量子力學究竟討論的是什麽？量子纏結和量子通訊又具體指的是什麽？
事實上，很多人對量子力學只有零散的了解，尚未形成完整的系統性知識。
這種知識的碎片化容易導致誤解，而全面系統的學習又往往因為缺乏基礎而顯得困難，這也是很多人難以理解量子力學的原因。
本文將從量子力學建立的基本邏輯出發，系統整合量子力學的各種現象，並最終解釋量子通訊的原理，非常適合沒有物理背景的讀者系統學習量子力學。
但實話實說，量子力學的通俗解釋和嚴謹性很難兩全。太通俗易使內容失去嚴謹性，太嚴謹則很少有人能理解。我修改了多達十幾遍的文案，全文不包含任何公式，力求達到通俗與嚴謹的最佳平衡。
首先，不必被量子力學中的復雜概念所嚇倒。量子力學只是一種物理理論，而物理理論就是對自然現象的總結歸納，你所面對的不僅僅是難以理解的量子力學，更是復雜的自然現象。
我們所處的世界，在尺寸上分為宏觀和微觀兩個層面。
宏觀與微觀的分界線是原子。原子以上尺度的事物屬於宏觀世界。
原子以下的事物，如次原子粒子，則屬於微觀世界。
量子力學專註於微觀世界的物理行為。最初，物理學家認為微觀和宏觀世界的物理法則相同。
然而，他們漸漸發現，微觀世界與宏觀世界的相似之處幾乎微乎其微！
如果微觀世界的現象與宏觀世界一致，那麽量子力學就無從談起，直接使用牛頓力學就足以解釋微觀現象。那麽現代物理學的理論將會簡化許多。
微觀世界最初讓人類感到困惑的地方在於：無法完全理解電子繞原子核運動的規律。
根據傳統的思維，電子圍繞原子核運動，是由於原子核對電子的重力和電磁力。這些力會轉化為電子圍繞原子核運動的向心力，理應使電子像地球繞太陽一樣進行圓周運動。
但實際觀測發現，電子的軌域根本不是圓周運動。電子甚至沒有固定軌跡，我們無法預測電子下一秒的具體位置。
為何會這樣，目前無人能解，這些都是自然的現象，我們無能為力。
雖然我們無法精確預測電子的下一位置，但幸運的是，電子似乎總是出現在原子核周圍的某些固定區域。
例如，如果觀察電子100次，可能發現電子在原子核周圍A區域出現20次，在B區域出現25次，在C區域出現35次，在D區域出現15次，其他區域5次。
雖然無法確定電子下一秒會在哪個區域，但至少可以用統計方法描述電子出現在這些常見區域的機率。
這引出了一個問題：「上帝是否在擲骰子」。
在牛頓力學中，只要知道物體的初始速度、品質和受力情況，就可以計算出該物體在未來某一時刻的確切位置。
未來的一切仿佛已被初始狀態設定。比如你的生命從宇宙誕生那一刻起就已設定，你能讀到這篇文章也是命中註定的。這就是經典的機械決定論，亦稱宿命論。
然而，電子圍繞原子核的運動似乎是隨機的，電子的下一位置與其初始狀態無明顯線性關系，任何計算都無法精確預測電子下一秒的位置，因此電子的運動實際上否定了機械決定論。
不僅是電子，所有微觀粒子的位置都是隨機的，需要透過機率來描述。而人類由微觀粒子組成，這意味著人的命運並非早已註定，人的意誌可以改變命運。
因此有人認為，「原來上帝是在擲骰子」。這個觀點至今仍有爭議，但本文不在此展開。
我們常說量子力學，但為何不稱其為粒子力學呢？
為何使用「量子」這一術語，量子究竟是什麽？
首先，你需要思考一下能量是如何傳遞的。將一杯熱水放涼，是因為熱水將自身的能量傳遞給了周圍的空氣分子。
熱水分子運動劇烈，而空氣分子運動較為柔和。當熱水分子撞擊空氣分子時，就會將其動能傳遞給空氣分子，使其運動加劇，從而導致熱水逐漸變涼。這是能量傳遞的基本過程。
可以看出，能量傳遞主要依靠物質間的交互作用，如分子間的碰撞。
在熱水冷卻的過程中，溫度從80°C降至20°C。溫度的降低是一個連續過程，在此過程中，溫度會經歷從20°C到80°C之間的任意值，如50.654°C、35.6521°C等。
這表明，在熱水冷卻的過程中，能量的傳遞是連續變化的。
