■編者按
近來(lái)，一篇堪稱實(shí)名舉報(bào)國(guó)外某知名量子科學(xué)研究組的文章在陌陌圈傳開了。這篇文章措詞異常激烈，又涉及到國(guó)外科技界的知名人物，很容易火。本文作者的同學(xué)群內(nèi)對(duì)此展開了一番討論，截圖如下：
通常的舉報(bào)是須要有關(guān)部門或?qū)I(yè)記者去調(diào)查查證的。但這份舉報(bào)的內(nèi)容大部份在科學(xué)層面，一個(gè)合格的科普作者完全可以把這件事情解釋清楚。
這篇舉報(bào)文章開篇就提到量子不可克隆定律，整個(gè)量子通訊（實(shí)際上叫量子秘鑰分配更確切）行業(yè)是基于量子不可克隆定律發(fā)展上去的。其中的第一舉報(bào)人去年9月發(fā)表了一篇文章，說(shuō)這個(gè)定律是錯(cuò)的。
這是一篇不久前剛發(fā)表的文章，而被舉報(bào)的人們?cè)谶@個(gè)行業(yè)早已做了20年了。退一萬(wàn)步，即使這篇文章是正確的，也是科學(xué)界的新認(rèn)識(shí)。也不能借此來(lái)舉報(bào)之前不曉得的人??！
哪些是量子不可克隆定律？讓我們先解釋哪些是克隆，克隆就是拷貝、就是復(fù)制。您在自己的筆記本上復(fù)制一個(gè)文件，就是克隆。若果以字母A代表您的文件里的所有信息，克隆就是把一份信息弄成了兩份：
這個(gè)表達(dá)式對(duì)于作為筆記本用戶的您早已足夠清楚，但在化學(xué)層面并不確切。由于你的文件是存在c盤或閃存芯片上面的，那部份儲(chǔ)存空間原先也有內(nèi)容，可能是低格過(guò)的，也可能富含廢棄的數(shù)據(jù)，用X代表新儲(chǔ)存空間里原先的內(nèi)容，克隆的確切數(shù)學(xué)表達(dá)式是：
無(wú)論A還是X的具體數(shù)值是如何的，您的筆記本都可以完成上述操作。但假如A和X是量子信息而不是普通計(jì)算機(jī)上的精典信息，這些操作是不可能的。量子態(tài)不可克隆定律告訴我們，不可能設(shè)計(jì)出復(fù)制量子數(shù)據(jù)的機(jī)器或程序。
為何不可克隆定律和量子通訊緊密相關(guān)？量子通訊使用單個(gè)光子傳輸信息（我們現(xiàn)今的光纖通訊，發(fā)送精典信息，使用一個(gè)激光脈沖，數(shù)目極其多的一團(tuán)光子來(lái)傳輸），光子有兩個(gè)基本的偏振光方向，水平或垂直，假如拿來(lái)傳輸精典信息一個(gè)光子可以作為一個(gè)比特分別代表0和1。但光子的量子狀態(tài)可以是這兩種基本偏振光的任意組合，以復(fù)數(shù)為系數(shù)的任意線性組合。對(duì)應(yīng)著不僅僅是光子在任何方向的線偏振光，還包括轉(zhuǎn)著圈的圓偏振光。量子通訊中的光子是一個(gè)量子比特，不是非0即1量子通訊潘，而是由0和1來(lái)組合。量子信息比精典信息豐富得多。
假定在戰(zhàn)場(chǎng)上敵方找到了我們的通訊光纖，她們可以切斷它，但監(jiān)聽常常比切斷通訊對(duì)敵軍更有利，這就要求同時(shí)保持通訊不中斷。量子通訊使用單個(gè)光子通訊，敵軍假如監(jiān)聽必須復(fù)制這個(gè)光子的狀態(tài)，把其中一個(gè)光子轉(zhuǎn)給我們的接受者，另一個(gè)留給自己剖析。量子態(tài)不可克隆原理促使竊聽量子通訊顯得理論上不可能。
通常光子態(tài)是0和1的一個(gè)組合，倘若不是事先曉得被接收光子的量子態(tài)，任何接收器只能隨機(jī)地收到0或則1。無(wú)論收到的是0還是1，都不能代表原先的量子態(tài)。量子熱學(xué)中的檢測(cè)總是破壞了原先的狀態(tài)的，所以量子態(tài)不可能被復(fù)制。（讀到這兒，你可能要問那我們究竟如何接收量子信息呢？你須要去讀我給出的參考書。那兒面會(huì)解釋量子秘鑰分配的巧妙合同。）
