一篇文章教你读懂量子通信，真的很有趣一篇文章教你读懂量子通信，

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正文 【一篇文章教你读懂量子通信，真的很有趣】碍于疫情影响，复试工作迟迟不能开展，我也就迟迟得呆在家里。刷题刷的我头有点秃，为了不至于在刷题刷累了的时候无聊，划重点，无聊到想学习，无聊嘛。说明有时间，无事做，那就把平常很多想知道的全给它了解一番，毕竟世界是可知的，知识来源大多是百度百科，我不生产量子内容，我只是量子文字的搬运工，顺带用最通俗的话记录下来，上篇分享了比特币和挖矿还有区块链。今天来个貌似高端的量子，波粒二象性，量子跃迁，波函数，薛定谔的猫，海森堡不稳定性，量子纠缠，量子通信。下面文字其实很好懂，实在看不懂，直接滑倒最底下，有漫画可以了解。
1. 量子（组成物理量的基本单位，离散性）
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量子图鉴量子（quantum）是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。它最早是由德国物理学家M·普朗克（大力的偶像！？）在1900年提出的。
所谓量子，是构成物质的最基本单元，是能量，动量等物理量最小单位，不可分割。像电子、光子等构成物质的基本粒子，统称为量子。
量子化是指某些物理量呈现不连续的分离化性质，而这正与牛顿力学为代表的经典物理（主导连续）有根本区别。量子力学主要表现在微观物理世界，描写微观物理世界的物理理论是量子力学

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普朗克普朗克发现，如作如下假定则可从理论上导出其黑体辐射公式：对于一定频率ν的辐射，物体只能以hν为能量单位吸收或发射]它，h称之为普朗克常数。换言之，物体吸收或发射电磁辐射，只能以量子的方式进行，每个量子的能量为E=hν（只能是v的倍数，此时量子的能量会是发散的而非连续），称为作用量子。

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光电效应示意图
而这一理论提出之后，爱因斯坦开始注意到，很多以往的经典物理学疑难都可以用量子假设来解决。他试图用量子假设去说明光电效应中碰到的疑难，提出了光量子概念，认为辐射场就是由光量子组成。每一个光量子的能量E与辐射的频率ν的关系是E=hν。采用光量子概念之后，光电效应（在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。）中出现的疑难随即迎刃而解。
现在来说一些你能看的懂的，源自网络大佬

假如妈妈吩咐你：“把这罐辣酱放到厨房储物柜里。”储物柜是分层的。你可以选择放在这一层或那一层，但你总不能把辣酱放在相邻两层之间，譬如2.5层吧。因为那是没有意义的。
用物理学上的术语说，你家的储物柜是“量子化”的，只能分成离散的一层，两层，三层……不可能再细分为0.6层，1.5层，2.8层，3.45层……

在量子的世界里，任何东西也都是量子化的。举例来说，原子中的电子只能呆在一些离散的能量层里（称为能级）。跟你家厨房的储物柜一样，两个相邻的能级之间，是没有它的立足之地的。但是量子的行为十分诡异。假如你给待在较低层的电子一个能量，它就会跳到更高的层。这叫量子跃迁。不过，你给的能量必须合适才行，即刚好等于两层之间的能量差，否则它会“耍脾气”拒收。

设想你脚下有一个“量子足球”，在你10米之外有一些由近及远的沟，它们相当于一条条能级。一般人会想，用的力太小，固然球飞不起来，但用的力很大，让球飞起来总没问题吧？但事实上不是。仅当你踢“量子足球”的力不多不少刚好能让它掉到这条那条沟里的时候，它才会呼啸而起，否则任你怎么踢，它也会待在原地不动。很奇怪吧？

假如你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/时、20千米/时或80千米/时的速度行驶，在它们之间的速度是不允许的。换挡的时候，你突然就从5千米/时跳到了20千米/时。速度的变化是瞬间发生的，你几乎觉察不到加速的过程。这可以叫速度的“量子化”。

