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新知|从“微观世界规律”到人类“新物理革命”:量子科技站上风口

2020-10-29 04:43:59 来源:河北新闻网
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从“微观世界规律”到人类“新物理革命”——

量子科技站上风口

继5G之后,又一个新鲜的名词引起大家的关注——量子科技。

从顶层设计、战略投资再到人才培养……近年来,全球多国在量子科技领域持续投入。但你如果想了解量子科技,在网络上看到的又大多是各种玄而又玄、莫名其妙的说法,什么“没有人懂得量子力学”“超时空的瞬间作用”“上帝不掷骰子”,越看越糊涂。你不禁会嘀咕:也许这么高深的东西,本来就超出了我的理解范围?

实际上,量子科技离我们并不遥远。我们日常生活中所熟悉的LED发光二极管、太阳能电池、显微镜、核磁共振等技术,皆有量子力学原理及其派生的相关技术的身影。

“叠加”与“纠缠”

什么是量子科技?可以先从反面的角度认识一下什么“不是”量子科技。

“所有卖给普通老百姓的,能直接在线上线下的商店中,看到的明码标价的所有前缀中有‘量子’两个字的科技产品或者服务,都不是量子科技。”河北大学物理科学与技术学院副教授肖勇表示。

据介绍,量子科技到目前为止,还没有任何成熟的可以大规模商用的产品落地。世界上也确实存在量子科技的产品,但它们的销售对象是世界上极少数一些做科研的单位。

那么,到底什么是量子科技?

“现在我们说的量子科技主要是量子信息技术,它是量子物理与信息科学交叉的新生学科,其物理基础是量子力学,这是一种有助于我们理解世间万物的理论。”肖勇介绍。

了解量子力学,要先从一个基本的名词——“量子”说起。

看到“量子”这个词,许多人在“不明觉厉”之余,第一反应就是把它理解成某种粒子。但我们日常见到的物质是由原子组成的,原子又是由原子核与电子组成的,原子核是由质子和中子组成的。

难道量子是比原子、电子更小的粒子吗?

“其实不是。”肖勇说,量子跟原子、电子根本不能比较大小,因为它是一个微观的物理概念。正如“5”是一个数字,“3个苹果”是一个实物,它们不是同一范畴的概念,无法比较。

“量子的意思是能量的最小单位。”肖勇举例,统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。如果某个东西存在最小的不可分割的基本单位,我们就说这个东西是“量子化”的。

除了量子化,微观与宏观世界还有很多不同。

“在宏观世界中,牛顿经典力学可以帮助我们理解和测算物体的运动、速度等规律。但在量子微观世界中,许多规则却与我们的认知截然不同。”肖勇说,其中的两个基本原理就是“叠加”和“纠缠”。

“叠加原理,最经典的理论莫过于神秘莫测的‘薛定谔的猫’。”肖勇介绍,将一只猫关进装有少量镭和氰化物的箱子里,如果镭发生衰变,就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;反之,猫就存活。在量子世界中,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,“可怜的”猫咪便处于死猫和活猫的叠加状态。“比如我手里有一支钢笔,这支笔可以同时处于多个地点,既在保定又在石家庄。”

更为神奇的是,如果想要测量量子,它便从叠加状态变为确定的状态,就像是如果有人怀着好奇心去打开箱子,便只能看到一只死猫或者活猫。而“量子笔”的“分身术”也会消失,它只会出现在保定或石家庄其中一个地点。

一个量子可以“叠加”多种状态,多个量子则会产生“纠缠”的奇妙反应。

“根据量子理论,如果两个量子之间形成‘纠缠态’,那么就会像双胞胎的心灵感应一样,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。”肖勇说,量子纠缠是“量子隐态传输”的基础,即把A地的一个粒子的状态瞬间转移到B地的另一个粒子上,如同科幻电影中的“超时空传输”,但这里传输的不是粒子本身,而是粒子的状态,即传输的仅是信息。爱因斯坦曾把这一现象称作“鬼魅般的超距作用”。

“被动”到“主动”

“五十年前,哪怕脑洞开得最大的预言家恐怕也无法想到现在几十亿人每天对着一块小小的发光板上下划拉。”肖勇说,现代社会硕果累累的技术成就,几乎全都与量子理论有关。

量子理论的出现,在上世纪引发第一次量子革命,催生了现代信息技术。中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟曾在公开报道中介绍,基于量子理论,核能、激光、半导体等科技得以问世,进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用。

这些较传统的科学技术,建立在量子力学基础之上,已经发展比较成熟。进入21世纪,量子科技出现了新的方向和新的生命力,正在迎来持续量子革命的第二次高潮,也可以说是第二次量子革命。