量子不可克隆定律的證明雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，要不了幾行公式。我這兒給有物理基礎(chǔ)的讀者解釋一下，其他讀者可以跳過(guò)下邊這段。
我們曉得一個(gè)量子態(tài)是一些基本態(tài)的線性組合，一個(gè)量子比特是|0>和|1>的組合，兩個(gè)量子比特是4個(gè)態(tài)：|0,0>、|0,1>、|1,0>、|1,1>的組合。在量子熱學(xué)中，我們習(xí)慣把量子態(tài)寫在一個(gè)半尖角括弧里。兩個(gè)量子比特（或則一個(gè)量子系統(tǒng)的兩部份）組成的量子態(tài)，可以用|A,B>這些“直乘”的方式表示。
任何一個(gè)對(duì)量子態(tài)操作的機(jī)器，其實(shí)必須遵循量子熱學(xué)的薛定諤多項(xiàng)式，在不同的場(chǎng)景下，薛定諤多項(xiàng)式的抒發(fā)方法會(huì)很不同。但薛定諤多項(xiàng)式有一個(gè)基本的性質(zhì)：它只不過(guò)是讓量子態(tài)從一個(gè)組基本態(tài)的線性組合弄成了同樣這組基本態(tài)的一個(gè)不同的線性組合；而且這些變化自身也是線性的。也就是說(shuō)，假如在同樣的操作下，狀態(tài)A弄成了D量子通訊潘，狀態(tài)B弄成E，這么A+B會(huì)弄成D+E。
對(duì)于學(xué)過(guò)線性代數(shù)的讀者，我們可以說(shuō)量子熱學(xué)的演進(jìn)永遠(yuǎn)是對(duì)量子態(tài)的線性變換，更確切地說(shuō)，是一個(gè)幺正變換。了解量子熱學(xué)的線性屬性就足以證明不可克隆定律：
假定能引起一個(gè)量子克?。ù蛴。C(jī)，用C來(lái)代表（它是線性代數(shù)中的一個(gè)矩陣，量子態(tài)是一個(gè)向量）。也就是說(shuō)對(duì)于任何A和X，它可以復(fù)制A：
這么它自然也可以復(fù)制狀態(tài)B以及狀態(tài)A+B：
但是運(yùn)用量子力學(xué)的線性：
看到了嗎？這兩個(gè)表達(dá)式自相矛盾了。所以C是不可能存在的。
舉報(bào)人說(shuō)，這個(gè)對(duì)于專業(yè)人士并不難理解的定律，在提出40年后，被他證明是錯(cuò)的。他既然早已發(fā)表了論文，按科學(xué)界的規(guī)矩就應(yīng)當(dāng)接受同行檢測(cè)。不過(guò)向在做化學(xué)前沿研究的同事們尋問了一下，她們并沒有據(jù)說(shuō)過(guò)《現(xiàn)代基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)刊物》，倒是據(jù)說(shuō)過(guò)那位作者，他之前仍然想推翻相對(duì)論。
假如他的文章正確，那將是很重要的；用一位業(yè)內(nèi)人士的話：相當(dāng)于發(fā)覺了超光速。我的想法，作者假如擁有如此重要的成果，大可毋須靠舉報(bào)考人來(lái)求關(guān)注。推進(jìn)這篇文章獲得同行認(rèn)同，那他將來(lái)即使得不到諾貝爾獎(jiǎng)，也會(huì)比他舉報(bào)的人更出名。
關(guān)于不可克隆定律，舉報(bào)人講了4點(diǎn)，不僅列出自己的論文，第2點(diǎn)引用了一位日本學(xué)者的文章，但那篇文章被業(yè)界覺得是錯(cuò)的。第4點(diǎn)是這樣說(shuō)的：