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离散与连续.png 2. 量子力学VS经典力学

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“经典”是物理学家用于描述“日常感觉”的术语——当事物的表现不超出你日常经验的范围，我们就说它是“经典”的。
台球就是一个经典物体。在碰到另一个球或桌沿之前，它总是在球桌上沿着一条直线滚动，这完全符合我们的日常经验。但球里每一个单独的原子的运动，却遵循着量子力学的规律，比如说，它随时都可以消失。
但这并不意味着，微观和宏观世界的规律完全“老死不相往来”。作为物理规律，量子规律无疑更基本，但是当很多粒子聚集在一起时，其整体行为就非常趋近于经典物体的行为了，这时你就可以用经典规律来描述。比如说，组成台球的一个粒子，或许非常“任性”，但是数以亿计的粒子聚在一起时，彼此的“任性”相互抵消，整体行为就越来越“中规中矩”。你要是有一台超级计算机，把组成台球的上亿个原子考虑进去，然后完全按照量子力学来计算，你会发现，这上亿个原子的整体运动跟直接用牛顿力学来描述是一样的。

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就是说大量微观粒子聚集一起时，诡异的量子效应将会消失，其整体行为就会变得“经典”。这条原理在某些情况下很有用。比如一些大分子团，要说它是经典物体呢，似乎太小了；要说它是量子物体呢，似乎又太大了。这时候，我们就可以量子规律和经典规律双管齐下。本来只要用量子规律即可，但计算量太大了。既然存在对应原理，我们就可以把一部分计算简化成经典物体来处理。
3. 海森堡不确定性原理在量子物理学中，某些东西从严格意义上说是不可知的。例如，你永远不可能同时知道电子的位置和动量，正如你永远不可能让硬币的两个面都朝上。
有些书上教你这样去理解不确定性原理：例如，要想知道电子在哪里，你须得用某种东西（例如光子）探测它。但光是一种波，它的分辨率决定于它的波长，波长越短分辨率越高。所以为了把电子的位置测量得更准确，你最好是选用波长越短的光。但光又是一种粒子，其能量与波长成反比，波长越短能量越高。光子能量越大，对电子的碰撞也越大。这样一来，不管你的探测多么小心，都会改变电子的动量。在经典世界，观察或测量对观察对象的干扰可以忽略不计，但在微观世界，干扰无论如何是不能忽略的。
这样说当然也没错。不过，不确定性原理事实上比上述这样的理解更深刻。它说的是，自然界有一种天生的模糊性。在测量之前，电子的状态（包括它的位置、动量），是各种可能状态的叠加。它处于一种叠加态。叠加态具有天然的“模棱两可性”：既可能是这样，又可能是那样，或者说几种可能性同时并存。仅当测量时，它才被迫选择一种确定的状态呈现出来。好比一枚“量子硬币”，当它落下之前，它的状态是“正面朝上”和“背面朝上”两种状态的叠加。仅当它落到地面静止下来，它才被迫选择停留在两种状态中的一种。
4. 波粒二象性波粒二象性
量子物体（如光子和电子）具有分裂的个性——有时它们的行为像波，有时又像粒子。它们的表现取决于你设计实验时，是以波还是粒子来看待它们。
例如，我们知道，粒子的运动是有轨迹的，而波的特点是在整个空间弥漫，没有确定的轨迹。当你把量子物体当作粒子看待（如用粒子探测器探测它），想知道它的运动轨迹，好，那它就表现得像个粒子。假如你在设计实验的时候，想看看它的波的特性，如干涉、衍射等，好，它就表现出波的特性。
在量子力学中有一个著名的双狭缝实验。它之所以著名，是因为展示了量子的许多奇怪特征。下面我们就以它为例子来谈谈。
假如你在一个水池里设置一个有两条竖直狭缝的屏障，然后用手指蘸一下水产生水波，水波会穿过两条狭缝。穿过两狭缝的水波会在屏障后面互相干涉，形成一个干涉图案。