“两次量子革命,最核心的差别在于我们人类在量子技术中的主观能动性。”有专家表示,以前,我们知道原子是量子的,原子的光谱,或者说能级,可以通过量子力学精确描述。于是,我们可以试图在其中搜索一些有用的能级,用来构建新型发光材料等。那时,人们只问量子理论能让我们做什么,不去问为什么,只是被动的观测与应用。

现在的情况却大不一样了。“随着技术的进步,我们主动操控量子态、量子效应,利用‘叠加态’和‘纠缠态’创新量子技术和应用。”肖勇说,就目前来说,在量子科技赛道上,世界上可以接近实用的量子科技有三个主要的应用方向:量子通信、量子计算和量子精密测量。

其中,最快落地的项目就是量子通信。

“量子通信是各国优先发展的重点量子科技领域。”肖勇说,传统的通信方式中,加密方式依靠的是计算的“复杂性”,有被窃听的风险。而量子通信利用量子纠缠的特性,使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息,加密的内容不会被破译,窃听者必然会被“抓包”。因此,量子通信被看作信息安全传输的“保护盾”,为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。

“未来,量子通信将被广泛应用于军事国防、政务、金融、电力、云服务等领域。量子安全U盾、量子安全TF卡、量子安全加密手机等个人化产品也会成为竞争点。”专家说。

而量子计算也因其在数据处理能力上的颠覆性而备受关注。

“传统的计算机,其基础的原理都是二极管和逻辑门,也就是只能表示0和1两种情况,只能储存2的N次方当中的任何一个。”肖勇说,但得益于量子叠加的特性,量子计算可以储存2的N次方个数据。同时,可以一次对2的N次方个数据进行计算。

此外,相对“小众”的量子测量,近年来随着超高精度低成本的传感器、生物探针、导航器件等关键器件需求量增长,也逐渐升温。

“可以说,量子科技就是人类科学认知的极限。”专家表示,科技发展到今天,我们看到的世界,仅仅是整个世界的5%。这和1000年前人类不知道有电场、磁场,以为天圆地方是一样的。随着量子科技的发展,指不定哪一天暗物质、暗能量都能得到解释。

“领先”和“短板”

近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

专家表示,量子科技在未来不但能使我们计算机的计算能力提高,通信更快,还会使传感技术更灵敏,信息精度越来越精确。

经过多年努力,中国已崛起为国际量子科研版图上的重要力量,在多个战略方向上实现领跑或进入第一阵营。

其中“墨子号”无疑是最具有代表性的成果。

据报道,“墨子号”于今年6月实现全球首次千公里级量子纠缠密钥分发。这一实验成果将无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级,并通过物理原理,确保即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子保密通信,取得了量子保密通信现实应用的重要突破。

按预定规划,中国将陆续发射“墨子二号”“墨子三号”,到2025年前后构建起全球首座由中国主导的量子星群。未来量子通信工程应用、量子通信产业化推进,均可全球领先。

在量子计算领域,世界各个科技发达国家正群雄逐鹿。

IBM、谷歌、微软等企业通过不同技术路径实现对更多量子比特的操纵。去年10月,谷歌研究人员称,已成功演示“量子霸权”,让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务。

“对于量子计算业内有一个共识:谁先夺取‘量子霸权’,谁就掌握了技术制高点、标准制定权和舆论主导权,在产业竞争中占据有利地位。”肖勇说,这也是IBM、英特尔等巨头急于抢占赛道的原因。

为抢占量子技术革命的制高点,我国也在奋起直追。去年年底,我国学者与德国、荷兰的科学家合作,在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算,在四大关键指标上均大幅刷新国际纪录,逼近实现量子计算研究的重要目标“量子霸权”。

而在企业方面,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。今年9月,中国企业自主研发的6比特超导量子计算云平台正式上线,全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。

但也有专家表示,目前,我国量子计算与美国还有差距,受限于技术难度,量子计算产业化和商业化仍长路漫漫。

“总体上看,我国量子科技发展已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力,但也存在不少短板。”肖勇说,比如支撑设备、关键核心元器件等方面的发展就面临诸多挑战。

量子科技发展如何“补短板”?我国应如何下好“先手棋”?

业内专家认为,在量子科技领域下好“先手棋”,我国科学家要把握住第二次量子革命的机遇。第一次量子革命已经对人类产生了非常重大的影响,我国第一次量子革命起到的作用较小,第二次量子革命正当其时,量子领域每一个人都大有可为。在这个技术大规模应用之前,要积极做好基础研究,未来一定会取得重大突破。 (河北日报记者 王璐丹)

责任编辑:张永猛
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