原标题:【前沿】“前途”无量的量子科技
总第639期 第1537篇
揭开量子的神秘面纱,人们愈来愈认识到,量子科技代表着人类社会未来,是事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域,是对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革,可谓“前途”无量。
对于量子科技的研究,美国、欧盟、澳大利亚、俄罗斯等世界大国和地区组织已持续多年,在量子信息领域都做了大量前期部署工作。我国在发展量子科技上,也按下了“加速键”。
量子思维让脑洞大开
您是不是觉得量子科技非常高冷,听上去似懂非懂,甚至有点亦真亦幻?不光您这么想,连量子物理奠基人尼尔斯·玻尔都曾说过:“如果谁不对量子力学感到困惑,他就没有理解它。”
其实,我们每天都生活在量子世界里。量子是物质的基本单元:如果把物理量一份一份往下分,分到无法再分的小块,就是量子。比如,光量子就是光能量的基本单元,不可能再分为半个光量子。
那么,我们为何完全感觉不到它的存在,甚至很难理解量子世界的现象?这是因为我们熟悉的尺度和量子尺度相差太大。比如,一张桌子是米尺度,一根头发丝是毫米尺度,而量子物理的研究对象比头发丝的尺度还小几千万倍甚至几亿倍。如果人缩小成头发丝直径的几千万分之一大小,那么人类生活的世界将完全遵循另一套规则。
在我们熟知的牛顿经典思维模式下,“世界是测得准的”,一切都是客观的、精准的、机械联系的、可描述可量化的数学模型,好比您提起笔就能计算分析出一个木块从斜坡滑落的全过程。但是量子思维的几大关键词,可能颠覆这一切——
关键词一:“ 概率”。世界是跳跃的、不可预知的、测不准的,或者说是像蝴蝶效应那样异常复杂关联的。
关键词二:“ 重叠”。世界是“复数”的,在我们选定之前,选择是无限的和变化的。直到最终选定了,其他可能性才“崩塌”。同时,这个选择为我们下一次选择又提供了无穷多的选项。
关键词三:“ 观测者”。这个就更加诡异了——如果您去观测量子系统,它立刻就变了!换句话说,量子的状态取决于观测者。
爱因斯坦形容量子世界“如幽灵一般”。在那里,人们坚信不疑的很多自然法则都将失效,理解宇宙的角度会彻底发生改变。在推开量子世界大门前,您需要抛弃在宏观世界所获得的一切常识,换上量子思维,保持脑洞大开状态,并随时准备惊呼:“这怎么可能?!”
小小量子掀起两次革命
有了量子思维,也许您就好理解量子所拥有的两个“绝技”了:一是“分身术”—— 量子叠加,一个量子可同时存在好几种状态;另一个是“远程心灵感应”—— 量子纠缠,一对纠缠的量子就好像一对有心灵感应的双胞胎一样。同时,量子还很“古怪”——不可分割和不可克隆。
正是具备这些神奇特性,使如此微小的量子爆发出巨大能量,在人类历史上掀起两次科技浪潮。
早在1900年,德国物理学家普朗克提出量子概念,现实世界的“硬核”就此被劈开,随之开启量子时代。海森堡、薛定谔、玻尔等一批天才科学家基本完成了量子力学的理论框架。
量子力学是上世纪最伟大的科学发现之一。基于量子力学,才有了晶体管、激光、核聚变、移动通信、全球定位系统等现代技术,使人类进入信息时代,继而发展产生了当下无处不在的电脑和互联网, 造就了社会进一步繁荣。这便是第一次量子革命。
上世纪80年代,基于量子力学,在信息领域诞生了量子信息技术。比如量子计算机、量子密码、量子传感等,不仅其原理是量子力学,器件本身也具备了叠加、纠缠、非局域性、不可克隆性等量子世界特性,突破了经典技术的物理极限,找到了新的研究方向。量子信息技术的诞生称为第二次量子革命。
量子科技是目前最前沿的科技之一,它正走出实验室,在各个领域实现前所未有的跨越式发展。甚至有人预言,就像蒸汽机、电力和计算机一样,量子技术将成为第四次技术革命的标志。
“升起一对双子星”
中国科技大学郭光灿院士曾经形象地说:“量子计算机的运算能力同电子计算机相比,等同于电子计算机的运算能力同算盘相比。”我们所使用的计算机,是以比特0和1两个状态作为信息处理单元,一次只能处理一个非0即1的单一状态比特;而量子计算处理单元是量子比特,由于叠加效应,可同时处理0和1,就像是孙悟空可分身成几十个来打妖怪一样。如果利用量子技术制造一台光量子计算机,那么经典计算机几十万年的运算时间将缩短为几秒钟。
所以,当量子比特数不断增加,“分身”就越多,计算速度就会呈指数级增长。当量子比特达到50个,也就是250种状态同时存在时,这个数字究竟巨大到什么程度呢?换算成一张0.1毫米的A4纸对折50次的厚度,这个数字是1亿公里,接近从地球到太阳距离的3/4。当量子计算机能达到100个比特时,在某些方向就可能比超级计算机快百亿亿倍了。
这么强大的算力我们该怎么使用?