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如果你把屏障从水里拿出，朝狭缝发射一堆子弹，它们就会直接穿过这条或那条狭缝，在屏障后留下两条分明的弹痕，而不会产生干涉图案。
这是经典的波和粒子在双狭缝实验中的表现。但诡异的是，微观粒子譬如电子，可以同时表现出两者。
假如你朝狭缝发射电子，甚至像发射子弹一样控制好，一次发射一个，起初屏障后面开始形成两条明显的“弹痕”，说明电子表现得像粒子；但随着你发射的电子渐多，弹痕也渐渐模糊起来，最后竟然在屏幕上显示出明暗相间的干涉图案，这时它又表现得像波了。倒好像每个电子同时穿过了两条狭缝，并与自身干涉。
按照不确定性原理，可以这样解释：因为电子是一个量子物体，我们不能确切地知道它的位置。电子有机会穿过一条狭缝，也有机会穿过另一条狭缝——因为两者都是可能的，所以它实际上同时经历了两个过程。换句话说，确实是每个电子同时穿过了两条狭缝，并与自身干涉。
现在，更诡异的事情来了。假如你在两狭缝边上各放置一个粒子探测器，来观察电子到底穿过了哪条狭缝。你的意图可以得逞，比如电子击中探测器的探头，不断发出明亮的闪烁，你高兴地欢呼：“你这个鬼家伙，终于被我逮着了！你刚才走的是这条缝，现在走的是那条缝。”但是，等你把头探到屏障后面，就会发现大事不妙：干涉图案竟然消失不见了，只留下像弹痕一样的两条直截分明的狭缝投影。
按前面的解释，这是因为你知道了电子穿过哪个狭缝之后，它不就再处于叠加态，所以只能选择一条路径，通过一条狭缝。电子的波动行为消失了，表现得完全像粒子。
如果你对上述解释还感到头疼，那么请想一想这个事实，或许多少受些安慰：物理学家其实也不太能接受这样的解释，他们一直都在为这个明显的悖论想破脑壳。
5. 波函数

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这是一种用来描述波-粒子的数学。
至关重要的是，一个量子波函数可以包含有许多种可能的解，每一个解都对应着一种可能的现实，波函数则是这许多种可能的解按一定概率的叠加。譬如，一个“量子硬币”的波函数包含“正面朝上”和“背面朝上”两种解，每一种解都对应一种现实，实现的概率各为50%。
令人惊讶的是，叠加态中不同的解似乎还相互作用。这一点，在前面的双缝实验中我们其实已经看到了，当电子同时经历了两个可能的轨迹，既穿过这条缝，也穿过另一条缝时，就会产生干涉。我们的观察或者测量，似乎对波函数起着一种神秘但又至关重要的作用，即造成波函数的坍缩，迫使原先处于各种可能的叠加态做出非此即彼的选择。好像我们对自然说：“喂，别再跟我含糊其辞，必须给我一个明确的答复。”于是自然只好吞吞吐吐做出“是与否”，“此与彼”的答复。
观察为什么能迫使波函数坍缩呢？这是谁也解释不了的机制，所以很神秘。
测量导致的波函数坍缩，叠加态崩溃，是不可逆的，不可恢复的。这正是量子通信的基础。量子通信优于传统通信的最大亮点是保密性好。为什么它能做到这一点呢？因为信息的载体（比如光子）被窃听者截获之后，他为了得到信息，不能不对它进行测量，但测量之后，光子的状态就改变了，这样就很容易被通信的双方察觉。所以量子通信虽然没办法阻止被人窃听，但窃听者很容易暴露自己。（太机智了）
6. 叠加态和薛定谔的猫薛定谔的猫想象一只猫和一小瓶氰化物被放置在一个密闭的盒子里。瓶子上方有一把用电子开关控制着的锤子。如果开关被随机发生的量子事件（例如铀原子的衰变）触发，锤子就会砸下来，把盛有氰化物的瓶子砸碎，猫就会一命呜呼。（因为量子既打开了开关又没有打开开关，正如光粒子同时穿过两条缝）
这个由奥地利物理学家薛定谔设想的思想实验，是用来说明叠加态的概念的。
铀原子的衰变遵循量子规律，所以它的波函数有两个解：衰变或不衰变。根据量子理论，在进行测量之前，这两种可能性都是存在的。事实上你可以认为，在测量之前，铀原子同时衰变又不衰变，处于两者的叠加态之中。
因为猫的命运维系于铀原子的衰变情况，所以你不得不承认，当铀原子处于衰变和不衰变的叠加态时，猫也将处于一种活和死的叠加态。即是说，在我们打开箱子观察之前，这只猫处于既死又活的状态。

