子通信?

故事的初始版

话说B国出产一种奇特的宝石,有圆形和方形两种形状和红蓝两种颜色。这种宝石奇异之处在于,人们无法同时知道宝石的形状和颜色。宝石平时处于高速旋转状态,看不出来是方的还是圆的,但是可以看出颜色是红的或者是蓝的;当你用手紧紧抓住这个宝石,不让它旋转的时候,它的形状是确定知道是圆的还是方的了,可是这个不转动的宝石的颜色却变成了红色和蓝色不停闪动的紫色;一旦松开手,它又开始旋转,颜色却固定显示为红色和蓝色,不过不一定是你刚才抓它前的颜色。
彼时A国和B国处于敌对状态,战争一触即发。B国潜伏在A国政府高层的间谍刺探A国的国力和军力情报。然后用这种奇异的宝石向B国报告是否发起战争的信息,由于B国间谍只能派A国人送信,他也不能确定送信人是否会偷看这些宝石。
B国间谍在黑暗中摸索挑选出100颗同样形状的宝石,然后再装进一个密封的箱子里,派信使送到B国。按预先的约定,B国收信人同样在黑暗中摸索这些宝石:全是方形表示要开战,全是圆形表示讲和,不是同一种形状的话,杀死信使。
这些密封在箱子里的宝石一旦被人看见其颜色,再去摸它们的时候会发现本来一样形状的宝石,瞬间变成随机的两种形状。这样以来,如果信使偷偷打开箱子看到了这些宝石,本来是同一种形状的宝石会以五五开的概率变成圆形和方形两种形状。

这个解释的意义可以参考斯特恩•盖拉赫实验,一个比较形象化的课件大家可以玩玩。点这里。大家选3个磁极,中间那个拖动旋转90度,选自动发射就会发现原本被过滤掉的z-电子,在被测量了垂直轴磁极后又诡异出现了。

故事的增强版

其实B国这种奇异的宝石总是成对出产的,而且这对孪生的宝石之间有着神秘的联系:如果其中一个是圆的,另一个肯定是方的;如果其中一个是红的,另一个肯定是蓝的。
我们顺着第一个故事的背景谈。B国觉得让人从A国带信过来时间太慢,很容易贻误战机,而且A国信使的忠诚总是让人怀疑。于是就有了更先进的通信方法。
B国间谍去出发去A国刺探情报之前,先把100对孪生宝石一一分开,一半自己随身带着,另一半密封在箱子里留在B国皇宫。然后跟国王约好,某月某日打开箱子,如果留下的宝石全部是红色,则发兵进攻A国;全是蓝色则向A国求和;颜色红蓝都有,再派新的间谍吧,原来的间谍可能已经挂了。
于是B国间谍充分收集了A国政治军事情况后,决定发这样的消息给B国国王:A国很强大,咱们还是努力求和吧。于是在约定好的那一天之前,把用于传递消息的宝石一一拿出来把玩,如果某颗宝石是红色的,就什么原封不动;如果宝石是蓝色的,就抓住不让它旋转,看清楚形状后再放手,重新旋转起来的宝石如果呈现了红色,就放回去,如果还是蓝色,再来抓住-放手一遍,直到宝石旋转时呈现红色为止。最终B国间谍这边所有的宝石都呈现了红色。而约定时间打开密封宝石箱的B国国王看到箱子里的宝石全是蓝色的,他就乖乖带上礼物去A国求和了。

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