一次搞懂量子通訊

名人推薦：佑來了　科學型YouTuber
陳正源　臺北市立第一女子高級中學物理科教師
簡麗賢　臺北市立第一女子高級中學物理科教師
專業推薦（依姓氏筆畫排序）

前言
為什麼我們該學黑科技？因為未來屬於有好奇心的人

上課時，大部分物理系同學都竊竊私語：
「消耗這麼多珍貴的腦細胞學這些東西有什麼用？」
「量子力學有什麼用？」
「廣義相對論有什麼用？」
「薛丁格方程式、路徑積分和群論究竟有什麼用？」
那時，理論物理學還是一項難以描述的專業。
每當叔叔、阿姨、大伯、大嬸好奇地問我學什麼，老實回答後，總會出現一陣莫名的沉默。
短暫的寂靜後，會傳來一陣悲天憫人的聲音：
「學這個專業將來找什麼工作啊??」
十年前，同學們在寢室激辯「薛丁格的貓」，在教室聽教授吹噓量子電腦的浮誇功能，期末考前鬥志昂揚地準備小抄時??我們都以為像量子這種謎之科技，只能存在於象牙塔和實驗室中。
十年後，當我破天荒地轉到電視臺，看了一晚上的科普版量子通訊──我震驚了。
我從沒想到它這麼快就有用了！
二○一六年八月十六日，「墨子號」──一顆中國製造的量子通訊終端衛星，在全世界的眼皮底下衝出實驗室，飛向太空。
自從一九○○年，馬克斯．普朗克（Max Planck）發明「quantum」這個單字至今，量子終於從哲學辯論會的題材，變成魔法般的黑科技。基於量子糾纏，能造出比現在快一億倍的量子電腦；而超距作用和貝爾不等式，把量子糾纏變成加密通訊領域的終極武器。
真實的未來，總是比我們以為的精彩。
據說，如果人類沒有發明量子理論，就不會有今天引以為傲的半導體晶片和網際網路，全球三分之一的國內生產毛額（GDP，Gross Domestic Product）將不復存在。
而這三分之一的GDP，大部分基於二十世紀三○年代的理論框架，相當於大學物理本科二年級《量子力學（下）》的水準。
現在，「墨子號」量子通訊衛星飛上天了，五年後人人都會用無法破解的加密網路刷信用卡。再等到量子電腦投入量產，人工智慧在恐怖的哈希率（HashRate，又稱算力）加持下統治世界??到時候，可能全球九九．九九％的GDP都必須歸功於量子理論吧！
驚喜嗎？其實這些不過是運用二十世紀八○年代的理論而已。
蓄勢待發的還有弦理論、重力波、蟲洞、量子隱形傳態??這些三十年前就被人紙上談兵的理論，變成真正改變世界的武器，將是怎樣的魔法時代啊??
我常想，這個看似司空見慣的尋常世界，其實是個巨大的謎團，宇宙、社會、代碼、商業究竟是如何運作的？
無論是仰望星空還是改變世界，真相永遠只有一個，而且總是出乎意料的簡單與殘酷。但是，只有在探索的路上才能贏得力量，收穫價值，發現意義。這樣，當我臨死回首往事時才不會說：「原來我終其一生，只是這個世界的 guest（訪客）用戶。」
這是我寫這本書的目的。
你不需要學過高等數學，只需要有好奇心。好奇心會讓你把這本書當作懸疑推理小說，全程無尿點地讀完一章，然後像追美劇般義無反顧地翻開下一章，時不時還發出看相聲段子時的會心一笑。
我不期待你看完這本書就能變身成民間物理學家，但期待未來的夢想家和技術宅能看到科技的全部潛力，解鎖宇宙的隱藏關卡。
一個被黑科技主宰的未來，一個「墨子號」、「AlphaGo」成為熱門新聞的未來，屬於有好奇心和想像力的人。誠如阿爾伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）所說，它們比知識更重要。
當一個人與生俱來的好奇心漸漸喪失，他不是在長大，只是在變老。
或者，你可以繼續等待─就像在火車站自動售票機前躊躇的人，茫然無措地看著正在崛起的新時代，載著一群年輕而陌生的面孔，飛馳而去。
這是你的選擇。

