作者：墨子沙龙
出版社：人民邮电出版社有限公司
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奇妙量子世界：人人都能看懂的量子科学漫画（2019中国好书）试读：
图书在版编目（CIP）数据奇妙量子世界：人人都能看懂的量子科学漫画 / 墨子沙龙著；Sheldon科学漫画工作室绘制．--北京：人民邮电出版社，2019.7（爱上科学）ISBN 978-7-115-51316-8Ⅰ．①奇… Ⅱ．①墨… ②S… Ⅲ．①量子论—普及读物 Ⅳ．①O413-49中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第122865号著 墨子沙龙绘 制 Sheldon科学漫画工作室责任编辑 胡玉婷责任印制 彭志环人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn网址 http://www.ptpress.com.cn北京瑞禾彩色印刷有限公司印刷开本：690×970 1/16印张：17.75字数：342千字2019年7月第1版2019年7月北京第1次印刷读者服务热线：（010）81055493 印装质量热线：（010）81055316反盗版热线：（010）81055315内容提要本书是关于量子信息的科普漫画，书中详细介绍了潘建伟院士领导的中国科学技术大学量子信息科研团队在近几年取得的科研进展，将十余篇刊发在《自然》、《科学》等国际一流学术期刊上的科研成果通过生动有趣的漫画形式介绍给读者，内容包括量子通信、量子密码、量子计算、量子模拟、量子纠缠等。本书非常适合对量子领域感兴趣的读者阅读。序言一
2014年年底，《星际穿越》在中国上映，我们全家去观看了这部非常棒的科幻电影。观看结束后，孩子们向我提出了许多关于黑洞和星际旅行的问题，有些我可以回答，有些我不能确定。2015年，我们邀请中国科学院高能物理研究所的张双南教授来到中国科学技术大学，做了一场与《星际穿越》有关的科普报告。除了我们的教授和博士生们，还有很多家属也来旁听。
那场报告非常成功，无论是物理学专业的学生，还是没有相关专业背景的听众，大家都被黑洞的知识深深地吸引。报告结束后，许多人围绕着张双南教授提问，也有人来询问我关于量子通信和量子计算的知识。让我惊讶的是，来提问的大部分是中小学生，而且他们问题的水平很高，很多想法充满想象力，并且显示了他们对感兴趣的知识颇有研究。
这引发了我的思考——如果我们能够定期举办一个科普论坛，让公众和科学家们面对面，让科学家们用通俗易懂的语言，解释他们正在从事的最前沿的科学，这不是非常棒吗？
在一次午餐会议上，我们团队的教授们确定了这个论坛的名字——墨子沙龙。墨子是中国的“科圣”，他在世界上首次提出了“光沿直线传播”这一理论。中科大的原副校长钱临照先生曾经致力于研究中国古代科学成就，并公正、严谨地总结了墨子的科研和社会贡献，这让我们惊喜地发现，原来在中国古代，也有如此伟大的科学家。出于这种文化自信，在我们的建议下，中科院将全球首颗量子科学实验卫星命名为墨子号，以鼓励更多年轻人继承墨子的科学精神。
在举办活动的过程中，我们发现，只是报告还远远满足不了大家对科学了解的需求。一次报告可以让几百人来现场听，但是放到网上以后，一小时的视频大家往往不能一直观看下来。我们一直在思索更好的方式。墨子沙龙的工作人员朱燕南在一次活动中遇到了Sheldon工作室的专业漫画家，交流之后他们一拍即合。正值团队实现了首个超越早期经典计算机能力的光量子计算原型机，于是墨子沙龙与Sheldon团队合作了第一篇漫画《5分钟看懂中国最新的量子计算机》，此后又陆续制作了团队数个最新研究成果的漫画，都收到了比较好的效果。
漫画是一种非常好的传播形式。科学知识，尤其是前沿科学，可能让很多人望而却步，而幽默风趣的图画和文字则让人易于接受。墨子沙龙和Sheldon工作室联合推出的量子系列科普漫画，不仅受到公众的喜爱，在科学界也拥有众多粉丝。曾经有一位院士对《物理学家在绝对零度附近，观察原子“恋爱”和分子“分手”》漫画相关论文的作者赵博教授说，读了这篇漫画，就懂了他的工作了。有趣的是，这无形之中对科学家也有很大的帮助，在2018年举办的国际量子密码大会上，量子密码的奠基人之一Brassard教授就引用了我们制作的漫画图片。
现在，我们将这些漫画集结成册，希望成为读者手边的一本轻松小品，或是身边一位有趣的量子老师。如果有读者从中发现难以抗拒的量子世界的魅力，立志要学习量子物理、从事量子科技研究，那么科学的大门正为你敞开。序言二