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量子计算机示例叠加态是量子计算机的基础。传统的计算机只对0和1操作。1比特的信息，就是0或1。但是量子计算机直接对1量子比特进行操作，而1量子比特是0和1两种状态的任意叠加，这种叠加形式几乎是无限的。这正是量子计算机与传统计算机的运行速度不可同日而语的原因。
科普：薛定谔提出猫的实验并非为了证明量子理论，相反他正是在与爱因斯坦的的信件中为与爱因斯坦一道讨论对量子理论的质疑而设置的实验，而。在过去的几十年里，物理学家成功地在实验室中实现了多种薛定谔猫态，将物质微粒转变为“既是 A 又是 B”的叠加态，并探测它们的性质。尽管薛定谔对此持保留意见，然而每一次测试结果都符合量子力学的理论预测。

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猫 7. 量子纠缠量子纠缠是指当两个粒子（例如光子）密切相关时，对一个粒子的测量立即就会影响到另一个粒子，不管两者相距有多远，哪怕一个在地球上，一个在宇宙的边缘。

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量子纠缠
这有点像你还是个孩子的时候，可能玩过的一个游戏：叔叔每只手里都攥着一个彩球，一红一蓝。先让你看，看完把它们在背后混合。混合完再拿出来，让你猜每只手中球的颜色。从你的角度来看，这两个球就像发生了“纠缠”——如果他左手拿的是红球，那就意味着他右手拿的必定是蓝球；反之亦然。
但量子的情况更神秘，因为在叠加态中，每个“球”并没有确定的颜色。任何时刻，都能以同样的概率显现红或蓝，而且是完全随机的。
你如果观察一个“量子球”，那么它的波函数坍缩，它将被迫选择一种确定的颜色显现，比如说是红色。可是与此同时，远在宇宙边缘的另一个纠缠的“量子球”，它的波函数也立刻坍缩，它也立刻以一种确定的互补颜色显现了，比如说是蓝色。问题是，我们对后者并未做任何直接的观测，没有对它产生任何作用呀。
这样一来，对一对量子纠缠的粒子中的一个进行操作（比如说观察），似乎立刻就能影响到另一个粒子，不管它们相距多远。爱因斯坦觉得，这违反了他的相对论提出的“任何运动或作用力的传递都不能超过光速”的原理，所以他给量子纠缠贴上了“幽灵般的相互作用”的标签。

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爱因斯坦量子纠缠是“量子隐态传输”的基础。所谓量子隐态传输，就是把甲地的一个粒子的状态瞬间转移到乙地的另一个粒子上，如同某些科幻小说中描写的“超时空传输”。不过请注意，这里传输的不是粒子本身，而是粒子的状态，即传输的仅是信息。
8. 量子通信（文末有漫画说明）

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原理所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。
一个电子类似于硬币，也是有两种状态，上旋和下旋。
一个盒子里有两个电子，这两个电子的状态也是随机的，那么在打开盒子观察前，盒子里的电子是四种可能。但是电子特殊的一点是，当两个电子靠的足够接近的时候，它们两个就可能发生一种变化，它们会释放出一个光子，同时两个电子进入了一个纠缠状态。此时两个电子就不是有四种可能，而是变成两种可能了，就是说两个电子的状态一定是相反的。当我们把两个电子分开，放到两个很远很远的地方，这两个电子的这种关系依旧会存在，当我们测量其中的一个电子，发现它比如是上旋的时候，那么我们立刻知道，遥远另一个地方的那个电子一定是下旋的。
这里要注意一点，宏观世界里，在观察前盒子里的硬币是已经有了一个客观存在的状态的（比如是正面），可是对于微观的电子来讲，在测量前它是没有一个客观存在的状态的，它是处于上旋和下旋的叠加状态中，测量的过程才赋予了它一个确定的状态。一旦进行测量之后，两个电子的纠缠态就会被打破了，变成了完全独立的两个电子了。这就是量子纠缠，不仅是电子，光子，中子等等其他的粒子也同样可以有量子纠缠的现象。