CHAPTER 1　魔法時代

一百一十九年前的十二月十二日，位於加拿大紐芬蘭島的聖約翰斯港口。
那一天，如果有人路過這片荒涼的海岸，一定會被眼前的奇景驚訝到掉下巴：海灘的鐘樓上空，竟然翱翔著一只巨大的六邊形風箏。它迎著凜冽的海風一躍而起，在一百二十公尺的高空盤旋，驕傲地俯瞰一望無際的大西洋。
鐘樓裡，一個年輕人焦灼的目光正眺望著大洋彼岸的英格蘭。冬日的陽光冷冷地盯著鐘樓的指標，疲憊的波濤百無聊賴地拍打著礁石。他把電話聽筒緊緊貼在耳邊，直到手心攥出汗─但他什麼都沒聽見，除了自己在一片寂靜中無法抑制的心跳聲。也許，快了，就快到了??
他在等候一個遠道而來的客人。
三千七百公里外的英格蘭，一束掙脫天線重獲自由的電磁波正以光速衝破雲層，眼看就要飛向外太空，卻在六萬公尺的高空一頭撞上電離層，一個跟頭栽進大西洋。
從海裡爬起來一看，不知不覺已來到楓葉之國，本打算再繞著地球多溜達幾圈解悶，不料竟被一根裝在風箏上的天線俘獲，身不由己地沿著導線滑進聽筒，變成三聲微弱而堅定的「嘀、嘀、嘀」。
只用了○．○一秒，就成為人類歷史上第一個橫跨大西洋的無線電訊號。
歷經六年研發，耗資數萬英鎊（相當於今天的四億三千萬新臺幣），面對無數次挫敗和冷眼，年僅二十七歲的古列爾莫．馬可尼（Guglielmo Marconi）終於成功了，他用無線電改變世界！只發送了一個字母S。而且，實驗的大部分時間，這個S微弱到幾乎無法聽清楚。難怪很多專家對馬可尼的發明不屑一顧，甚至質疑能否稱之為發明──畢竟，只能發出一個字的技術也算通訊嗎？
普通人的眼裡，那一天不過是報紙上一行「看起來很厲害，但卻不知道是什麼」的頭條，一則真假難辨的傳聞，一種距離現實遙遙無期的黑科技。
那一天，似乎什麼都沒有改變。
直到兩年後，英國《泰晤士報》正式使用無線電向美國發送每日新聞；
直到八年後，三十五歲的馬可尼憑藉無線通訊領域的發明獲得諾貝爾物理學獎；
直到十一年後，絕境中的鐵達尼號靠著無線電呼救，七百一十名乘客和船員獲救；
直到二十一年後，世界上第一個無線廣播電臺開始播音；
直到三十六年後，馬可尼病逝時，英倫三島所有無線電全體靜默兩分鐘，致敬這位為無線通訊事業奉獻一生的義大利奇男子。
包括馬可尼自己，當時沒有人能夠想像接下來的一百多年，通訊會把世界變成這樣：
二○一六年八月十六日，世界第一顆量子通訊衛星「墨子號」從中國的酒泉基地發射。
就像當年的馬可尼一樣，今天的我們無從想像，未來的量子通訊與量子計算，終將帶來一個怎樣的魔法時代。
絕對安全的資訊傳輸？秒破全世界加密系統的超級電腦？瞬移、穿越將不再是科幻？
二○一六年八月十六日，潘建偉院士的量子通訊衛星飛上天了。
二○一七年八月十日，「墨子號」完成三大科學實驗任務，實現星地間一千二百公里的超遠距離量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態。
二○一七年九月二十九日，連接北京、上海，全長二千多公里的量子通訊骨幹網路「京滬幹線」開通，與「墨子號」成功對接。
二○一八年十一月十三日，武漢－合肥量子通訊網「武合幹線」開通；同年底，中國量子網路線路總長超過七千公里。
今天，已經有量子通訊手機和視訊會議系統，政府和銀行都用量子通訊傳輸加密資料，阿里巴巴已經把量子通訊搬到雲端。下一步，量子通訊的大規模商業化正蓄勢待發。也許不久後，人人都會用無法破解的加密網路「剁手」、聊天、看直播。難道，你還覺得量子理論是象牙塔裡的黑科技，和你的生活毫無關係？
讓我們先從神祕的量子理論開始，解密量子通訊。
這註定是一段不可思議的旅程。

