量子科技意味着什么?

2020-10-19 由 发布 阅读(238)

“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。”周末,量子科技引爆了中国市场。

量子科技是什么?

“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,当我们所观察的物质小到一定范围之内时,它的物理性质就会与宏观世界出现截然不同的变化,量子力学就为了研究这一现象而出现的。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,和相对论是二十世纪的两个最重要的科学革命。而最近被媒体热议的量子科技则是量子力学和信息科技的交叉学科,做个比喻,经典比特是个“开关”,只有开和关两种状态,而量子比特则是个“旋钮”,有无数个状态。

量子理论的三大基本准则由丹麦物理学家玻尔得出:

叠加态世界:在量子世界,一切事物处于不同状态,各种状态可以并存。猫可能活着也可能死了,猫也可能既活着也死了。

测不准原理:叠加态不能被精确测量,这可能是宇宙的终极规律,或许就是我们的这个三维宇宙的终点。

观察者原理:一个物体都会有一个最终状态,而这个最终状态并非取决于物体本身,而是取决于谁来观察,从什么角度。

这三条准则完全推翻了经典物理学依赖的数学之美,最要命的是第三条,你的成绩好不好,你的钱多不多,并不取决于实际干了什么,而是你自己是怎么看待的,颇有唯心论的意思。以至于老对手爱因斯坦反驳:我不相信上帝用骰子来决定宇宙!玻尔则以“不要告诉上帝怎么做”予以回应。

量子科技有多厉害?

谷歌曾称,世界第一的超级计算机要算一万年的实验,量子计算机只用200秒就能算完;目前全球一年产生的数据需要百亿TB的存储量,而未来的量子存储设备,可能只需指甲盖大小就能存储人类几百年的信息数据。

还有更多量子现象未得到科学解释:超导体,完全屏蔽磁场;超流体,内部摩擦力为零;时间晶体,经典时空对称破缺;量子鬼成像,不用光的反射成像;卡西米尔效应,可以通过手性光改变引力为斥力;单原子酶催化,背后量子隧穿现象等等。可以说,量子科技就是人类科学认知的极限。

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、量子纠缠都能得到解释。

中国的量子科技应用

量子科技目前有两个最主要的应用,一是量子通信,二是量子计算。

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。