大話量子通信

張文卓

筆名九維空間，博士畢業於中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學重點實驗室，
先後在中國科學院物理研究所和丹麥Aarhus大學做博士後研究，在中國科學院量子信息與量子科技創新研究院
（中國科學技術大學上海研究院）擔任副研究員，長期從事冷原子物理和其在量子信息學中的應用等研究工作，
曾是“墨子號”量子科學實驗衛星團隊的成員。
目前從事量子信息技術及相關領域的科技創業工作，擔任量子超並科技有限公司CEO。
長期從事量子物理學方面的科普創作工作，成果包括多篇科普文章，《量子三部曲》等文學作品以及
《愛在量子前》《孤單光量子》等網絡學術歌曲的歌詞創作。
出版過個人文集著作《愛在量子前》。

第 1章 什麼是量子 1
1．1 量子約等於現代物理學 3
1．1．1 世界是由量子組成的 3
1．1．2 超出人類想像的量子力學 5
1．2 早期量子理論 7
1．2．1 兩朵烏雲 8
1．2．2 普朗克和量子 10
1．2．3 愛因斯坦和光電效應 11
1．2．4 玻爾的原子模型 13
1．2．5 德布羅意的物質波和泡利的不相容原理 15
1．3 量子力學的誕生 17
1．3．1 海森堡的矩陣形式 17
1．3．2 薛定諤的波動形式 23
1．3．3 狄拉克的相對論形式 24
1．3．4 含金量最高的一次諾貝爾物理學獎 27
1．4 後量子力學時代——現代物理學的兩條路徑 29
1．4．1 二次量子化和量子場論 29
1．4．2 “自上而下”的粒子物理 32
1．4．3 “自下而上”的凝聚態物理和量子光學等 35

第 2章 信息技術背後的量子力學 39
2．1 量子力學支配的半導體 41
2．1．1 固體能帶理論 41
2．1．2 數字邏輯門的救星：半導體晶體管 43
2．2 從量子光學到激光的出現 47
2．2．1 激光和相干態理論 47
2．2．2 支撐起互聯網的激光通信 49
2．3 磁盤背後的量子力學原理 51
2．3．1 電子自旋決定磁性 52
2．3．2 巨磁阻材料和硬盤 53
2．4 顯示器和攝像頭中的量子光學原理 54
2．4．1 自發輻射熒光和LED 55
2．4．2 光電效應和CCD 56
2．5 原子鐘：量子力學決定的頻率標準 59

第3章 第 一次信息革命 63
3．1 貝爾實驗室 65
3．2 矽谷傳奇 68
3．3 從集成電路到計算機 73
3．4 全球互聯網 78
3．5 主導世界的信息產業 82

第4章 量子信息——第二次信息革命 87
4．1 經典比特vs量子比特 89
4．2 跨越時空的詭異互動——量子糾纏 90
4．2．1 EPR佯謬 91
4．2．2 隱變量理論和貝爾不等式 93
4．2．3 無漏洞貝爾不等式檢驗 95
4．3 通信和計算的相輔相成 98
4．4 量子計算簡介 100
4．4．1 量子計算發展史 102
4．4．2 量子計算實現方案對比 104
4．4．3 通用型和專用型量子計算機 106
4．4．4 什麼是量子稱霸 108
4．5 即將到來的量子信息時代 111

第5章 量子通信——量子信息革命的前奏 113
5．1 量子通信元年：兩位“B”的相遇 114
5．2 量子密鑰分發：BB84協議 117
5．3 量子密鑰分發：其他協議 120
5．3．1 B92協議 120
5．3．2 E91協議 121
5．3．3 連續變量協議 124
5．4 量子隱形傳態：量子比特的空間跳躍 125

第6章 實用化量子通信技術 131
6．1 誘騙態量子密鑰分發協議 133
6．2 中國量子保密通信“京滬幹線” 135
6．3 世界各國的量子保密通信網絡建設 139
6．3．1 美​​國量子通信網絡建設 139
6．3．2 英、意、俄、韓等國的量子通信網絡建設 140
6．3．3 歐盟量子通信網絡建設計劃 141
6．4 測量設備無關量子密鑰分發 142
6．5 量子保密通信標準化進程 144

第7章 “墨子號”量子科學實驗衛星 147
7．1 光纖量子中繼vs衛星量子通信 149
7．2 領先世界的“墨子號”衛星 151
7．2．1 量子糾纏源 154
7．2．2 量子糾纏發射機 155
7．2．3 量子密鑰通信機 156
7．2．4 量子實驗控制與處理機 157
7．2．5 衛星平台 158
7．3 配合“墨子號”衛星做實驗的地面站 159
7．3．1 興隆地面站 159
7．3．2 南山地面站 160
7．3．3 德令哈地面站 161
7．3．4 麗江地面站 162
7．3．5 阿里地面站 163
7．4 “墨子號”衛星實現的多個人類首次 164
7．4．1 星地雙向量子糾纏分發實驗 164
7．4．2 星地高速量子密鑰分發 165
7．4．3 地星量子隱形傳態 166
7．4．4 基於糾纏的星地量子密鑰分發 166
7．4．5 引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗 167
7．5 未來天地一體化量子網絡 169

第8章 爭議中前行的量子通信 175
8．1 讓中國量子通信領先世界的潘建偉 176
8．2 量子通信與經典通信的關係 180
8．2．1 量子通信離不開經典通信 181
8．2．2 量子通信是經典通信的繼承和發展 182
8．3 關於量子通信的那些錯誤說法 184
8．3．1 量子密鑰分發不是量子通信？ 184
8．3．2 美國從來不搞量子通信？ 186
8．3．3 量子通信不能滿足互聯網要求？ 188
8．3．4 量子通信很容易被破壞？ 190

參考文獻 193
後記 199