走进¼œžç§˜çš„量子世ç•?

发布时间 2020-10-26 03:54:47 近日浏览 46272
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  走进¼œžç§˜çš„量子世ç•?/p>

  ¾læµŽæ—¥æŠ¥Â·ä¸­å›½¾læµŽ¾|‘è®°è€?æ²?æ…?/p>

  日前åQŒä¸­å…׃¸­å¤®æ”¿æ²Õd±€ž®±é‡å­ç§‘技研究和应用前景ä‹D行第二十四次集体学习。量子科技成äؓ舆论å…Ïx³¨çš„热点话题。这一引发òq¿æ³›çƒ­è®®çš„新晋“网¾U¢â€ç©¶ç«Ÿæ˜¯â€œä½•æ–¹ç¥žåœ£â€ï¼Œä¸ÞZ½•ä¼šå—到全世界高度å…Ïx³¨åQŒåœ¨çŽ°å®žç”Ÿæ´»ä¸­åˆæœ‰ä½•åº”用前景åQŸç»‹¹Žæ—¥æŠ¥è®°è€…带您一赯‚µ°˜q‘量子科技ã€?/p>

  认识量子¿U‘技先要从量子说赗÷€‚量子是什么?æ ÒŽ®é‡å­ç†è®ºåQŒé‡å­æ˜¯æž„成物质的最基本单元åQŒæ˜¯èƒ½é‡çš„最基本携带者,不可分割。一个事物如果存在最ž®ä¸å¯åˆ†å‰²çš„基本单位åQŒæˆ‘们就可以说它是量子化的,òq¶æŠŠæœ€ž®å•ä½ç§°ä¸ºé‡å­ã€‚所有äh们熟知的分子、原子、电子、光子等微观¾_’子åQŒéƒ½æ˜¯é‡å­çš„一¿Uè¡¨çŽ°åŞ态ã€?

  什么是量子

  中国¿U‘学院物理所研究员曹则贤åœ?020òq´è·¨òq´ç§‘学演讲中曾打˜q‡è¿™æ ·ä¸€ä¸ªæ¯”方:我们生活中可以见到的、感知到的事物,包括光与能量的最ž®å•ä½éƒ½èƒ½ç§°ä¹‹äؓ量子。就像我们远处看鱼群是乌æ³×ƒ¹Œæ³Þqš„一片黑åQŒä½†æ˜¯æ”¾å¤§äº†çœ‹å°±æ˜¯ä¸€æ¡æ¡é±û|¼Œ˜q™å°±å¯ä»¥è¯´æ˜¯é±¼ç¾¤çš„量子ã€?/p>

  中国¿U‘学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰在媒体上˜q™æ ·æ’°æ–‡è§£é‡ŠåQšé‡å­çš„本意是个数学概念åQŒç®€­a€ä¹‹å°±æ˜¯â€œç¦»æ•£å˜åŒ–的最ž®å•å…ƒâ€ã€‚什么叫“离散变化”?袁岚峰这æ äh’°æ–‡è§£é‡Šï¼šæˆ‘们¾lŸè®¡äººæ•°æ—Óž¼Œå¯ä»¥æœ‰ä¸€ä¸ªäh、两个ähåQŒä½†ä¸å¯èƒ½æœ‰åŠä¸ªäººã€ä¸‰åˆ†ä¹‹ä¸€ä¸ªäh。我们上台阶æ—Óž¼Œåªèƒ½ä¸Šä¸€ä¸ªå°é˜¶ã€ä¸¤ä¸ªå°é˜Óž¼Œä¸èƒ½ä¸ŠåŠä¸ªå°é˜¶ã€ä¸‰åˆ†ä¹‹ä¸€ä¸ªå°é˜¶ã€‚这些就是“离散变化”。对于统计äh数来è¯ß_¼Œä¸€ä¸ªähž®±æ˜¯ä¸€ä¸ªé‡å­ã€‚对于上台阶来说åQŒä¸€ä¸ªå°é˜¶å°±æ˜¯ä¸€ä¸ªé‡å­ã€‚如果某个东西只能离散变化,我们ž®Þp¯´å®ƒæ˜¯â€œé‡å­åŒ–”的ã€?/p>

  与我们认识的宏观世界不同åQŒäh们发现在量子˜q™ä¸€å¾®è§‚世界中许多实验现象违背常识,完全无法用经典物理学诠释。比如,æ ÒŽ®¾lå…¸ç‰©ç†å­¦ï¼Œä¸€ä¸ªå®¢ä½“的状æ€?ç”?å’?表示)ž®±åƒæœ€½Ž€å•çš„二进制开和关åQŒåªèƒ½å¤„于开或者关中的某一个状态,卌™¦ä¹ˆæ˜¯0要么æ˜?åQŒè¿™ž®±å¥½æ¯”一只猫åQŒè¦ä¹ˆæ˜¯ç”Ÿè¦ä¹ˆæ˜¯æ­»ï¼Œä¸èƒ½åŒæ—¶â€œåˆç”Ÿåˆæ­ Z€ã€?/p>