熱水冷卻是宏觀世界中能量的傳遞方式，但在微觀世界中，能量的傳遞並非連續，而是間斷的。
我之前已經強調過，能量的傳遞依賴於物質的相互交換。
在微觀世界中，這些物質可能就是最基本的粒子，如基本粒子。
基本粒子是最小的粒子，無法再細分。
在微觀世界中，所有的能量傳遞本質上都是依靠基本粒子的相互交換實作的，例如光子。
光子的數量只能是一個、兩個、三個……，不存在半個或三分之一個光子。因此，一個光子攜帶的能量是微觀世界能量傳遞過程中的最小單位。
假設一個光子攜帶的能量為A（hv），那麽能量的傳遞就只能是1A、2A、3A這樣遞增。不存在1.2A、1.236A、2.58A等非整數倍的傳遞過程。因此，能量的傳遞並非連續，而是有間隔的，這個間隔就是1A。
1A代表的就是能量的最小單位，我們將這種現象稱為能量量子化。
因此，「量子」代表的就是一種不可再分的基本單位。在微觀世界中，任何不可再細分的概念都可以稱為量子化，如光子就是不可再分的基本粒子，因此光子也稱為光量子。
這種不可再分、非連續的量子概念在微觀世界中非常普遍，是微觀世界的基本現象。量子力學正是研究微觀世界的理論，因此得名量子力學。
我們經常提到微觀粒子，導致許多人誤以為微觀粒子是一種實體的小球。
然而，微觀粒子的本質更類似於波。要真正理解量子力學，首先必須接受所有粒子本質上都是波的事實。這種波並非像水波或聲波那樣的機械波。
微觀粒子以波的形式存在，從而彌漫整個宇宙空間。理論上，所有波都可以彌漫到宇宙的邊緣。雖然波的空間尺度是無限的，但波的能量往往會集中到某個固定的空間尺度上，形成所謂的波包。
波包的集中程度越高，就越類似於粒子。這也是波粒二象性的體現。
實際上，測不準原理正是由波粒二象性引起的。
現在，我們將微觀粒子想象為一個具有波動性的波包。這個波包越集中，就越像粒子；越分散，則越像波。波包有兩個顯著的物理量：位置和動量。
你可以將波包的位置理解為寬度，動量理解為能量。
如果我們要測量這個波包（粒子）的位置（寬度），就需要用光子撞擊波包。透過光子探測到的資訊，我們可以確定波包的位置。
但你會發現，這樣獲得的波包位置（寬度）範圍比較廣。如果想獲得更精確的位置資訊，就必須提高光子的能量以撞擊波包，導致波包吸收能量後更加集中，從而寬度變窄，更像一個粒子，位置測量也就更精確。
但這時，雖然位置測得更精確了，波包因吸收了光子的能量而導致動量增加，因此波包的動量與初始動量相差甚遠。所以你測量得到的動量資訊就變得不精確。
如果你要精確測量波包的動量，就需要降低光子的能量，這樣波包的寬度就會增大，因此位置測量就變得不精確。
海森堡提出，粒子（波包）的位置和動量資訊無法同時被精確測量：位置測得越精確，動量就越不精確，反之亦然。他認為這主要是由測量儀器發射的粒子引起的。
但現代量子理論認為，海森堡的這種解釋並不完全正確。測量儀器固然會對被測量物件造成幹擾，但這不是主要原因。
主要原因是粒子的本質就是波包。測量波包的精確位置相當於測量繩擺產生的波動位置，這是沒有意義的，因為波本身就不可能有完美的位置。測量動量也是同理，粒子不存在完美的動量。
因此，現代物理學認為，測不準原理的本質並非實驗儀器造成的，而是微觀粒子的內在內容。
使用「測不準原理」這一物理術語可能會誤導公眾，讓人誤以為是人類科技手段有限造成的測不準。如今，測不準原理已經改稱為不確定性原理。
微觀粒子還有一個非常普遍的特性，即態疊加原理。這個原理的數學解釋非常晦澀，且枯燥。態疊加就是我們常說的量子疊加。
例如，電子的自旋既是上旋又同時是下旋。這種奇異現象也讓薛丁格感到困惑，為了通俗地解釋量子疊加，他將其擴充套件到宏觀世界，即那只既死又活的貓。
其實，如果你將微觀粒子想象成波，量子疊加就很容易理解。
這條波彌漫整個宇宙空間，但並不均勻分布。波上有個波包，波包所在的位置，我們就認為是粒子所在的位置。
