星星之火-54：量子通信前序，什么是传统的纵观世界的“电”通信？

1 物质的组成

2 声波信号（声）

3 光信号（光）

4 电信号（电）

5 电磁波信号（磁）

6 光电效应

1 物质的组成

（1）组成关系

（2）分子

分子是由组成的原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体，这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。

由于分子内原子间的相互作用，分子的物理和化学性质不仅取决于组成原子的种类和数目，更取决于分子的结构。

（3）原子

原子是化学反应不可再分的最小微粒。

一个正原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。

根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同：质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则确定了该原子是此元素的哪一个同位素。

（4）电子

电子（electron）是带负电的亚原子粒子。它可以是自由的(不属于任何原子)，也可以被原子核束缚。

原子中的电子在各种各样的半径和描述能量级别的球形壳里存在。球形壳越大，包含在电子里的能量越高。

2 声波信号（声）

（1）什么是声波信号

发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。

声波借助各种介质向四面八方传播。声波通常是纵波，也有横波，声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动，声波的传播实质上是能量在介质中的传递。

（2）什么是声波通信

声波通信（二维）：利用声波的频率与幅度传递信息的方式，就是声波通信。

不同种族使用不同语言的交流，就是天然的声波通信！

人的口腔产生声波，人的耳朵接收声波！

3 光信号（光）

（1）什么是光信号

在几何光学中，光以直线传播。笔直的光柱和太阳光线都说明了这一点。光的能量体现在光的强度上。
在波动光学中，光是一种高频电磁波，以波的形式传播。光就像水面上的水波一样，不同频率或波长的光呈现不同的颜色。
在量子光学中，光的能量是量子化的，构成光的量子（基本微粒），我们称其为光量子，简称光子，因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化。
光速：在真空中为299792458≈3×10⁸m/s，在空气中的速度要慢些。在折射率更大的介质中，譬如在水中或玻璃中，传播速度还要慢些。

（2）什么是光通信

光通信（Optical Communication）是以光波为载波的通信方式。

按光源特性，可分为激光通信和非激光通信；

按传输介质，可分为大气激光通信和光纤通信；

按传输波段，可分为可见光通信、红外光通信和紫外光通信。

光是一种电磁波，其波长通常在1×103～5×10-3微米范围内。光的频率高，光通信的频带宽，通信容量大，抗电磁干扰能力强。

虽然，光波的频率高，带宽带，但周期过小，控制光波相位的难度太大。

光通信（二维特征）：利用的是不同频率的光的强度（幅度）来承载信息的。

4 电信号（电）

（1）什么是电信号

当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时，其产生的净流动现象称为电流。

各种原子束缚电子能力不一样，于是就由于失去电子而变成正离子，得到电子而变成负离子。

电信号是指随着时间而变化的电压或电流，因此在数学描述上可将它表示为时间的函数，并可画出其波形。

由于非电的物理量可以通过各种传感器较容易地转换成电信号，而电信号又容易传送和控制，所以使其成为应用最广的信号

无论是电压还是电流信号，它是一群电子的运动，在一段时间内表现出来的宏观的、总体特性！

（2）什么是直流信号和交流信号？

恒流：大小和方向不变的电流。

直流：方向不变的电流。通常情况下，我们用直流代替恒流。

交流：电流方向随时间作周期性变化的电流，在一个周期内的平均电流为零。不同于直流电，它的方向是会随着时间发生改变的，而直流电没有周期性变化。

（3）什么“电”通信

直流（一维特征）

只能利用电信号的强度/幅度承载信息，计算机直流信号来承载0和1信息的。

交流（三维特征）

利用电信号的幅度、频率、相位承载信息的，这个通过电信号的特征承载信息的过程称为调制，分为幅度调制、频率调制与相位调制。从接收到的电信号的特征中提取出承载信息的过程称为解调。