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卫星图量子纠缠并不能用作超光速信息传递。是因为，无论我们对A电子作何种操作，B电子附近的人都是无法知道的，他们不知道我们是否对A进行了测量，也无法知道我们对A进行的任何其他操作。无论我们对A做了什么，B处的人对B测量的时候都是有一半概率是上旋，一半概率是下旋。这个过程中没有任何信息可以通过两个电子之间进行传递。（注意理解，很重要）

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量子通讯量子通讯，更严格的讲应该叫做量子加密通讯，这样称呼的话就没有那么多的歧义了。
在通讯的时候，我们为了让信息保密，不被别人知道，常常会对信息进行加密。

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有一个密钥，是只有A和B知道的，利用这个密钥，A把信息进行处理加密变成一段密文，这样就算其他人截取了密文也不能知道A想传递的信息是什么。而B收到信息之后，利用手上的密钥把密文解密，就又得到了明文，知道A想传递的信息是什么。
可是经典的加密通讯，非常可能被破解，敌人可能通过破解或其他途径得知你们密钥，这样就可以随意窃听你们想传递的信息。
而量子加密通讯，理论上可以做到让敌人永远无法破解你们的通讯。
量子保密通信干的事情并不是加密，而是把密钥分配给需要保密通信的双方，密文的发送仍然可以通过标准的通信手段来完成。明确了量子保密通信的任务之后，这个过程要保证的就是首先要能够在A B两人之间实现密钥的分配，其次要保证分配的过程中不会使未授权的第三方得到密钥的内容。

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量子加密通讯有两条传输通道，一条传递纠缠粒子对（通常是纠缠光子），一条利用电磁波传输经典的信息。
第一步，A和B首先对依次收到到纠缠光子对进行处理，通过一组随机生成的偏振片。看是否能通过得到一组数据。
第二步，A和B互相把自己所用的偏振片组通过经典信息途径传递传递给对方，这样偏振片不相同的那些数据就被舍弃，A和B就得到了一组完全相同的，只有他们自己知道的密钥。
第三步，B将所得到密钥的一部分发给A，A检测如果和自己的密钥相符，那么就证明这个过程中没有其他人在监听，两边的数据是有效的。(不可完美复制，可监听)
第四步，A将想传递的信息通过密钥加密成密文，通过经典途径传递给B，B用密文解密得到明文。

在经典的通讯中，我是可以截取本来应该发给B 的信息，然后伪造完全相同的信息再发给B，这样A和B就无法发觉有人在监听。而在量子通讯中，因为粒子的量子状态是无法复制的，一旦有人拦截了本应该发给B 的纠缠光子，他是无法复制出完全相同的一列光子发给B的，那么第三步中，A就会发现B发给自己数据和自己手上的数据不相同，立刻可以发现有人在监听。所以说，从理论上，量子加密通讯是无法被破解的，可以做到绝对的安全。

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上述任务的完成就是借助了量子力学的基本特性，简单的说可以说基于量子态不可克隆原理和海森堡测不准原理。不可克隆说的是不存在量子态的复印机，能够实现量子态的完美复制（不完美是可以的）。测不准就是说你对量子态进行的测量很有可能改变它的状态。比如原来是1，可能测完就变成0.5了。
有了以上两个定理作为利器，我们就可以进行量子密钥分配了。

