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诺奖、量子纠缠与加密货币
10月17日 10:59
摘要
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量子货币(Quantum Money)是以量子力学为原理设计的货币；
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近期，让量子力学最出圈的事情要属2022年诺贝尔物理学奖了；
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“量子纠缠”的特性现已成为全球展开激烈研发竞争的量子技术不可或缺的基础。
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遇事不决，量子力学。或许如今我们应该重新思考这句话的深刻内涵。
导语
当谈及量子纠缠时，你是否会想到未来可能有一天会有量子货币。虽然感觉还很遥远，但我们也可以尝试去掀开量子技术神秘面纱的一角，或许加密世界的未来就隐藏在其中。
什么是量子货币？
量子货币(Quantum Money)是以量子力学为原理设计的货币，该原理使货币不能被伪造，这概念对量子密钥分发的发展造成了一定的影响。
量子货币是一种货币形式，它利用量子力学定律来确保相关货币不能被复制，但同时又可以很容易地被验证。这些特性使它成为理想的交换媒介，就像普通现金一样，并且没有任何伪造的风险。
这个想法最初由物理学家Stephen Wiesner在1970年提出，使用的概念是任何试图测量一个未知的量子状态都不可避免地会破坏它。相比之下，测量一个已知的量子态的过程则保留了它。Wiesner意识到，如果量子态的细节被保密（例如被中央银行保密），这一属性可以用来保证量子货币的真实性，同时确保它永远不会被复制。
从那时起，量子货币的想法已经变得非常有影响力，形成了许多实验和量子密码技术的基础，并已经成为常规：一个量子货币协议必须有有效的可准备的货币状态、有效的公共认证和不可伪造性。
诺奖与量子纠缠
而近期让量子力学最出圈的事情要属2022年诺贝尔物理学奖了。
2022年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。
量子力学从上世纪初诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。近来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。瑞典皇家科学院在诺奖公报中说，今年三位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。
量子纠缠长期是量子力学中最具争议的问题之一，量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变，另一个的状态会瞬时发生相应改变。
在很长一段时间，以爱因斯坦为代表的部分物理学家对量子纠缠持怀疑态度，爱因斯坦称其为“鬼魅般的超距作用”。他们认为量子理论是“不完备”的，纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递，也就是“隐变量”。
20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔提出可用来验证量子力学的“贝尔不等式”。如果贝尔不等式始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。
为了对贝尔不等式进行验证，美国科学家约翰·克劳泽设计了相关实验，其中使用特殊的光照射钙原子，由此发射纠缠的光子，再使用滤光片来测量光子的偏振状态。经过一系列测量，克劳泽能够证明实验结果违反了贝尔不等式，且与量子力学预测相符。
但这个实验具有局限性，原因包括实验装置在产生和捕获粒子方面效率较低、滤光片处于固定角度等。在此基础上，法国科学家阿兰·阿斯佩设计了新版本的实验，测量效果更好。阿斯佩填补了克劳泽实验的重要漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，且没有“隐变量”。
如今，奥地利科学家安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多的实验验证。其中一项实验使用了来自遥远星系的信号来控制滤波器，确保信号不会相互影响，进一步证实了量子力学的正确性。蔡林格和同事还利用量子纠缠展示了一种称为量子隐形传态的现象，即将量子态从一个粒子转移到另一个粒子。其团队还在量子通信等方面有诸多研究进展。
诺奖官方公报说，世界各地的研究人员已经发现了许多利用量子力学强大特性的新方法，而这些都得益于今年三位获奖者的贡献。他们扫除了贝尔不等式等“拦路虎”，被众多知名媒体称赞“他们的结果为基于量子信息的新技术扫清了道路”。
量子技术能否重新定义加密货币？
“量子纠缠”的特性现已成为全球展开激烈研发竞争的量子技术不可或缺的基础。典型就是技术迅速发展的量子计算机，例如2019年美国谷歌以约3分钟解答出利用最尖端超级计算机需要1万年的问题。
虽然量子货币名为货币，但在使用方式上它更像是一种支票，因为每次交易均需银行方面核实。每张量子货币上除了印上一个独特的编号外，亦拥有一个孤立的有两个量子态的量子系统。
除了实体货币外，量子货币也是一种可行的方向，但是，与其他普遍的加密货币(如比特币等)不同，根据不可克隆原理，量子货币不能被备份。一个折衷办法是使用quantum error-correcting codes，并将货币分成部分储存在不同的地方，当其中某部分被损坏时，该错误能被复原。
即使一张货币未能通过银行的检验，亦不代表它一定是伪币：它可能是真币，但它的光子偏震面受外界环境影响改变了，或曾被以错误的基底测量过(可能是企图制造伪币的人，或坏掉的验钞机)。
所以，目前的量子货币公式有一个缺点：验证过程只能由受信任的机构（如中央银行）来执行，否则就将对量子状态的细节保密。
但是，像比特币、以太币这样的去中心化货币的出现，使得人们对不需要中心化控制的货币系统产生了关注。因此，此次新的研究找到了一种创建任何人都可以验证的量子货币的方法：可以使量子货币完全去中心化，而不需要区块链来安全地记录交易。
这种新方法的安全性来自于后量子加密，并且可以抵抗量子计算机的攻击。
其中最有前途的问题涉及“格”（lattice）的数学思想，“格”是一种由一组向量形成的多维格。这个格中的点由不同长度的向量连接起来，并且这些向量很容易计算。然而，在晶格中找到最短向量的问题被证明是很困难的，特别是当晶格是随机的时候。
一种方法是计算随机格中所有点之间的距离，最终将找到最短距离的向量。但随着格变得更大或包含更多维度时，这个问题就变得难以解决，即使对于量子计算机来说也是如此。
此次研究中提出的方法是将随机格编码为一个量子货币单位的量子属性，可以是一个原子阵列。任何想要复制这种货币的人都必须重现这种随机格。但这只有在已知最短向量的情况下才能完成，这项任务甚至量子计算机都无法完成。
此次实验中的量子货币状态表现为高斯球（将物体表面每点的向量映射到一个球体上）上状态的叠加。这个理论实验可保证资金的安全，且它也很容易被验证，因为格的量子态具有特定的属性：任何用户都可以测试。
最后”高斯球“的试验结果会形成一个无法被复制、但易于检查的物理系统。
“由于我们的货币状态是物理有形的，它们可以作为有形但不可伪造的钞票，但它们也可以通过量子通道作为数字货币转移。”麻省理工学院Andrey Khesin等人表示，这一切都由买卖双方完成，无需任何交易记录：就像今天使用普通现金一样。“所有权的验证可以通过本地和离线完成，不需要通过区块链等机制进行全球同步。”
不过，虽然上述理论有可行性，但我们必须认识到的一点是，实现量子货币所需的技术尚未存在，遑论足以大规模于市面使用，所以其局限性只是理论上的讨论。
结语
遇事不决，量子力学。或许如今我们应该重新思考这句话的深刻内涵。
如今“量子纠缠”第一次被证实存在，正式登上了世界科学的舞台，亦是未来高速计算的根基。相信随着量子研究方面的不断进步，将给未来的金融风险评估、区块链、人工智能（AI）以及其他产业利用带来更多创新和发展空间。
一起翘首期待未来量子技术在区块链领域大展宏图。
免责声明
作者：Gate.io 研究员 Byron B.
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