2016年，潘建伟院士在创办墨子沙龙的时候，对墨子沙龙提出了三点期望：1. 要做严谨的科普；2. 不要做“曲高和寡”的科普；3. 要做国际化高水准的科普。因此，我们在邀请嘉宾、策划科普主题的时候，都严格遵照这三点要求。量子力学揭示了微观世界规律，与我们习以为常的生活经验往往非常不同，特别是近年来，随着中国本土的科学家在量子领域取得一系列进展，越来越多的普通人开始对量子科学产生兴趣。然而，正确、有趣地对量子科学进行科普，其实是一件很难的事情，鲜有人做到。幸运的是，墨子沙龙将严谨的量子物理学家和充满才华的Sheldon科学漫画工作室集合到了一起，让科学与艺术碰撞出了不一样的火花。如果您是对量子力学感兴趣，又担心网络上关于量子力学的描绘玄之又玄，不知如何辨别的读者，我们诚挚地向您推荐这本兼具科学性与可读性的科普漫画。墨子沙龙序言三
量子力学的标准表述通常由一行行数学公式组成，其中充满了抽象的代数符号，还隐藏着陌生的运算规则。这些公式是如此抽象，以致于流行的量子力学教科书都很少用图像化的语言去解释它们，更不可能把它们画成示意图。在本书中，我们尝试用漫画的方式，展现量子力学的一部分原理和实验。跟公式相比，这样的展现一定还存在很多不贴切、不全面、不到位的地方。若有疏漏之处，还请读者不吝指出。Sheldon科学漫画工作室致谢
这本书由两个对科普具有热忱和严谨工作态度的团队——墨子沙龙和Sheldon科学漫画工作室共同完成。
墨子沙龙在此致谢本书科普的有关量子通信、量子计算等工作的论文作者们，感谢他们给予我们信任，将他们的工作成果交给我们进行科普。感谢在漫画制作期间认真答疑、校对的科学工作者们，以下致谢名单按姓氏拼音排列：
曹原、陈宇翱、戴汉宁、李明翰、李宇怀、蒋一凡、廖胜凯、林梅、刘乃乐、刘洋、陆朝阳、潘建伟、彭承志、任继刚、芮俊、王辉、吴玉林、徐飞虎、印娟、苑震生、张强、张文卓、赵博、郑亚锐、朱晓波。
感谢Sheldon科学漫画工作室的优秀艺术家们，是他们的创意和绘画将这些晦涩的理论知识转化为能让普通人阅读的漫画，他们分别是：Sheldon、周源、苏岚岚、赏鉴、胡豆。第一章 他们从全球招募10万人，向“上帝”发起攻击
欧洲中部时间2016年11月30日至12月1日，分布在世界各个角落的10万个拥有自由意志的智慧生物——人类，自发地坐在电脑前，登录了一个神秘的网站，“大贝尔实验”（the big bell test）官方网站。随后，他们进入一个类似神庙逃亡的小游戏，认真地玩了起来。
表面上看，他们在沉迷游戏，浪费生命。实际上，这个“游戏”网站的服务器，正在将他们玩游戏过程中实时输入的海量数据收集起来，通过物理学家开展的一场“大贝尔实验”，向“上帝”发起攻击！“大贝尔实验”之所以向“上帝”发起攻击，是想搞清楚爱因斯坦口中的那个等同于物理定律的“上帝”，是不是真的“不掷骰子”，是不是真的创造了一个完全随机的量子世界。
在九十多年前，一群物理学家基于微观粒子世界的实验现象，总结出了一套全新的物理定律，这就是量子力学。
爱因斯坦也是量子力学的奠基人之一，但量子力学创立没多久，他就和量子力学的另一个“大股东”玻尔发生了激烈的争论。这是因为，在量子力学的实验中，物理学家从一模一样的初始条件出发，总是会随机地得到不同的结果。
例如，如果一个光子处于↑方向偏振和→方向偏振的叠加状态中，那么当物理学家在放置一个沿着水平方向测量光子偏振的仪器时，仪器就会有一定概率测出→偏振的结果，以一定概率测出↑偏振的结果。每次实验得到什么结果，看起来都是随机的。
按照爱因斯坦的理解，这种随机性是一种表面现象。在它的背后，存在一种人类还不知道的“局域隐变量”。一旦我们搞懂了这种变量，就可以完全计算出每一次实验的“随机结果”，量子力学里并不存在真正的随机。也就是说，爱因斯坦认为“上帝”不掷骰子。
玻尔的看法刚好相反。他认为，世界上不存在“局域隐变量”。量子力学的随机不是伪装的随机，而是任何手段都无法操纵的真随机。换句话说，“上帝”肯定会掷骰子。
这两个人吵了很久，谁也说服不了谁。直到1955年爱因斯坦去世前，他们都没吵出结果。为了搞清楚是爱因斯坦说的对，还是玻尔说的对，在1964年，物理学家约翰·贝尔提出了一种用实验检查量子随机性的方法。
在贝尔的方法中，我们需要用一台机器向两个方向不断发射一对对处于量子纠缠态的光子，然后在机器的两边，通过两台测量仪器随机地从两个角度中二选一，分别对纠缠光子的偏振方向进行测量。
不论两个测量地点相距多远，只要其中一台仪器测量了一个光子，另一个光子也会瞬间做出反应，这就是爱因斯坦说过的，量子力学中含有的“鬼魅般的超距作用”。
虽然测量结果看起来是相互独立的，但这两个光子的测量结果之间其实存在着紧密的关联。如果爱因斯坦说的对，那么这种关联就会导致贝尔不等式是成立的。反过来，如果实验结果违反了贝尔不等式，那么爱因斯坦就错了。