  然而,˜q™ä¸€ç†è®ºòq¶ä¸é€‚用于量子世界。在量子世界中,一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这¿Uæ‰€è°“的量子相干叠加正是量子世界与经å…怸–界的æ ÒŽœ¬åŒºåˆ«ã€‚更为神奇的是,˜q™ç§å åŠ çŠ¶æ€æžå…¶è„†å¼±ï¼Œä¸€æ—¦æœ‰äººåŽ»‹¹‹é‡åQŒå®ƒž®×ƒ¼šç«‹åˆ»ä»Žå åŠ çŠ¶æ€å˜ä¸ºç¡®å®šçŠ¶æ€ã€?/p>

  ¾ŸŽå›½ç‰©ç†å­¦å®¶ã€è¯ºè´å°”奖获得者穆雷ÂïL›–ž®”曼曑֏‘出如是感慨:量子力学是一个神¿U˜çš„、ä×o人捉æ‘怸é€çš„学科åQŒæˆ‘们谁都谈不上真正理解åQŒåªæ˜¯çŸ¥é“怎样去运用它ã€?/p>

  量子通信无条件安å…?/strong>

  虽然听è“v来很¼œžç§˜åQŒå…¶å®žé‡å­ç§‘技距离我们òq¶ä¸é¥è¿œã€‚比如,信息时代的关键核心技术,晶体½Ž¡ã€å›ºæ€ç¡¬ç›˜ã€æ‰«æç”µå­æ˜¾å¾®é•œ½{‰ï¼ŒåÏx˜¯½W¬ä¸€ä»£é‡å­æŠ€æœ¯çš„代表性成果。今天,量子¿U‘技发展å…ähœ‰é‡å¤§¿U‘学意义和战略ä­hå€û|¼Œž®†å¼•é¢†æ–°ä¸€è½®ç§‘技革命和äñ”业变革方向ã€?/p>

  中国¿U‘学院物理研½I¶æ‰€ç ”究员范桁介¾lï¼Œé‡å­¿U‘技主要包含三方面内容,量子计算、量子保密通信与量子精密测量。其中,量子保密通信主要表现为量子秘钥分发。量子精密测量主要以利用量子效应实现­‘…越¾lå…¸æ–ÒŽ³•çš„精密测量äؓ主,å…ähœ‰òq¿æ³›åº”用价倹{€‚量子计½Ž—是量子¿U‘技重要¾l„成部分åQŒä¹Ÿæ˜¯æœ€å…ähŒ‘战的目标åQŒè¢«è®¤äؓ是下一代信息äñ”业制高点åQŒæ„ä¹‰é‡å¤§ã€‚这三方面内容也是世界各国量子计划的主要¾l„成部分ã€?/p>

  目前åQŒåº”用最为成熟的当属量子通信。所谓量子通信åQŒç®€å•è¯´ž®±æ˜¯åˆ©ç”¨é‡å­åŠ›å­¦ç›¸å…³åŽŸç†è§£å†³ä¿¡æ¯å®‰å…¨é—®é¢˜çš„通信技术。其中,一个著名原理就是量子纠¾~ ã€‚一般情况下åQŒé‡å­ä½“¾pÖM¸­ä¸€ä¸ªç‰©ç†é‡çš„值åƈ不能预先¼‹®å®šåQŒè€Œæ˜¯ä¾èµ–于采取何¿Uæµ‹é‡åŸºåQ›è¿›ä¸€æ­¥ï¼Œå¯¹å¤„于量子纠¾~ çš„两个¾_’子åQŒå¯¹å…¶ä¸­ä¸€ä¸ªç²’子的‹¹‹é‡¾l“果会瞬间确定另一个粒子的状态,不论它们相距多么遥远。这一被爱因斯坦称作“鬼™ì…般的超距作用”,便是量子通信的理论基¼‹€ã€?/p>

