什么产品才是真实的量子科技
发布时间:2020-10-26

10月16日下昼,中共中央政治局就量子科技钻研和行使前景举走第二十四次整体学习。对于什么是量子科技以及发展量子科技的意义,相关的媒体文章也众了首来。

量子科技毫无疑问是专门前沿的高科技周围,但吾这边试图用最直白的说话通知行家:到底什么是量子科技?

吾们先从不和的角度意识一下什么“不是”量子科技。

一切卖给吾们清淡老平民的,能直接在线上线下的商店中,望到的明码标价的一切前缀中有“量子”两个字的科技产品或者服务,都不是量子科技。仔细:毫无破例。

量子科技到如今为止,还异国任何成熟的可以大周围商用的产品落地。世界上也实在存在量子科技的产品,但它们的出售对象是世界上极小批一些做科研的单位。倘若你听说有个至交的公司正在搞量子科技,嗯,那十有八九是挂羊头卖狗肉的。

那么,到底什么是量子科技呢?

先做一个基本的名词注释,在“量子科技”这个语境下所指的“量子”的有趣是“能量的最小单位”,它清淡是一类“基本粒子”的统称,最常指的是电子和光子。

就如今来说,世界上可以挨近实用的量子科技有三个主要的行使倾向,别离是:量子保密通信、量子计算机和量子传感器。

最先,吾们来介绍一下量子保密通信。

量子保密通信是行使量子的某些特性来防止通信被窃听的技术。

传统的通信手段都存在被窃听的风险,这栽风险在吾们清淡人的生活中也许并不那么可怕。但倘若是在军事上,或者在某些国家级的主要部分中,是否被窃听就显得尤为主要。自古以来,为了防止通信被窃听,人类想出了众数栽手段,其中最常见的手段就是经过给通信的内容添密来提防。添密的基本思维是敌人就算窃取了信息,他也望不懂。但往往“道高一尺,魔高一丈”,天下异国破不了的暗号。随着量子力学的不息深入发展,科学家们找到了从理论上可以彻底杜绝通信内容被窃取的手段,这手段还不止一栽。它的具体行使效果,就被称为“量子保密通信”,可以保证通信内容不会被第三方窃听。

在量子保密通信这个周围,吾国处于世界领先地位。其中,最主要的代外就所以中国科学技术大学潘建伟教授为首的团队,他们研发的量子通信产品已经初步具备实用性了。2017年9月,潘建伟教授团队建成了世界上首条量子保密通信干线——京沪干线。他们采用的实现手段被称为“单光子秘钥分发技术”。

也许,吾可以用一个比喻来协助你初步理解这栽技术的原理。

传统的电磁波通信,每一束电磁波中都包含万亿个光子,就相通你叫来一亿个快递员,让每一个快递员都从你这边拿一份同样的信息送出往。那么,窃听者在半路上阻截了几个快递员,偷望了信息,在这个过程中,发送方和授与方都是浑然不觉的,由于同样的快递员实在是太众了。而单光子秘钥分发技术就相通每次只叫一个快递员,每个快递员从吾这边拿走的一份信息就是独一份,异国第二份。如许一来,倘若有一个快递员中途被阻截了,那么授与方马上就会发现收到的信息是不完善的,这就等于发现了窃听者,可以立即采取走动,比如终止通信,换一栽添密手段,甚至是换一条线路等等。

浅易来说,就是吾们把正本一发就是万万亿亿个光子的电磁波通信改为一次只发一个光子的单光子通信。如许一来,窃听者只要一窃听,马上就会被察觉。

最关键的是,窃听者不能能做到在不损坏原首信息的前挑下,悄悄地复制一份信息出来。这是由于量子按照一个基本的物理规律,叫做“量子不能克隆原理”,一个量子不能能在信息不被损坏的情况下复制出一个一模相通的本身来。

量子保密通信的实现方案不止吾上面挑到的这一栽,还可以用其他技术方案来解决。比如,行使量子另外一栽很微妙的特征——量子纠缠——来实现(至于到底什么是量子纠缠,要讲明了所需篇幅太长,此处不睁开)。你只必要晓畅,量子保密通信可以用到量子纠缠,也可以不必到量子纠缠。但不管用不必量子纠缠,量子通信都绝对异国也许做到超光速通信。超光速通信只存在于科幻小说中,不能能存在于今天的社会现实中。

固然京沪干线早在3年众前就正式启用了,但如今与吾们绝大众数清淡人异国直接相关。它的行使,仅限于当局特定部分以及国有银走等大型企业之间的试点性质的行使。这方面能查到的公开信息如今还较少。

接下来,吾们再讲量子科技的第二项主要行使:量子计算机。

量子计算机是运走原理与传统电子计算机十足迥异的一栽通用计算设备。

也许有人觉得,电子计算机和量子计算机,只相差一个字,答该是一个用电子做计算,另一个则是用量子做计算吧。其实,这个理解是舛讹的。电子计算机里的电子,指的并不是真实的电子,它指的是电子电路。固然吾们已经把计算机芯片的尺度缩短到了纳米级别,但这些电路照样与墙上的那些开关相通,是十足可控的。

而量子计算机里负责计算的原件可不是开关,那些都是真实的微不益看粒子。它们就像量子物理中描述的相通,异国确定的状态,吾们只能用概率来注释它们的走为。

小儿园小至交算算术时,用的是掰手指头的手段来计算。掰手指头算算数,固然又原首又缓慢,但它与太湖之光超级计算机的内心相通,都属于经典计算的周围。固然芯片中的每一个晶体管已经做得比病毒还要小,但这些晶体管照样是十足受控的。它们与手指头相通,都是受经典物理学定律指挥的。

