走进量子科技

　　随着量子科技上升为国家战略，公众也对“量子”一词产生了极大的好奇心，但对于量子概念及由这一概念衍生的事物却是一知半解。量子是现代物理的重要概念，最早是由德国物理学家普朗克在1900年提出的。从学术的角度讲，量子至少有三重含义。第一重义就是普朗克提出的量子论，他认为能量是非连续的，有一个最小的单位，并将其称为量子。举个例子，我们调查人口数量时，都会默认一个客观事实：人口数目最小单位就是“1”，人口总数只会是“1”的整数倍，不可能出现小数，因为人是不可以被分开的。量子也是一样的道理。第二重含义则是把量子当成一个形容词，指代某些遵循量子力学规律而运行的事物，比如量子计算、量子信息。此外，科学家把一些微观的基本粒子，比如希格斯玻色子等也叫做量子，这就是量子的第三种含义。

　　基本粒子间相互作用关系|by Stlcardinals5555555

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　　无论在网络还是现实生活中，我们经常看到一些商家打着量子的旗号售卖各种所谓的量子产品，比如量子鞋垫、量子酒以及量子洗脚盆等等，这些所谓的量子产品往往价格不菲且“功能强大”。声称可以排毒的量子洗脚盆，通过让清水变浑浊让人们看到肉眼可见的排毒效果。还有量子速读的培训机构宣扬可以让孩子们的大脑跟宇宙达到同频共振，经过训练的学生可以在1~5分钟内看完一本10万字左右书籍，并且把内容完整复述出来。

　　事实上，虽然已有很多科学家在量子力学方面取得了巨大的成就，但人类目前对于量子世界的认识仍然是非常浅显的，目前在生活中人类对量子技术的实际应用非常少，对量子领域的研究大多数都还是在实验室阶段，我们能够见到的生活中的量子产品、量子培训基本都是骗局。例如上述清水变污水的量子洗脚盆不过是利用了金属的电解效应，从而达到让水变混的效果。

　　量子的世界和我们熟悉的宏观世界大相径庭。举个例子，在宏观世界里，确定性是比较重要的。比如说我买了一罐酒，这一罐酒可能是葡萄酒，也可能是啤酒或者其他种类的酒，但如果它是葡萄酒，就一定不会变成啤酒。但量子世界就不是这样，它是以一种不确定性为基本原则的。假如我们买了一罐量子酒，这罐量子酒打开之后有可能是瓶葡萄酒，也有可能是啤酒，并且在不同的时间，由不同的人打开，它的结果可能都不相同。

　　量子世界的不确定性是来源于什么呢？想探知这个问题，我们首先需要了解量子世界中的量子叠加原理——就是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。关于量子的这个特性最出名的一个实验莫过于薛定谔的猫。薛定谔是奥地利的物理学家，作为量子力学的奠基人之一，他设想了一个关于猫的思想实验，想象将一只猫放在一个密闭的盒子里，并设置一个在半小时内有50%的几率杀死猫的装置。那么一个小时后这只猫是什么状态呢？按照常识，这只猫可能死了，也可能还活着。但是薛定谔根据量子力学提出：在箱子打开之前，这只猫处于死亡与生存的叠加状态，只有打开盒子的时候，才能知道猫是死是活。尽管听起来很荒诞，但这正是量子力学的基础理论。而量子纠缠则是指，处于纠缠状态的粒子即使相隔数光年之遥，也能够具有相互联系的特性。爱因斯坦的相对论曾指出，任何物体的速度都无法超过光速。但量子纠缠的传递速度是可以超过光速的。总之，在量子世界里有很多东西和宏观世界的想法是大相径庭的。

　　思想实验：薛定谔的猫|by Dhatfield

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　　研究量子的纠缠与叠加究竟有什么意义呢？科学家们希望把量子纠缠或是量子叠加的这些状态作为一种有用的资源用于信息产业中，比如制造量子计算机。传统的计算机是利用电流信号进行传递信息，它就会面临着一个极限的问题，比如现在计算机的芯片都在越做越小，但是当芯片小到一定程度时，电子的热效应就会凸显出来，因此我们不可能把芯片做到无限小，这就决定了传统计算机的运算上限。而量子计算机可以通过利用量子的叠加态实现并行运算，从而极大缩短运算时间。比如我们用传统计算机分解一个300位的大数，可能需要15万年的时间来分解，而如果使用量子计算机，只需要一秒钟就可以计算出来。中国科学技术大学潘建伟团队经过一系列改进构建的的“九章二号”光量子计算原型机处理特定问题的速度比超级计算机要快上亿亿亿倍。超导量子计算机“祖冲之二号”在量子随机线路采样问题上的计算速度也比目前最快的超级计算机快一千万倍。不过，现在的量子计算机还处于解决特定问题阶段，距离通用量子计算机还有很长距离。在未来，中等规模量子计算机有望在特定领域得到应用。

　　量子计算机的理论基础之一：布洛赫球面|by Smite-Meister

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　　量子科技的发展可能会对我们未来社会的多个方面产生深远的影响。现在我们预测天气，是通过超级计算机对空气中的分子进行建模运算，从而预测未来的天气走向。如果想要预测的更加准确，那么就需要更加精细的建模，需要计算机求解的方程数量也会大大增多。如果以后有了运算力极强的量子计算机，就可以编一套新的算法，提高天气预算的能力，对于地震、海啸或者台风这些灾害也会有更精准的预测。

　　量子不可分割、不可复制，以及量子纠缠效应，也使它成为天然的防窃听神器，足以担当保镖的职责护送机密信息。即便窃听者的计算能力再强，破解密码技术再高，一旦碰上了量子密钥，也会原形毕露。因此科学家们也在尝试通过量子通信卫星构建包含国防、金融、政务、商业等领域的全球量子保密通信网。

　　量子科技是事关人类未来的关键核心技术领域，虽然目前的发展还仍在起步阶段，但它就像是一个婴儿，未来有无限可能，如果我们可以在这个领域内长期生根，取得重大的突破，那么未来它也一定会广泛的改变我们的社会。

　　参考文献

　　[1]周世勋. 量子力学教程[M]. 人民教育出版社, 1979.

　　[2]李承祖. 量子通信和量子计算[M]. 国防科技大学出版社, 2000.

　　[3]赖俊森, 吴冰冰, 汤瑞,等. 量子通信应用现状及发展分析[J]. 电信科学, 2016, 32(3):7.

　　[4]梅昌超, 万小龙. 量子信息科技的理论基础、发展前景与我们的对策[J]. 科技进步与对策, 2004, 21(4):3.

　　作者：宋帅冰

　　编辑：韩越扬