量子科技改变世界

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中央纪委国家监委网站 姜永斌

日前,中央政治局就量子科技研究和应用前景举行集体学习的消息,将量子概念再次拉进公众视野,与量子科技有关的产业也受到高度关注。

量子论和相对论是现代物理学的两大基石。然而,自量子概念提出以来已有一个多世纪,其内涵依然不为普通大众所熟知。“遇事不决,量子力学”这句流行语,就从侧面反映出量子论的艰深与玄妙。就连量子论的奠基人之一、丹麦物理学家玻尔都说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就没有理解量子论。”

量子其实并不是某种特指的基本粒子,它更像是一种思维方式,是专门用来描述微观领域的物理学概念。《上帝掷骰子吗:量子物理史话》一书深入浅出地回顾了量子论的诞生和发展历程。

1900年,德国物理学家普朗克为了解释黑体辐射规律,引入了“能量子”概念。他假定能量的吸收和释放并不是连续变化的,而是存在一个最小且不可分割的基本单元。当时,无论是经典物理学还是人类的朴素观感都很难接受这一点,然而这个假设却有着强力的实验数据支撑。

后来,物理学家发现,光子、电子甚至长度和时间都存在这样的特性。在普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡等众多物理学巨匠的努力下,量子理论也逐步丰富起来,并在20世纪初掀起了第一次量子革命。核能、激光、半导体晶体管等新技术得以问世,进而发展出计算机、互联网、手机等如今人们日常生活离不开的应用。

在微观量子世界里,有着与宏观世界截然不同的奇妙物理规则,除了“测不准”原理,最为人们津津乐道的是“叠加”与“纠缠”。

宏观世界的物体在某一时刻都有着确定的状态和位置。但在微观世界,量子却同时处于多种状态和多个位置的叠加态。“薛定谔的猫”就是对量子叠加态的类比。很多人不明白这只“猫”为什么既生又死,其实就像光具有波粒二象性一样,量子叠加态是经过严格实验验证的现象,不能机械地套用宏观世界的经验去理解。

量子计算就利用了这种叠加特性。传统计算机中1个比特位在某个时间只能是0或1中的一个状态,而在量子计算机里,由于量子叠加态的存在,1个量子比特可同时记录0和1两个状态,足以使运算能力实现指数级增长。

去年10月,谷歌公司基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发出量子计算系统。它花费约200秒完成的任务,传统超级计算机要1万年才能完成。虽然业界对该实验结果还存在争论,但量子计算机在破解密码等特定问题上的计算能力有望远超传统计算机,这也是所谓“量子霸权”的含义。

量子的另一种特性纠缠态就连爱因斯坦都难以接受。实验表明,如果两个量子之间形成纠缠,则无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个也会“瞬间”发生相应变化。

量子通信是利用量子纠缠解决信息安全问题的通信技术。传统的通信方式有被窃听的风险,而在量子通信中,一旦有人对信息进行拦截或窃取,量子纠缠态就会发生变化,不仅信息自动被破坏,窃听行为也必然被察觉并被通信双方规避。因此,量子通信在原理上被证明绝对安全,在保密领域有很大应用前景。

像量子计算、量子通信、量子精密测量这类以量子调控为代表、主动利用量子特性的技术,又被称为“第二次量子革命”,自21世纪以来受到世界各国的追捧。

如今,中国已崛起为国际量子科研版图上的重要力量,并在多个战略方向上实现领跑或进入第一阵营。2016年8月,我国发射了自主研制的世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”;此后,国内科研人员利用该卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。在量子计算领域,我国科学家于2017年成功实现10个超导量子比特的纠缠,研制出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,目前正在攻关50个光子的相干操纵;百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。

有理由相信,量子科技正进入“产业化前夜”,通过促进产学研协同创新,未来将为人们生活增添无限可能。


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