  传统通信方式建立在加密算法或者加密技术基¼‹€ä¹‹ä¸ŠåQŒå¦‚果计½Ž—能力èƒö够强大破解了加密½Ž—法åQŒå°±æœ‰è¢«½Hƒå¬é£Žé™©ã€‚量子的独有ç‰ÒŽ€§ï¼Œä½¿å…¶å…ähœ‰ä¸å¯å…‹éš†ã€æµ‹ä¸å‡†½{‰â€œå…ˆå¤©ä¼˜åŠŽì€ã€‚用量子做成的“密钥”来传递信息,加密内容不会被破译,½Hƒå¬è€…必然会被“抓包”,˜q™äؓ破解信息加密“瓶颈”提供了解决æ–ÒŽ¡ˆã€?/p>

  向着安全通信的梦惛_ŠªåŠ›å¥”跑——我国于2016òq?月䆾发射的“墨子号”量子科学实验卫星,åœ?017òq´æ˜Ÿåœ°é‡å­å¯†é’¥åˆ†å‘的成码率已辑ֈ°10千比ç‰?¿U?kbps)量çñ”åQŒæˆåŠŸéªŒè¯äº†æ˜Ÿåœ°é‡å­å¯†é’¥åˆ†å‘的可行性。目前,¾lè¿‡¾pȝ»Ÿä¼˜åŒ–åQŒå¯†é’¥åˆ†å‘成码率已经辑ֈ°100千比ç‰?¿U?kbps)量çñ”åQŒå…·å¤‡äº†åˆæ­¥å®žç”¨ä»·å€¹{€?/p>

  1120公里åQ?020òqß_¼Œâ€œå¢¨å­å·â€é‡å­ç§‘学实验卫星再立新功:¿U‘学家们利用“墨子号”作为量子纠¾~ æºåQŒå‘遥远的两地分发量子纠¾~ ï¼Œåœ¨å›½é™…上首次实现了千公里¾U§åŸºäºŽçº ¾~ çš„量子密钥分发——äؓ量子通信走向现实应用奠定了重要基¼‹€ã€?/p>

  “量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患。因为,其安全性不依赖于计½Ž—复杂度åQŒè¿™æ˜¯åŽŸç†ä¸Šæ— æ¡ä»¶å®‰å…¨çš„一¿Ué€šä¿¡æ–¹å¼ã€‚”中国科学院院士潘徏伟称ã€?/p>

  量子计算潜力无限

  除了量子保密通信åQŒç§‘学家们密切关注的另一个重要应用是量子计算机ã€?/p>

  在古代,äºÞZ»¬ž®±å·²åˆ‰™€ å‡ºäº†å¯ä½œä¸€å®šè®¡½Ž—的器具与机器。比如,中国发明的算盘,‹Æ§æ´²æ—©æœŸå‘明的各¿Uè®¡½Ž—器械。现代意义上世界½W¬ä¸€å°è®¡½Ž—机名äؓ埃尼阿克åQŒå®ƒé‡è¾¾27吨,占地150多åã^方米åQŒåœ¨1945òq´å¾é€ æˆåŠŸï¼Œç›®çš„是计½Ž—炮弹弹道。冯è¯ÞZ¾æ›?945òq´æ˜Ž¼‹®æå‡ÞZº†å­˜å‚¨½E‹åºé€šç”¨è®¡ç®—机方案,规划了电子计½Ž—机架构åQŒä‹É得计½Ž—机可以被广泛应用ã€?/p>

  “但是,现有计算机基于微处理器芯片摩ž®”定律,˜q™æ— ç–‘会¼„°åˆ°æŠ€æœ¯ç“¶é¢ˆï¼ŒäºŽæ˜¯äºÞZ»¬å¼€å§‹æ€è€ƒå¾é€ ä¸€¿Uå…¨æ–°è®¡½Ž—机——量子计½Ž—机。”根据范桁的介绍åQŒé‡å­è®¡½Ž—机的运行遵循量子力学原理,以量子比特äؓ基本信息单元åQŒä»¥é‡å­¾U ç¼ ã€ç›¸òq²å åŠ å’Œé‡å­‹¹‹é‡ä¸ºç‰¹è‰ÔŒ¼Œå…¶å‘展也ž®†éµå¾ªç»å…¸è®¡½Ž—机¾cÖM¼¼çš„轨˜qV€‚“不˜q‡ï¼Œæˆ‘们现在看到的量子计½Ž—机原型机功能比较单一åQŒåªèƒ½æ¨¡æ‹ŸæŸäº›ç‰¹å®šé‡å­è¿‡½E‹ï¼Œæˆ–者解å†ÏxŸäº›ç®€å•é—®é¢˜ã€‚”范桁说ã€?/p>

