《量子信息简话》入选中国科普作家协会推荐原创科普图书｜中国科大出版社

为贯彻落实《全民科学素质行动规划纲要（2021―2035年）》，深化科普供给侧改革，进一步弘扬科学精神，营造热爱科学、崇尚创新的社会氛围，在第27个世界读书日来临之际，中国科普作家协会组织专家从2020年和2021年出版的科普图书中遴选了100种原创科普图书，中国科学技术大学出版社出版的袁岚峰博士的《量子信息简话》入选！

袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，入选“典赞・2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归。他是拥有近千万粉丝的科普达人/“典赞・2018科普中国”十大科学传播人物/《科技袁人》主讲人/抖音、哔哩哔哩、微博、知乎等平台大V，他的讲座一票难求，他的科普视频播放量已达数亿次！

量子信息是全世界的热点研究领域之一，同时也是科普的难点领域之一。本书从普通读者的认知角度出发，先介绍量子是什么以及较为容易理解的量子精密测量，然后讲量子力学的“三大奥义”，再讲量子计算和量子通信，不仅保持了科学的严谨性，而且实现了很高的趣味性，让读者了解量子信息的大图景。针对公众对量子信息的常见误解或者质疑，给出明确的答复。对于有一定知识门槛的内容特别是一些数学材料，将其设置为选读内容，读者可以跳过而并不影响理解全书，勤于思考、好奇心旺盛的读者则可以从这些选读内容中得到更多收获。

本书适合关心量子科技进展的广大读者阅读，包括小学生、中学生、大学生、研究生，其他领域的科研、教育、科普工作者，以及各行各业的专业人士。

6.1节中我们说到，奥地利因斯布鲁克大学塞林格研究组在1997年第一次实现了量子隐形传态。当时潘建伟在这里读博士，是这篇文章的第二作者。

塞林格问过潘建伟一个CCTV风格的问题：你的梦想是什么？潘建伟的回答是：在中国建设一个世界一流的量子物理实验室。

回到中国科大工作以后，潘建伟真的建立了一个世界一流的量子物理实验室，做出了许多世界领先的成果，培养了许多杰出人才。

2015年，潘建伟和陆朝阳等人在《自然》（NATURE）上发表了一篇文章，标题是《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》（QUANTUM TELEPORTATION OF MULTIPLE DEGREES OF FREEDOM OF A SINGLE PHOTON）。

你看明白他们的新成果是什么了吗？新成果是“多个自由度”。自由度（DEGREE OF FREEDOM）就是描述一个体系所需的变量数目。例如一条线上的一个点，自由度就是1。一个面上的一个点，自由度就是2。三维空间中的一个点，自由度就是3。所谓多个自由度的量子隐形传态，就是以前只能传一个性质，现在能传多个性质。

多个是多少呢？其实就是两个。光子具有自旋角动量（SPIN ANGULAR MOMENTUM）和轨道角动量（ORBITAL ANGULAR MOMENTUM）这两个自由度，现在他们做到了同时传输这两个角动量。而以前的量子隐形传态实验已经对多种物理体系实现过，如光子、冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色心，但在所有这些实验中都只能传输一个自由度。

打个比方，上一节我们用颜色来表示状态，现在我们用颜色和形状来表示状态。A粒子最初是红色的球，通过量子隐形传态，我们让B粒子变成红色的球，同时A粒子变成绿色的方块。

要传输多个自由度，就需要制备多粒子的多个自由度的“超纠缠态”，这比制备单自由度的纠缠态更加困难。潘建伟研究组经过多年努力，制备了国际上最高亮度的自旋―轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋―轨道角动量纠缠实验平台，才实现了自旋和轨道自由度的同时传输。

《道德经》说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”我们可以说量子隐形传态在1997年实现了“道生一”，那时潘建伟还是博士生。2015年实现了“一生二”，这时他已经是量子信息研究领导者。从传输一个自由度到传输两个自由度，走了18年之久。这中间有无数的奇思妙想、艰苦奋斗，是人类智慧与精神的伟大成就。

