【每日科普】刷屏的量子科技究竟是什么“棋

  • 2023-03-05
  • John Dowson

【每日科普】刷屏的量子科技究竟是什么“棋

  2016年8月16号,墨子号量子科学实验卫星成功发射升空,“量子”这个神秘的概念,在公众面前掀起面纱。近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技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、保障具有非常重要的作用。

  “量子”跟我们中学接触的原子、电子、原子核、质子、中子等不是一个维度的概念。量子是一个数学概念,代表离散变化的最小单元。比如统计人数时只能说1个人,但不能说半个人,那对统计人数来说,一个人就是一个量子。当某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。而量子力学不仅研究原子、分子、激光这些微观对象,还研究导电性、导热性、硬度、晶体结构等宏观物质,涉及现代社会的方方面面,是和相对论是二十世纪的两个最重要的科学。

  量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越各种尺度,从光到基本粒子,到原子核,到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质。量子力学对于认识这些都起了重要的作用,也因此成为现代技术的基础。

  在微观的尺度上,各种基本力的统一是理论物理的重大问题,依赖于量子力学。其他的未解之谜(如暗物质和暗能量)的解决也依赖于量子力学。

  很多天文现象,例如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射,乃至宇宙结构的起源等,都是因为量子力学规律。

  量子力学带来了丰富的技术和应用,深刻地改变了人类的文明和历史。它让我们拥有了来自原子核能量这一新能源,也让我们更有效利用太阳能。核弹影响了世界历史,核电则是核能的和平利用。

  量子力学为信息提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。没有量子力学,互联网和智能手机也不会存在。

  量子力学也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具,包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等。

  所以,量子是我们的老朋友。事实上,20世纪90年代,诺贝尔奖得主莱德曼就指出,量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在的比例还要高得多,很难找到与量子无关的新技术。所以说,量子力学是当代文明的一个重要基础。

  这些较传统的科学技术,建立在量子力学基础之上,发展已经比较成熟。而近年来,有了一些量子科技新领域。基于对单个量子态的操控,量子科学技术出现了新的方向和新的生命力,正在迎来持续量子的第二次,也可以说是第二次量子。比如,通过用量子态作为信息的载体,量子力学不仅像以前那样为信息技术提供硬件基础,而且还提供了软件基础。

  我国目前研究的量子通信手段被称为量子密钥分发,使用的密钥还是完全随机并只可使用一次,已被严格证明是一种绝对安全的通信方式。从目前的人类认知来看,这是一种完美的信息保密形式。随着2016年8月我国“墨子号”实验卫星成功发射,量子通信的网络开始迅速铺张开来,2017年世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式建成开通。

  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。

  而在难度更大的量子计算领域,目前主要参与研发的都是像百度和阿里这样的巨头。中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。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。相比量子通信,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。

  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。

  尽管量子科技现在受到了国家层面的重视,但目前只能说是一步先手棋。我们还需要更多时间、人才、研发投入等等,才能把这一产业发扬光大。

免责声明:本站所有信息均搜集自互联网,并不代表本站观点,本站不对其真实合法性负责。如有信息侵犯了您的权益,请告知,本站将立刻处理。联系QQ:1640731186

评论留言

发表评论