  如果世界上有量子计算机,我们现有¾lå…¸è®¡ç®—æœø™ƒ½å¦å®žçŽ°å…¶åŠŸèƒ½åQŸèŒƒæ¡åˆ†äº«äº†å›½é™…¿U‘ç ”˜q›å±•ã€?019òqß_¼Œè°äh­Œå®£å¸ƒå®žçŽ°äº?3个量子比特的­‘…导量子计算åQŒåœ¨å¤„理随机¾U¿èµ\采样问题æ—Óž¼Œå…?00¿U’完成的ä»ÕdŠ¡¾lå…¸è®¡ç®—æœø™¦ç”¨ä¸€ä¸‡å¹´ã€‚目前,­‘…导量子处理器芯片已辑ֈ°50个至100个量子比特,用经典计½Ž—机模拟其功能需要用天河或者太湖之光这æ ïLš„­‘…çñ”计算机。“多增加一个量子比特,¾lå…¸è®¡ç®—æœø™µ„源就需要翻番,˜q™ä¸ªç«žäº‰ž®†ä¸å…ähœ‰æŒç®‹æ€§ã€‚因此,量子计算机的功能不可能用¾lå…¸è®¡ç®—机来替代。”范桁表½Cºã€?/p>

  不仅如此åQŒä¸Ž¾lå…¸½Ž—法相比åQŒäh们已知运行于量子计算机的某些量子½Ž—法å…ähœ‰æ˜Žæ˜¾ä¼˜åŠ¿ã€‚比如,肖尔½Ž—法和格¾|—夫量子搜烦åQŒå®ƒä»¬éƒ½åœ¨ä¿¡æ¯å®‰å…¨æ–¹é¢å…·æœ‰é‡è¦åº”用,˜q™äº›½Ž—法的实用化˜qè¡Œž®†è¿…速对现有信息安全体系造成全面冲击。在实用性方面,量子搜烦½Ž—法可以期望应用于大数据åQ›é‡å­é€€ç«ç®—法可以应用于优化问题åQŒæ¯”如物‹¹å’Œäº¤é€šä¼˜åŒ–ç­‰åQ›é‡å­æ¨¡æ‹Ÿå¯ä»¥è¢«åº”用于量子化学和量子物理研究åQŒæ¯”如生物合成和药物½{›é€‰ç­‰åQ›é‡å­æ¨¡æ‹Ÿå‘量网¾lœæ€å¯åº”用于机器学习和¼œžç»¾|‘络½{‰ã€?/p>

  既然如此强大åQŒé‡å­è®¡½Ž—机何时能从梦想照进现实åQŸèŒƒæ¡å¦­a€åQŒé‡å­è®¡½Ž—机的研½I¶åˆšåˆšè“v步,距离实用化需要的成千上万个量子比特仍有较大距¼›…R€‚此外,量子计算机的建造兼具工½E‹ä¸Ž¿U‘学特色åQŒä¸å¯æŽ§å› ç´ è¾ƒå¤šåQŒæŠ€æœ¯ä¸Šä¹Ÿæœ‰ç“‰™¢ˆéœ€è¦å…‹æœã€‚因此,需要各领域专家联合æ”Õd…³åQŒåœ¨é›†ä¸­èµ„源重点½Hç ´çš„同æ—Óž¼Œå…¼é¡¾å¤šç§æŠ€æœ¯èµ\¾Uѝ€?/p>

  比如åQŒIBM½{‰é«˜¿U‘技公司逐渐摆脱了单¾U¯ç§‘研探索模式,以实用化、集成和¾l¼åˆæ€§äؓ目标åQŒå…¶ç ”发æ¶ëŠ›–软硬件各个方向,实现æ–ÒŽ¡ˆå¤§å¤šé€‰æ‹©äº†è¶…导量子计½Ž—方案,以提供云量子计算服务åQŒåŸ¹å…»é‡å­è®¡½Ž—生态作ä¸ÞZ¸€ä¸ªé‡è¦çš„目标。中国科学家在超导量子计½Ž—方面也有世界性先˜q›æˆæžœï¼šä¸­å›½¿U‘学院物理研½I¶æ‰€ã€æµ™æ±Ÿå¤§å­¦å’Œä¸­å›½¿U‘大½{‰åˆä½œï¼Œåœ¨åŽ»òq´å®žçŽîCº†20­‘…导量子比特的薛定谔猫态制备,创造了固态系¾lŸçº ¾~ é‡å­æ¯”ç‰ÒŽ•°ä¸–ç•Œ¾Uªå½•ã€‚“长期来看,量子计算机功能强大,是下一代信息技术制高点åQŒæœ‰æœ›åª„响äh¾cȝ”Ÿ‹zȝš„æ–ÒŽ–¹é¢é¢åQŒå›½é™…竞争不可避免。”范桁说ã€?/p>

  æ²?æ…?【编è¾?房家梁ã€?

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