这项成果引起了巨大的轰动，被英国物理学会评为2015年十大物理学突破之首。这项成果还有一个奇妙的效果，就是开启了我的科普生涯，序言中讲了这个故事。所以现在大家在这里见到我，就要追溯到“多个自由度的量子隐形传态”。

量子隐形传态的另一个研究方向是扩展传输距离。2010年和2012年，潘建伟研究组分别在长城和青海湖上空实现了16千米和97千米的量子隐形传态。2017年，他们又实现了从地面站到“墨子号”量子科学实验卫星的量子隐形传态，距离长达1 400千米。所以在这个研究方向上，中国也走在世界前列。

对此可以做一个大致的估计。12克碳原子是1摩尔，即阿伏伽德罗常数个原子，大约是6.023 × 1023。人的体重如果是60千克，就大约有5 000摩尔即3 × 1027个原子。描述一个原子的状态，姑且算作10个自由度，那么要描述一个人，就需要1028量级的自由度。

我们现在是什么水平呢？我们刚刚从1进步到了2……所以，嗯，我们的征途是星辰大海！向着夕阳奔跑吧，少年！

英国著名科幻小说作家，《2001太空漫游》的作者，亚瑟・克拉克爵士，曾就科学文化提出过一条广为人知的“定律”：任何足够先进的技术，都与魔法无异(ANY SUFFICIENTLY ADVANCED TECHNOLOGY IS INDISTINGUISHABLE FROM MAGIC)。

我在阅读袁岚峰先生的科普新作《量子信息简话：给所有人的新科技革命读本》时，就常常产生这种观赏魔法般的惊异与赞叹之感：对1.43千米外的民宅，做到隔墙观物；8个粒子的量子体系，能存储全世界一年产生的数据总量，填满470亿个硬盘；用量子计算原型机“九章”做玻色子取样，优势是当时最先进超级计算机的一百万亿倍；首次实现了单个光子多自由度的量子隐形传态；从地面向高速过境的“墨子号”卫星发射光子，一次只发射一个，其精度相当于“在五十千米外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”，实现了量子保密通信；等等。有意思的是，故事中唱主角的很多都是中国人，尤其是中国科学技术大学活跃在量子信息领域最前沿的一群物理学家们。作者也是他们的同事。这是一种奇妙的阅读体验。

顾名思义，量子信息是量子力学和信息科学相结合的产物。对于它的主要分支――量子计算、量子通信、量子精密测量，本书都做了详细的介绍，它属于有潜力改变世界的战略性科技。从成果上看，量子信息确实侧重于技术应用，但若据此判断它只是应用科学，那就大大低估了它的潜力和地位。因为近些年来，一个神奇的现象是，量子信息的理论框架和概念方法，正在大规模地进入当今理论物理学最基础、最核心的地带，譬如量子场论和量子引力理伦（根据弦理论的全息对偶，这两者有时是一回事）。这不由让人想到，当年凝聚态物理领域的对称性破缺机制，被引入粒子物理学领域，从而引发了后者的变革。向其他各个领域输出思想和方法，这是昭示一个领域重要影响力的标志。

作者偶然间进入这个领域，仿佛进入了量子世界的大观园，只见佳木葱茏，奇花闪灼，处处感受到惊喜。本书就是作者想把他感受到的种种惊喜精准地传达给普通的读者，所付出的巨大努力。文章开头所列举的那些惊喜，只是浮在水面上的一部分。魔术揭秘之后往往变得索然无味，但物理学奇迹背后的原理揭秘后，却是更加迷人的惊喜。这是水面下的冰山。这种努力体现为本书层次的丰富性和内容的准确性。正如作者所言：“读者只需要中学甚至小学的数学水平，就足以看懂本书的大部分内容。而无论水平多高的读者，也都能在书中发现意料之外的收获。”

为了讲清楚量子信息最前沿的科技进展，作者根据多年的科普经验，想读者之所想，尽力做到通俗易懂，厘清认知误区，同时深度触及各个学科（包括计算机、数学、思维认知，乃至文学、历史、哲学、科幻），必要的时候，直面最根本的第一性原理。