从1982年起，世界各地的实验物理学家就在各种贝尔实验中发现，贝尔不等式可以不成立，爱因斯坦很可能是错的。
不过，一些追求严谨的物理学家指出，这些贝尔实验中都至少存在一个漏洞，叫作“随机性漏洞”。
我们回想一下，在贝尔实验中，两台测量仪器必须能够随机地选取角度。可是，咱们做这些实验不就是为了搞清楚世界上有没有真正的随机吗？
如果物理学家在做实验之前，就已经确定两台测量仪器是真正随机的，那他们还费那么大劲证明啊？
反过来讲，如果物理学家在做实验之前，根本不确定两台测量仪器是不是真正随机，那我们怎么可能从这两台测量仪器得出的测量结果中，搞清楚世界上有没有真正的随机呢？
上面的话有点儿绕。咱们说的通俗一点儿，这就相当于让一个人揪自己的头发，把自己提起来。在英文典故中，这叫作“bootstrapping”问题。
物理学家到哪儿才能找到“真正随机的”东西呢？不知谁灵机一动想到一个好主意：既然人类拥有自由意志，那么人类的行为就不可能受到操纵！如果让一群人随机产生一堆数据，再用这些数据操纵两台测量仪器，我们不就可以满足“真正随机”的实验要求了吗？
于是，西班牙光子科学研究所等全球12家科研机构联合起来，以“大贝尔实验”为主题，从全球各地招募了10万人，让他们在短短的几十个小时里，以“玩游戏”的形式，向随机性的根源（也就是等同于物理定律的那个“上帝”），发起了攻击！
在大贝尔实验中，各个研究机构根据各自擅长的实验手段，利用光子、原子、超导等不同体系，实施了13个不同的实验方案。
中国科学技术大学联合清华大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院紫金山天文台一起参与了大贝尔实验。中国科学技术大学的潘建伟教授和张强教授是大贝尔实验亚洲区的负责人。他们的实验室利用接收到的、由人类自由意志所产生的随机数，通过一对对纠缠光子进行贝尔实验。
你也许会想到，人类当然有自由意志，但是人类的行为不一定是随机的啊？这一点物理学家也想到了。为了让结果更可靠，他们做了两手准备。首先，他们对贝尔不等式进行了一些额外推导。结果证明，人类的行为不完全随机没关系，只要贝尔不等式和实验数据的偏差足够大，大到可以忽略人类的不随机性，结论就是可靠的。
其次，他们使用了人类生成的80MB的随机数作为测量仪器的输入数据。
结果，他们发现，堵上随机性漏洞之后，实验结果还是不支持爱因斯坦的判断。也就是说，不存在所谓的“局域隐变量”，爱因斯坦这次又输了。
于是，在12家研究机构，上百名物理学家和全球10万个自由意志人的努力下，这次大贝尔实验的13个“战果”在2018年5月9日发表在《自然》杂志上。13个实验的结果都否定了爱因斯坦的“局域隐变量”理论。
虽然爱因斯坦这次又输了，但是他和玻尔的争论还没有结束！这是因为，虽然大贝尔实验补上了“随机性漏洞”，但这些自由意志的“肉身”之间离得太近了，反而导致了另一个漏洞，叫作“局域性漏洞”。
如果想彻底补上这个漏洞，理论上讲，大贝尔实验的参与者至少得有一部分待在3万千米之外……也就是说，物理学家下次可能得招募外星人，从宇宙中发起攻击！（误！）注释：
1. 什么叫局域性漏洞？
在地球上，任意两个人之间的距离不超过1.3万千米。光走完1.3万千米大约需要0.04秒，小于人类的反应时间0.1秒。于是，物理学家无法从理论上排除这样一种情况：甲产生了一个数据后，他通过某种方式影响到了地球上的乙，使得乙在0.04秒之后产生的某个数据跟甲的行为有关。于是，这两个数据不再是随机产生的，而是存在某种因果联系。这种因果联系会导致贝尔实验的数据存在一种理论上的漏洞，即局域性漏洞。
2. 什么叫隐变量？
比方说，有人通过调查数据发现，每当海边溺水的人变多时，冰淇淋的销量就会增加。这两个事件看似无关。但是普通人一眼就能看出联系，因为每当夏天到来时，去海边游泳的人会变多，溺水的人自然也会变多；同时，由于天气变热，买冰淇淋的人也会变多。在这个例子中，“天气变化”就是一个隐变量。
3. 结尾最后一句是一个玩笑。实际上，为了补上局域性漏洞，我们只需要让一组人在月球上产生随机数，另一组人在地球上产生随机数。也就是说，在相距38万千米的地球和月亮之间开展大贝尔实验。
4. 中国的潘建伟团队早在几年前就提出了一个基于人类自由意志，在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。2014年，潘建伟团队中的科学家设计发展了GHz亮度的纠缠源和高时间分辨探测系统，实现了超高损耗下的人类自由意志参与的贝尔不等式检验，该成果于4月5日发表在《物理评论快报》上。这项成果为未来物理学家们在太空实验中关闭局域性漏洞和随机数漏洞，开展量子非定域性的终极检验迈出了坚实的一步。参考文献：