問題是，理論上這個波包可以出現在這條波的任何位置上。而波又彌漫整個空間，因此我們說粒子可以出現在空間的任何位置。
測量導致量子疊加態消失的原因是，測量儀器必須發射某些粒子來探測被測量粒子（波），被測量粒子原先的疊加態會因這些粒子的幹擾而消失。這就是測量坍塌效應。（對此問題進行理性討論時，可以引入延遲選擇量子擦除實驗）
只要我們不去測量這個波包（粒子），波包（粒子）本身就和這條波是一個整體。因此，這個波包（粒子）在空間的位置就是疊加在一起的，所以粒子既在這裏，又同時在那裏，可以同時處於多個位置。這就是疊加態的體現。
從這個角度理解量子纏結就非常簡單。
兩個纏結的粒子其實是同一條波（復合系統），只不過測量行為會導致這條波坍塌成兩個波包（粒子）。
這兩個波包在沒有測量之前本來就是共同的疊加態波。
測量會導致疊加態消失，變成兩個確定的波包（本征態），但對我們這些觀察者來說，好像這兩個粒子（波包）可以無視空間而同時作用。這就是量子纏結的超光速現象。
實際上，從本質上講，纏結的粒子之間本來就是同一個粒子。因此，對一個粒子的測量，實際上也就是對另一個粒子的測量，所以量子纏結必然是同時發生的！
但量子纏結並不存在任何實質上的物質運動，因此不能傳遞資訊和能量。
那麽，為什麽我們宏觀世界的物體不存在量子疊加現象呢？
實際上，宇宙的規律本來就沒有宏觀和微觀之分。
宇宙的本質完全由微觀現象主導，量子疊加才是宇宙中最普遍且最正常的現象。我們之所以無法理解量子疊加，是因為我們生活在已經坍塌過的宏觀世界中。
基於宏觀世界總結出的牛頓力學，是我們先入為主的思維，因此我們才會認為非疊加態才是正常的，而疊加態反而不正常。
宏觀世界的疊加態消失只是因為宏觀物質較大，容易受到各種幹擾，如宇宙中無處不在的光子會撞擊宏觀物質，這種幹擾本質上就像測量坍塌效應，導致宏觀世界的疊加態都坍塌了，從而呈現出確定的狀態。
最直接的證據就是空氣分子的疊加態和分子尺度上的量子纏結。
這證明了，即使比原子大很多的物質，只要不受其他粒子的幹擾（相當於測量坍塌效應），仍然會顯示出疊加現象。
但在現實中，比分子稍大的物質必然會受到其他粒子的幹擾，因此分子尺度以上的物質的疊加態會因為這些幹擾（測量）而全部消失。
現在我們知道，一個光子就是一個波包，這個波包的許多性質都是疊加態的。如果你想復制這個光子的狀態，就需要將這個光子一分為二，但光子是一個量子，無法再分，因此這個方法是不可行的。
另一個方法是測量這個光子的資訊，然後根據這些資訊重新建立一個相同的光子。但問題是，由於測量坍塌效應，一旦進行測量，光子原來的疊加態就會消失，因此你永遠無法獲得光子原來的疊加狀態。
這就是單個光子無法被複制的性質。
傳統的電磁波通訊發射大量光子，光子頻率的不同代表了0和1的不同。因此，竊聽者可以在光子傳輸過程中截取部份光子，透過這些光子的頻率就可以解讀通訊內容。
而量子通訊利用單光子不可複制的原理進行量子金鑰分發，理論上可以實作資訊的絕對安全。
竊聽者要竊聽電磁波通訊，要麽偷走光子，要麽進行測量。
但單個光子一旦被偷走，就會立即被發現，這表明資訊傳輸過程已經被竊聽，於是就會停止發送資訊。
如果竊聽者不偷光子，只是進行竊聽，就會引發測量坍塌效應，同樣會被發現。
一旦量子通訊被竊聽，就一定會被發現。因此，通訊雙方就會放棄此次通訊。
那麽，如果竊聽持續進行，會不會導致通訊持續中斷？
目前的情況確實如此。其實，資訊被竊聽並不可怕，可怕的是被竊聽且內容被獲取。
量子通訊的最大貢獻在於能夠知道通訊過程是否被竊聽，而不是阻止竊聽行為。
盡管竊聽者可以透過持續的竊聽行為阻斷資訊的發送，但我們可以透過其他通道進行傳輸。
即使其他通道也被持續竊聽，導致資訊傳輸中斷，我們仍然有物理手段對抗竊聽者。