与经典计算相对的,就是量子计算了。你也许听说过量子力学中的叠添态、测禁止原理和量子纠缠这些希奇的特性吧?量子计算机真的就是行使了量子力学的这些希奇特性而设计出来的。

为了方便读者理解量子计算机与电子计算机相比,有些什么样的上风,吾来打一个专门浅易的比方。

如今有一个暗盒子,左边伸出1024根电线头,右边也伸出1024根电线头。如今吾通知你,其实只有一根电线是连通的,请示,你该如何找到这根连通的电线呢?倘若行使经典计算机,吾们只能一个一个地尝试。左边的1号线头和右边的1号线头试试,倘若不能,就用左边的1号线头和右边的2号线头再试,直到找到答案为止。这栽手段,最灾害的效果,就是也许要尝试1024×1024次,也就是大约100万次才能找到答案。

倘若用量子计算机解决这个题目,就浅易众了。只必要一次计算,量子计算机就能同时把一切的也许都考虑进往了。它可以一次性地找到那根连通的电线。你望,这次计算,量子计算机就经过量子的一些很微妙的特性,实现了100万倍的效果升迁。

吾们对量子计算机足够了憧憬。但是到如今为止,量子计算机离走入清淡平民家,甚至走入清淡的科研单位,都还有专门迢遥的距离。

全世界如今最先辈的量子计算机之一是谷歌公司在2020年8月28日登上顶级期刊《科学》杂志的那台量子计算机,他们成功地用12个量子比特,模拟了二氮稀这栽物质的异构化逆答。这是一个专门宏大的效果,让量子计算机向实用型计算设备又迈进了一步。这台量子计算机最众可以操控53个量子比特。

在量子计算机的研发上,吾国也处活着界第一梯队中。据《安徽日报》报道,潘建伟教授在 2020年9月5日西湖大学的一个公开演讲中透露:他带领的团队研发的光量子计算机仅从理论计算速度上来说,已经超过了谷歌的量子计算机,在年内可以实现操控60个量子比特。自然,评价量子计算机的优劣,不光仅是理论上的计算速度和量子比特的数目,还有许众其他维度。但从潘教授透展现来的这一点点信息来望,起码可以表明,吾国在这方面的钻研挺进并不输给美国。吾小我专门憧憬早日读到潘教授团队的正式论文,能让吾们晓畅更详尽的信息。

但是,量子计算机总体来说还处在婴儿期,还只能解决一些纯粹为了验证计算能力而人造设计出来的题目。倘若用电子计算机的发展历程来比喻的话,如今量子计算机所处的阶段,也许就相等于发明了手摇添法器的年代,连电子管计算机都还没发明出来呢。

末了,吾们来说说量子科技的第三项主要行使:量子传感器。

量子传感器就是行使量子效答设计的传感装配。

传感器就是可以感知如今的体系状态转折的设备,比如感知温度转折、感知压力转折、感知电磁场转折、感知重力转折,等等。吾们的手机里有许众传感器,比如苹果第一代手机刚出来的时候,许众人对于它会自动旋转屏幕这件事情都感到专门惊叹,这就是重力传感器的功劳。今年疫情期间吾乘坐飞机,有一个显明的感受。年头的时候,给旅客测温主要照样靠那栽手持的测温枪,一个一小我列队测量,效果很矮。但到了如今,几乎一切机场都实现了自动测温,除了戴帽子的旅客也许还能感受到测温程序的存在外,清淡旅客已经感觉不到还有测温这道作业程序了。而这栽效果的升迁,关键就是传感器技术的升迁。自然,测量体温还用不到量子传感器,由于吾们对体温转折的测量精度异国那么高的请求,偏差在 0.5摄氏度之内都不是大题目。但倘若吾们要测量几万甚至几十万分之一的温度转折,那如今传统的温度传感器就力不从心了。

量子态对环境转折变态敏感,这对于量子计算机来说是个很糟糕的特征,但对于传感器来说,就是一个极佳的特征了。科学家们正是行使了量子的这栽超高敏感性,可以对电磁场、温度、压力、惯性等物理量进走超高精度的测量。

吾们前线讲到的量子保密通信、量子计算机,听上往都希奇的高端大气上档次,而量子传感器益似不太首眼。但吾想说,让吾们清淡老平民最先能用上的量子科技,很也许就是量子传感器。据《科技日报》2020年3月份的一篇报道,美国陆军研制出了一款量子传感器,可以协助士兵探测整个无线电频谱的通信信号。不过,到如今为止,吾还异国查到任何正式投入民用的量子传感器产品,但它很有也许是第一栽能真实带来商业回报的量子科技产品。倘若你想在量子科技产业中投资或者创业,没相关更众地关注一下量子传感器周围。相比之下,量子计算和量子通信也许只有大玩家能参与。

益了,相关量子科技的基本知识,吾们浅尝辄止。但愿吾这篇文章,不妨激发读者对量子科技的探究亲炎,协助读者识破即将如潮水般涌来的量子大忽悠们。

(作者汪诘为中国科普作协成员、“科学声音”实走秘书。代外作《时间的形状——相对论史话》获第八届国家文津图书奖。科幻小说《时间囚笼》获2019百花文学奖。另著有《星空的琴弦》《亿万年的孤独》《未解的宇宙》《少儿科学思维教育书系》等十众部著作。)(本文来自澎湃消息,更众原创资讯请下载“澎湃消息”APP)