1. The BIG Bell Test Collaboration, Challenging local realism with human choices, Naturevolume 557, pages212–216 (2018).
2. Unpublished manuscript from The BIG Bell Test Collaboration.
3. Yuan Cao, et al., Bell Test over Extremely High-Loss Channels; Towards Distributing Entangled Photon Pairs between Earth and the Moon, Phys.Rev.Lett.120,140405(2018).第二章 星光下的贝尔实验
这年头，人们的小日子过得都比以前好，比如吃饭不用饭票，洗衣不用肥皂，谈恋爱不用介绍。但是，很多新烦恼也出现了，比如狗主人不如狗懂礼貌，火车占座还无理取闹，好不容易消费升级了又赶上买房摇号。
今天主要不是讲买房摇号，而是要讲量子力学中的一种随机现象。因为，根据量子力学“大股东”玻尔的解释，量子力学实验中的许多实验结果完全是随机产生的。不过，量子力学的随机跟买房摇号、掷骰子、扔硬币存在本质的不同。
买房摇号这样的随机性，本质上是可以预测的，这叫作经典随机，例如一个下落的骰子，如果预先知道了和它相关的所有参数（骰子的初始运动状态以及与之碰撞的空气分子的状态等），我们是可以在它落地之前用超级计算机把结果算出来的。经典随机
而量子力学的随机本质上是无法通过任何手段预测的，就连“上帝”也不可能提前预测，这叫作量子随机。量子随机
可不得了，量子力学另一个“大股东”爱因斯坦听说了量子随机，急得晚上睡不着觉了。因为他觉得，量子随机肯定是假的，里面肯定有猫腻。任何量子力学实验的结果，应该都是由一种“看不见的力量”暗中决定的。
于是，为了验证量子力学之中到底存不存在真正的随机性，许多科学家展开了激烈的讨论，直到贝尔提出了可实施的实验方案，才让人们有机会用实验验证这个问题。贝尔实验装置注：有些实验的装置更简单，不存在第三部分的随机数源
验证量子随机性的实验过程并不复杂。整个实验的装置通常可以分成3个部分：
第一部分是记录实验结果的探测器；
第二部分是不断改变测量基矢并进行量子态测量的两台测量仪；
第三部分是控制测量仪如何改变测量基矢的两个随机数源。
其中被两台测量仪进行测量的东西，就是一对对以光速飞行的纠缠光子。
纠缠光子进入测量仪以后，又是怎样产生随机结果的呢？这个过程比较复杂，请大家直接看注释[1]。
总之，实验做完以后，科学家会把大量的测量结果汇总起来。如果科学家发现结果不高于某个值，那就说明爱因斯坦猜得对，用经典理论就可以解释实验现象，量子力学不存在随机性。然而，实验结果恰恰相反，1972年，美国物理学家弗里德曼第一次通过贝尔实验发现，爱因斯坦错了，量子力学存在真正的随机性！
不过，既然做实验是为了检查量子是否具有随机性，咱们就不能把标准定得太宽松，买房摇号不是还得让公证处先检查一遍吗？于是，按照这个思路一检查，物理学家就发现，之前的贝尔实验还真的存在漏洞，其中最主要的也是最难解决的，是以下3个漏洞。
第一个漏洞叫探测器漏洞。它的意思是说，如果飞过来100个光子，探测器像狗熊掰棒子一样，掰十个丢九十个，那么实验结果就有可能以偏概全。漏洞1：探测器漏洞
第二个漏洞叫局域性漏洞。它的意思是说，两台测量仪不能离得
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