首先,过去很难或无法解决的大规模、高维度计算难题,这下可以快速解决了。比如典型的搜索问题、组合优化问题,诸如最优路线选择、密码破译、网络威胁预测、城市交通规划,等等。
其次,可利用人造量子系统来模拟自然量子系统,从而探索分子的动力学性质。比如高温超导现象,一旦我们把高温超导的机制模拟分析出来,就能设计出一些超导新材料。这将为药物设计、新材料探索、天气预测、太空探索、化工等领域打开一扇新的大门,具有重大经济和社会价值。
特别值得期待的是,人工智能与量子科技将相生相伴、同时进化,“升起一对双子星”。
英特尔的创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律:每18个月左右,计算机的运算速度就会翻倍。如果没有芯片中硅晶体管的指数级增长、实现算力越来越强,近些年来人工智能不可能成绩斐然。然而今天,一枚晶体管的尺寸已远小于一个流感病毒,逼近物理极限,计算机计算速度即将陷入“瓶颈”,人工智能或将面临“寒冬”。
科学家们确信,只有超越经典计算的量子计算,才能成为人工智能突破极限的坚强后盾。特别是依赖大规模数据处理的机器学习技术,将大大受益于量子计算,产生无限可能;同时人工智能技术可实现对量子计算的自校准评估,相伴进化发展。
在一个可预测的期间,量子计算将逐步从解决最优化问题、量子加密通信、分子结构研究,过渡到融入人工智能,渗透进智能制造、智能物流与智能零售、智慧金融等各行业。而云服务将是量子计算可提供的服务新形态。
量子通信“编织”量子互联网
这是量子世界最奇妙的现象:相互独立的粒子可以完全“纠缠”在一起,就算这两个粒子分别处于宇宙的两端,双方都能“感应”到对方的状态;只要其中一个粒子的状态发生变化,另一个粒子也会瞬间发生状态改变。
同时,量子处于多种可能的叠加状态,在对其观测前,无法确定其真实状态。我们可通过构造有着量子纠缠态的粒子,实现具有颠覆意义的绝对安全通信。
借助量子的神奇特性,科学家们已寻找到无法被破译的密码、人类目前唯一无条件安全的加密方式、量子通信中最关键的一环——量子密钥分发。
量子密钥采用单光子作为载体,窃密者一旦行动,就会触发第一层“防火墙”——量子态的粒子发生改变。窃听行为马上会被传递信息的用户发觉,收发双方即刻不再使用该密钥对信息内容加密。作为“窃密者”,既然量子态的粒子不能被复制,截取后直接测量不就可以了吗?对不起,这么做会触发第二层“防火墙”——测不准原理。就算是被窃听者截住,也没有办法得到正确信息。量子卫星是实现超远距离量子通信最有希望的途径。8月,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在中国发射成功。
量子通信技术和量子资源,催生了新型功能网络——量子互联网。它将带来网络安全、计算以及科学上的飞跃,应用前景广阔:除了可实现无条件安全通信外,还可连接多个量子计算机,构建分布式量子计算系统,形成单个量子计算机无法实现的规模计算能力;形成传感器网络,将全球定位系统等导航网络的精度从米级提高到毫米级;连接相距数千公里的光学望远镜,可获得相当于一个同等直径单筒望远镜的分辨率,等等。(来源:解放军报)
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