譬如，作者竟然有勇气尝试用非常初等的数学（受过九年义务教育以后残留的数学记忆就够了），来讲述量子力学最基本、最精粹的原理，如量子力学的三大奥义：量子叠加、量子测量、量子纠缠。要做出这样原汁原味的大餐，需要对量子物理学有高屋建瓴的认知。这本身也反映了量子物理学在基本原理层面的简洁与优雅。尽可能简单，但不能更简单（AS SIMPLE AS POSSIBLE，BUT NOT SIMPLER）。

譬如，为了讲清楚量子计算机“九章”，作者从费曼的一个天才想法讲起，从操作层面和理论层面，层层递进，剖析了计算机的基本原理，为读者最终理解“九章”的原理做了很好的铺垫。

再譬如，为了讲清楚量子密码，作者竟有魄力专辟一章，从传统密码学最基本的原理讲起，抽丝剥茧，清晰地展现了传统密码的两难处境：对称密码体制肯定不会被数学破解，但密钥信使是漏洞；非对称密码体制不需要信使，却可以被数学破解。这里也难，那里也难。这种两难处境引出一个十分自然的问题：在巍峨的科技体系中，存在不存在一种东西，既能吸收两者的优点，又能克服它们的缺点？这是一个十分苛刻的要求。在科学发展史的关键节点，经常能见到类似的要求。奇妙的是，正是量子力学，给传统密码学的大厦填补上了缺失的砖块。“只有了解了传统密码的两难处境，才能明白量子密码解决了什么问题。”在量子力学对传统密码学两难困境的这种超脱之中，科技体系的传承性和密不可分的整体性一览无余，普通读者的思维也得到了一次淬炼。这种淬炼大有裨益。科学的发展史与个人的思维认知过程仿佛有一种共同的旋律。没有两难悖论，科学真正的进展就无从谈起；没有困惑疑问，个人也谈不上理解。不愤不启。理解新知识，最关键的地方正是通过不停地提问，将困惑清晰地表达出来。

对于对量子力学和量子信息感兴趣的同学，这是一本值得反复阅读的书。基本的元素确实是简单的、初等的，而要把这些元素拼成符合逻辑的完整图像，读者要付出积极努力。作者已经搭好了层层阶梯，努力做到了内容的自洽与完整。即使遇到听起来唬人的专业名词，也请时刻记住，那只是人为规定的名词。理解这些概念的基本内涵和概念之间初步而重要的关系，是完全没有问题的，尤其是必读内容部分。选读内容部分要求稍微高一些。

本书排版精美，配有大量形象的插图，方便理解，还贴心地标注出所有选读的内容。初读的时候，为了有比较流畅的阅读体验，建议把所有选读的部分略过。要想进一步加深理解，你需要付出一些额外的努力，但你的收获也会不同寻常。

书中有不少地方给人留下深刻印象：

“量子密码攻防的风格是：对方无所不能，而自己是傻瓜。只有在这个前提下防住了，他们才认为找到了解决办法。对敌人如此宽松、对自己如此苛刻的研究，是我生平仅见，从来没见过另外一个领域如此不对等的。”

“量子密码研究者的信心与野心：他们希望依靠量子力学原理，一劳永逸地封杀所有可能的攻击，而不只是当前科技水平下的攻击。”

读到此处，不由让人感叹：什么是自信？这就是自信！什么是性感？这就是性感！

以色列数学家凯莱，预言过玻色子取样永远不可能实现量子优越性。他是这么说的：“设想有一支外星人的军队，比我们强大得多，降落到地球上，要求我们展示5个光子的玻色子取样，否则就摧毁地球。在这种情况下，我们应该调集我们所有的量子工程力量 ，尝试实现它。但假如外星人要求的是比如说10个光子的玻色子取样，那么我们最好的选择就是尝试攻击外星人。”

而中国科学家的“九章”，实现了最高达76个光子的玻色子取样。什么是力量？这就是力量！什么是性感？这就是性感！

总而言之，这本书很好地传达了量子信息科学迷人的精神内涵。也很好地展现了科学家们迷人的风采。这其中也包括很多中国的科学家，他们在今天的中国尚不强大的基础物理学领域，撕开了一个口子，汇聚成了不可阻挡的潮流，做到了国际领先，树立了很好的典范。也许，它包含着对今天的中国而言最宝贵的东西。