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经过一个多世纪发展,量子力学让量子通信和计算成为现实

第二次量子科技革命将引发产业变革

2020年10月19日   05: 上海   稿件来源:解放日报  


■本报首席记者 俞陶然

中共中央政治局近日就量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习。什么是量子科技?其科学原理和发展态势如何?记者就此采访了多位科学家。据介绍,第二次量子科技革命自上世纪末兴起以来,量子通信、量子计算等新一代信息技术已处于产业化前夜,将引发具有深远影响的产业变革。

态矢量描述粒子状态

“量子科技的基础是量子力学,这是一种有助于我们理解世间万物的理论。”上海交通大学集成量子信息技术研究中心主任金贤敏说,在很多人看来,量子力学很诡异,甚至说“是骗人的”,但其实,它是迄今解释从微观到宏观世界自然现象的最好理论之一。

所谓量子,是一个物理量不可分割的最小单位。某个物理量如果不能连续变化,只能取一些分立的值,它就是量子化的。好比走楼梯,我们只能登上一个台阶,而不能登上半个。科学家发现,宏观世界里的物理量似乎都能连续变化,但在微观世界,许多物理量是量子化的。除了量子化,微观与宏观世界还有很多不同。其中最让人难以理解的微观世界特性,可能要数量子叠加态,这是量子力学的基本原理。经典力学解释宏观世界时,用坐标和动量的确定值来描述各个质点的状态,物理学家用这种模式描述微观粒子时,发现经典力学失效了,因为一个粒子可以既处于“0”又处于“1”的状态,与宏观世界的确定性大相径庭。因此量子力学用态矢量描述粒子状态。态矢量是一种概率,意味着粒子状态具有随机性。

对于这种让人捉摸不定的随机性,中国科技大学教授陆朝阳打了个比方称:“有些状态可以用指向为上、下、左、右的箭头表示,于是我们将方向作为一个物理量,然而还有些状态是一个圆,如果对‘圆状态’测方向,它会以相同的概率变成任何一个箭头。同样道理,科学家制备出多个具有相同状态的粒子,如果重复测量它们的位置,会发现每次实验结果都不一样。”

量子通信和计算向产业化进军

利用量子叠加态等科学原理,人们可以进行量子保密通信。中国科学院院士、中国科技大学教授潘建伟解释说,经典通信的信号只有0和1,发生窃听时,这两种信号都不会被扰动。比如两个人通话时,他人可以用窃听器从通信线路中的电子中分出一些电子,让它们进入另一根线路,实现窃听,而通话者无法察觉。量子通信与之不同,不但有信号0和1,还有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性和不可克隆原理,量子信号一旦被窃听,量子叠加态就会受到扰动,有可能“塌缩”成另一种量子态。这样一来,通信双方就能立即察觉。

量子计算依托的基本原理之一也是量子叠加态。金贤敏说,因为一个粒子可以既处于“0”又处于“1”的状态,两个处于叠加态的粒子发生“量子纠缠”这种相互作用后,就会有4种状态(2的2次方)。如果100个粒子发生量子纠缠,则会出现2的100次方种状态。如此海量的状态,可以让量子计算机拥有超强的并行计算能力。

对于量子计算研发路线,去年9月发布的《量子信息和量子技术白皮书(合肥宣言)》预测分为3个阶段:第一阶段是实现量子优越性,即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机,这一阶段性目标将在近期实现;第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统;第三阶段是实现可编程的通用量子计算机,这需要全球科技界的长期努力。“估计未来10—20年内,一批专用量子模拟系统将研发成功,用于催化化学反应模拟、高温超导材料制备等科研工作。”北京大学物理学院教授吴飙说,它们的运算效率比经典计算机高得多,所以这些领域的科研效率有望大幅提升。

据介绍,量子力学在上世纪40年代兴起第一次量子科技革命,催生了原子弹、半导体晶体管、激光器等重要成果。上世纪末以来,第二次量子科技革命在信息技术领域兴起,如今已接近产业化阶段,并与人工智能等新一代信息技术交织在一起,有望形成具有颠覆性的创新成果。