任何足夠先進的科技，
初看都與魔法無異。
――亞瑟．克拉克（Arthur Charles Clarke）

如果你完全不懂量子力學，請放心大膽地往下看，我保證不用任何公式就能秒懂，連一加一等於二的幼兒園數學基礎都不需要。
如果你自以為懂量子力學，請放心大膽地往下看，保證看完會仰天長嘆：「什麼是量子力學啊?!」
正如量子力學兼撩妹大師理察．費曼（Richard Feynman）的名言：「從前，據說世界上只有十二個人懂相對論──我不信。也許曾經只有一個人懂相對論，但當人們看他的論文後，懂的人肯定不只十二個。然而另一方面，我可以有把握地說，沒有人懂量子力學。」
換句話說，誰要是覺得自己徹底搞懂量子力學，那他肯定不是真懂。
在燒腦、反直覺和「毀人三觀」方面，恐怕沒有任何學科能和量子力學相比。如果把理工男最愛的大學比做霍格華茲魔法與巫術學院，唯一能與量子力學專業相提並論的只能是黑魔法。
然而，量子理論之所以看上去如此神祕，不是因為物理學家故弄玄虛。其實，量子理論誕生之初的搖籃時期，它原本只是人畜無害的學科，專門研究電子、光子之類的小玩意兒。而「量子」這個現在看來很厲害的名詞，本意不過是指微觀世界中「一份一份」的不連續能量。
這一切都源於一次物理學的靈異事件……

前言
為什麼我們該學黑科技？因為未來屬於有好奇心的人

上課時，大部分物理系同學都竊竊私語：
「消耗這麼多珍貴的腦細胞學這些東西有什麼用？」
「量子力學有什麼用？」
「廣義相對論有什麼用？」
「薛丁格方程式、路徑積分和群論究竟有什麼用？」
那時，理論物理學還是一項難以描述的專業。
每當叔叔、阿姨、大伯、大嬸好奇地問我學什麼，老實回答後，總會出現一陣莫名的沉默。
短暫的寂靜後，會傳來一陣悲天憫人的聲音：
「學這個專業將來找什麼工作啊??」
十年前，同學們在寢室激辯「薛丁格的貓」，在教室聽教授吹噓量子...

前言　為什麼我們該學黑科技？因為未來屬於有好奇心的人

CHAPTER 1　魔法時代
Section 1　百年戰爭
Section 2　千面之神
Section 3　靈異實驗
Section 4　觀察者的魔咒
Section 5　三觀的崩塌

CHAPTER 2　薛丁格的貓
Section 1　學歷最高的運動員
Section 2　薛丁格的貓
Section 3　我思故我在
Section 4　命運之眼
Section 5　天機不可洩漏
Section 6　回到未來
Section 7　眼見為實

CHAPTER 3　愛因斯坦的幽靈
Section 1　愛因斯坦之夢
Section 2　幽靈的威脅
Section 3　量子駭客
Section 4　幽靈成像
Section 5　宇宙的洪荒之力

CHAPTER 4　終極密碼
Section 1　密碼簡史
Section 2　小舞人探案
Section 3　機器新腦
Section 4　圖靈的祕密
Section 5　阿基里斯之踵
Section 6　全民加密

CHAPTER 5　兵者詭道
Section 1　魔法硬幣
Section 2　無條件安全
Section 3　兵者詭道
Section 4　最強之矛與最強之盾

致謝

前言　為什麼我們該學黑科技？因為未來屬於有好奇心的人

CHAPTER 1　魔法時代
Section 1　百年戰爭
Section 2　千面之神
Section 3　靈異實驗
Section 4　觀察者的魔咒
Section 5　三觀的崩塌

CHAPTER 2　薛丁格的貓
Section 1　學歷最高的運動員
Section 2　薛丁格的貓
Section 3　我思故我在
Section 4　命運之眼
Section 5　天機不可洩漏
Section 6　回到未來
Section 7　眼見為實

CHAPTER 3　愛因斯坦的幽靈
Section 1　愛因斯坦之夢
Section 2　幽靈的威脅
Section 3　量子駭客
Section 4　幽靈成像
Secti...