假设A发给B一个态，对于A是已知的，对于B是未知的。
E想来看看A发的是什么（E是无授权的第三方），那么直接的办法是我先把你的截下来，测量一下我就知道了，但是实际上是不行的。第一，E截取了也无法完美复制，于是只能做单次测量，（若能完美复制，E就能复制无穷多个去测量去，总能测清楚）。
那E来做单次测量，单次测量量子态之后，A发送的原始态就变化了，B收到之后再问问A你发的是什么啊？B一测量，太变化了，那就有人窃听了，我们分享的密钥不安全了，这就是窃听的发现。

保证安全性过程基本就是这样，实际上要复杂很多，包括安全漏洞的来源和防护，包括大家在做的量子攻防，就是解决实际过程的安全性的。简单的说，一、量子密钥分配不做通信，只分配密钥；二、量子密钥分配不主动防护窃听，而是被动探测窃听；三、量子密钥分配需要常规通信，无法超光速（这点大家容易误解）；四、窃听的探测基于量子力学的基本原理（不可克隆和测不准），所以叫做量子密钥分配。
10. 量子隐形传输

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量子隐形传态（Quantum teleportation），又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息（physical information）的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。
必须说明的是，量子遥传并不会传送任何物质或能量。这样的技术在量子信息与量子计算上相当有帮助。然而，这方式无法传递传统的资讯，因此无法使用在超光速的通讯上面。量子遥传与一般所说的瞬间移动没有关系–量子遥传无法传递系统本身，也无法用来安排分子以在另一端组成物体。
假如我们用量子隐形传输来传输人（理论上可行，但是实际操作起来我觉得永远都不可能做到）。
过程就是，A处和B处有大量互相纠缠的粒子，A处的人和纠缠粒子相互作用并被摧毁（根据量子学定律这是必然的）。一系列数据通过经典途径以光速传到B，然后遥远的B处利用这些纠缠粒子和从A传过来的数据生成了一个和A处完全相同的人，这个人拥有原来那个人所有的记忆和意识，他只觉得自己突然间从A 传到了B。

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举例子:
把一个已知状态的粒子（比如上旋的电子），把它的状态传递给遥远地方的另一个电子。

第一步我们需要在A和B有一对纠缠的电子，我们把A处的纠缠电子同需要传输的电子放到一起。
第二步对这两个挨着的电子进行测量，但是不是直接测量它们各自状态，而是去测量比如它们两个的状态是相同还是不同。
第三步如果A处两个粒子的状态是相同的，我们发出信息让B处的人用磁场将纠缠粒子旋转，于是B处的的纠缠粒子就变成了上旋。如果A处两个粒子的状态是相反的，那么我们发出信息告诉B处的人不用做任何操作，B处的纠缠粒子本身就是上旋的。

同样，对于一个不知道量子态的电子，也是可以做到无损的把它的量子态传输给B处的某个电子的，只是过程要复杂的多。
11. 量子理论的解释量子理论的上述思想尽管非常神秘，也很诱人，但说实话，大多数物理学家并不特别关心，他们是实用主义者，只关心最后的计算结果：理论怎么解释就随他去吧，只要计算结果跟实验相符就够了。
当然，也有一些比较有哲学气质的物理学家试图澄清这些问题，所以他们对量子理论做出种种解释。这些解释在本刊2017年11A期的《量子物理的巅峰对决》一文中已谈得很详细，这里只把主要的几种解释简单介绍一下。
哥本哈根学派的解释——在我们测量之前，确定的现实是不存在的。只有我们在观察的那一刻，观察的行为导致波函数“塌缩”，一种确定的现实才呈现出来。
多世界解释——每一次对量子的测量都将触发无数平行宇宙的诞生，叠加态中的每一个可能性，分别都在每一个新生的宇宙中成为了现实。你之所以观察到薛定谔猫还活着，仅仅因为这个“你”碰巧跟那只活的猫处于同一个新生宇宙中而已。（我的天！？）
德布罗意的导波解释——微观粒子的行为跟经典粒子差不多，只是你要把它们想象成像冲浪者一样骑在所谓的导波上。粒子产生波，而波又引导粒子运动，如此反复。
附：