很显然，交流电比直流电具备更多维度，一个交流波形比直流波形承载更多的信息！

（4）什么模拟信号和数字信号？

（5）什么是模拟通信与数字通信

模拟通信：利用模拟信号承载信息，由于计算机处理的是数字信号，因此模拟通信不适合计算机处理。

数字通信：利用数字信号承载信息。

5 电磁波信号（磁）

（1）电场

电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。

这种物质与通常的实物不同，它虽然不是由分子原子所组成的，但它却是客观存在的特殊物质，具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。

（2）磁场

磁场，物理概念，是指传递实物间磁力作用的场。磁场是一种看不见、摸不着的特殊的场。

磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的一种特殊物质。磁场具有波粒的辐射特性。

磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。

变化的电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间都能产生的这种特殊形态的物质。

由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

（3）电磁场

电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。

随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。

电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。

电磁场是电磁作用的媒介，具有能量和动量，是物质的一种特殊存在形式。

（4）电磁波

电磁波是电磁场的一种运动形态，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。

变化的电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间都能产生电磁波。

（5）电磁波通信

发送：

就是利用变化的电流，产生变化的磁场，变化的磁场由生产变化的电流，这样交替在空间传播，实现远程传播信息。把信息承载在变化的电流中的过程称为调制。

接收：

利用变化的磁场，生产变化的电场，变化的电场，可以转化为变化的电流，从而接收到发送端发送的变化的电流，把信息从承载的变化的电流中解析出来，称为解调。

电流信号的特性（四维）：幅度、频率、相位、能量

调制解调方式（四维度）

幅度调制：利用交变的电信号的不同幅度承载和区分信息，称为幅度调制。AM调制就是这种调制方式。
频率调制：利用交变的电信号的不同频率承载和区分信息，称为频率调制。FM调制就是这种调制方式。
相位调制：利用交变的电信号的不同相位承载和区分信息，称为相位调制。PM调制就是这种调制方式。
幅度相位调制：同时利用通过交变的电信号的不同幅度和不同相位承载和区分信息，称为幅度相位调制， QAM调制就是这种调制。
能量调制：利用交变的电信号的不同能量承载和区分信息，称为能量调制。能量调制是对幅度调制的改进。扩频通信、QAM调制，都是利用积分的手段，提取接收信号的能量，最后折算成幅度。

6 光电效应

（1）光产生电

光电效应是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, 即为光电效应。

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。神奇之处在于，电子的产生，与光的强度无光，而至于光的频率有关。

“光子”是能量的最小单位，光的强度越大，表明光子的数量越多。

“光子”也是被电子吸收的最小单位，只有单个光子的能量（即频率足够高）足够大，才能引起单个电子的能量跃迁，电子能量的跃迁，脱离原子核的束缚，才能形成电流。

如果当个光子的频率不够高，即使数量再多，也不会引起单个电子的能量跃迁。

当个“光子”的频率区域于“光子”自旋的频率，决定了光波的频率。

（2）电产生光

在经典力学的框架之下，电子运动于原子核外某一特定的轨域。距离原子核越远的轨域能量越高。电子跃迁到距离原子核更近的轨域时，会以光子的形式释放出能量。相反的，从低能级轨域到高能级轨域则会吸收能量。

经典力学的框架，并不能够解释谱线的相对强度，也无法计算出更复杂原子的光谱。这些难题，尚待后来量子力学的解释。

更加量子力学的理论框架，能量越大，导致单个光子的量能越高，单个光子的能量越高，则其光波的频率越高，广播的频率越高，其自旋的角动量越大。

总之，上述的各种通信方式，都是利用一群“电子”的运动所展现出来的宏观特性来承载信息（调制）和传输信息（传输）。

如下图所示。如果把单条“鱼”比喻成“量子”，

传统的通信是使用一群鱼的所展现的整体形态来承载和传输信息，

而量子通信就使用“单条鱼”的形态来承载和传输信息。