這一段把數(shù)學(xué)概念講錯(cuò)了。他的意思大約是說(shuō)你量子通訊無(wú)非就是發(fā)送水平或垂直偏振光的光子，制備水平或垂直偏振光的光子，我莫非不會(huì)嗎？誰(shuí)說(shuō)不能克隆？假如你事先曉得了入射光子的量子態(tài)，你其實(shí)可以制備相同狀態(tài)的光子。但在監(jiān)聽通訊的過(guò)程中，你接收的是未知狀態(tài)的光子。我們之前解釋過(guò)，此時(shí)的光子處在一個(gè)未知的混和偏振光的狀態(tài)，你的接收器只能隨機(jī)地把它接收成水平或垂直偏振光，根本不可能曉得它原先的狀態(tài)，更不可能復(fù)制這個(gè)未知的狀態(tài)。
他講的第3點(diǎn)，倒是十分有趣，值得花更多篇幅討論。
所謂激光是對(duì)量子的克隆，應(yīng)當(dāng)說(shuō)的是受激幅射，這是激光器所依賴的化學(xué)現(xiàn)象。假如把物質(zhì)中的大部份原子的一個(gè)電子都弄到一個(gè)高的基態(tài)上，原子會(huì)有兩種形式的幅射：首先電子會(huì)自己跳下到低的基態(tài)，發(fā)出特定頻度的光子，這是自發(fā)幅射；其次假如正好有一個(gè)同樣頻度的光子經(jīng)過(guò)，都會(huì)帶下來(lái)另一個(gè)光子，這就是受激幅射。被受激幅射帶下來(lái)的光子，和入射的光子的運(yùn)動(dòng)方向、偏振方向完全一致，處在一個(gè)量子態(tài)上。在這樣的物質(zhì)中，一個(gè)光子經(jīng)過(guò)好多原子，可以雪崩一樣地帶出大量相同狀態(tài)的光子。這看上去的確像是克隆了光子。
受激幅射
受激幅射對(duì)于不可克隆定律的梗兒，業(yè)內(nèi)的頂尖專家是曉得的。答案在那里呢？當(dāng)一個(gè)光子經(jīng)過(guò)一個(gè)原子時(shí)，原子可能形成受激幅射，但依然也可能發(fā)生自發(fā)幅射，而自發(fā)幅射的方向是隨機(jī)的。薛定諤多項(xiàng)式給我們的答案，是所有可能性的疊加。所以即使受激幅射自身似乎實(shí)現(xiàn)了光子克隆，但真正被帶下來(lái)的光子混和了自發(fā)幅射光子的狀態(tài)，并不是入射光子的克隆。早已有人在理論上嚴(yán)格證明，由于這些不可防止的混和，受激幅射不可能拿來(lái)克隆光子的。實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家告訴我們，用受激幅射可以弄成光訊號(hào)放大器，但若果入射的是單光子，下來(lái)的完全是噪音。
激光器則擁有一個(gè)共振腔，選擇特定的光子態(tài)進(jìn)行放大，壓制了自發(fā)幅射。這些機(jī)制不能拿來(lái)放大一個(gè)未知狀態(tài)的光子。
綜上所述，這幾個(gè)舉報(bào)人關(guān)于量子態(tài)不可克隆定律的意見，基本可以確定在科學(xué)上是完全錯(cuò)誤的。她們還有一些別的意見，但把一個(gè)科學(xué)概念和成果給普研讀者解釋清楚，早已不容易了，就不浪費(fèi)篇幅進(jìn)一步剖析了。被舉報(bào)的研究組會(huì)不會(huì)回應(yīng)？記得郭德綱有過(guò)一段知名的話：理睬你就輸了。
最后再說(shuō)一句，關(guān)于量子通訊的研究，在科學(xué)上是完全沒有問題的。瞧瞧這個(gè)研究小組在《自然》這樣的頂尖科學(xué)刊物發(fā)表的論文，要有問題也要首先問責(zé)這種國(guó)際頂尖期刊的審稿。并且量子通訊的應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值，這是可以有爭(zhēng)辯的議程。
參考書：《從零開始看懂量子熱學(xué)》《量子信息簡(jiǎn)話》
本文2022年12月5日發(fā)表于陌陌公眾號(hào)化學(xué)博士看天