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中科大袁岚峰:什么是量子科技?当前都有哪些应用? | 袁岚峰
发布时间:2020-11-02 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:10

本文为《新京报》记者陈莉根据袁岚峰4万字文章《你完全可以理解量子信息》摘录整合而成

编者按:10月16日,中共中央总书记习近平在中央政治局第二十四次集体学习时强调,深刻认识推进量子科技发展重大意义,加强量子科技发展战略谋划和系统布局。会后,量子科技一词迅速成为热词,掀起一波学习浪潮。然而,什么是量子科技?量子科技在当前有哪些应用?中国在量子科技领域有着怎样的国际地位?为了给广大读者答疑释惑,新京报邀请中国科学技术大学的副研究员、科普专家袁岚峰为大家逐一科普。


中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰

近年来,你肯定看到了越来越多与“量子”有关的科技新闻。2016年8月16日,我国发射世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”,更是全球轰动。但你如果想了解量子科学,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,量子科技并非无法言传,它是完全可以理解的。

一、“量子”是什么?

量子科学之所以显得神秘,首先这个名字就是一大原因。

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。但是只要是上过中学的人,都知道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。那么量子究竟是个什么鬼?难道是比原子、电子更小的粒子吗?

其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小,因为它的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字,“3个苹果”是一个实物,你问“5”和“3个苹果”哪个大,这让人怎么回答?正确的回答只能是:它们不是同一范畴的概念,无法比较。

量子这个数学概念的意思究竟是什么呢?就是“离散变化的最小单元”。

什么叫“离散变化”?我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。

二、什么是“量子力学”?

量子力学和相对论是二十世纪的两大科学革命,对人类的世界观产生了强烈的震撼。但论公众中的知名度,量子力学似乎比相对论低得多。原因可能在于,相对论主要是由爱因斯坦一个人创立的,孤胆英雄的形象易于记忆和传播,而量子力学的主要贡献者有好几位,没有一个独一无二的代言人。爱因斯坦和相对论称得上妇孺皆知,而听说过量子力学中的“薛定谔的猫”、“海森堡测不准原理”这些词的人,已经算是科学发烧友了。

描述微观世界必须用量子力学,宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。

许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:

为什么原子能保持稳定,例如氢原子中的电子不落到原子核上?(因为氢原子中电子的能量是量子化的,最低只能取-13.6 eV,如果落到原子核上就变成负无穷,低于这个值了。)

现代社会硕果累累的技术成就,几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车,燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药,都离不开量子力学。

三、量子信息——量子力学与信息科学的交叉学科

既然量子力学出现已经超过了一个世纪,为什么最近在媒体上变得如此火热?回答是:量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息。

而量子信息跟经典信息相比有很大的优势。

首先是一个显而易见的优势。前面比喻过:经典比特是“开关”,只有开和关两个状态,而量子比特是“旋钮”,有无穷多个状态。旋钮的信息量显然比开关大得多。

还有一个稍微复杂一点的优势。一个包含n个经典比特的体系,总共有2ⁿ个状态。想知道一个函数在这个n比特体系上的效果,需要对这2ⁿ个状态都计算一遍,总共要2ⁿ次操作。当n很大的时候,2ⁿ是一个巨大的数字。指数增长是一种极快的增长,比n的任何多项式都快。比如说,2ⁿ比n的10000次方增长得还要快。

指数增长的威力。如图所示,指数函数虽然在最初落后,但很快势不可挡地超越了线性函数和三次方函数,而且越到后面把它们甩得越远。

但在欢呼之前,我们需要认清,这个巨大的优势并不容易利用。因为所有2ⁿ个结果是叠加在一起的,读取出来需要做测量,而一做测量就只剩下一个结果,其余的结果都被破坏了。所以我们只能把这个优势称为潜在的巨大优势,真要利用它,需要非常巧妙的算法。

这样的算法只对少数的问题能够设计出来,后面会举一些例子,如“因数分解”。有些科普文章把量子计算机描写成无所不能,快成神了,这是重大的误解。量子计算机的强大,是与问题相关的,只针对特定的问题。

四、量子信息的应用

量子信息的研究内容包括量子通信和量子计算。从这两个名字我们立刻就可以发现,量子信息还没有进入生活,因为大家都还在用经典的电脑和手机呢。具体地说,量子通信已经有了一些实际应用,量子卫星就是做相关实验的。而量子计算的发展程度要低得多,还处于演示阶段,尚未造出有实用价值的量子计算机。

量子信息究竟能用来干什么呢?下面我们来介绍量子信息的四项应用。在量子计算方面,有量子因数分解(破解最常用的密码体系)和量子搜索(用途最广泛的量子算法)。在量子通信方面,有量子隐形传态(“传送术”,最富有科幻色彩的应用)和量子密码术。在所有这些应用中,量子密码术是目前唯一接近实用的,但这一个就非常重要,足以表现量子信息的价值了。

顺便提一下,有些人迷惑光量子计算机跟量子计算机是什么关系,甚至还有人说光量子计算机不是量子计算机。实际上,量子计算机总需要用某种物理体系来实现,好比电子计算机可以用电子管实现,也可以用晶体管实现,甚至可以像《三体》中设想的那样用几千万人来实现。光量子计算机就是用光子作为量子比特的量子计算机。除了光子之外,量子计算机常用的物理体系还包括光学共振腔、离子阱、核磁共振等等。

五、中国在量子科技领域的国际地位

量子信息领域的国际竞争,大图景如下。在量子通信方面,中国领先,欧洲和美国也投入了很多努力,在跟随中国发展。在量子计算方面,欧美领先,中国也不断做出重要的成果,最近接近了并驾齐驱。如果这两个领域相比较,整体而言量子计算的重要性高于量子通信,但离实用也更远。

对于中国来说,量子密码术简直是上天送来的礼物,应该以最高的优先级发展。如《孙子兵法》所言:“先为不可胜,以待敌之可胜。不可胜在己,可胜在敌。”好比在冷战时期,美苏追求的是全球霸权,而中国追求的首先是保住自己,所以美苏的上万件核武器都不能达到目标,而中国的有限核威慑就足以达到目标。

墨子号量子卫星的发射和量子通信京沪干线的建设,标志着中国的量子通信接近了产业化。自从人类进入近代社会以来,这是第一次由中国创造一个新的产业。我们在许多产业做到了世界第一,例如高铁、电信、超算,固然都很了不起,但这些产业都是别人开创的,我们是在别人的框架里后来居上。只有量子通信,在国际上是没有先例的。这个中国首创的产业是一座里程碑,历史意义十分重大。

同时,我们要认识到,创新不只是科技人员的事,全社会民众都应该参与进来,建立推崇创新、奋发有为的文化。

责任编辑:杨玉露

文章来源:风云之声微信公众号