点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 光明科普云> 图文 > 正文

走进量子科技

来源:光明网2022-03-15 14:04

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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。

走进量子科技

 

  基本粒子间相互作用关系|by Stlcardinals5555555

  Wikipedia Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International

  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。

走进量子科技

  思想实验:薛定谔的猫|by Dhatfield

  Wikipedia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 International

  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。

走进量子科技

  量子计算机的理论基础之一:布洛赫球面|by Smite-Meister

  Wikipedia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 International

  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

走进量子科技

[ 责编:张蕃 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 海河畔新空间激活夏日夜消费

  • 2026屈原故里端午诗会举行

独家策划

推荐阅读
历时8年、由全球多个机构38位科学家共同完成的一项国际研究发现,线粒体并非通过简单扩散为细胞核提供能量,而是铺设“专线”供能,即通过一种此前未知的直接物理连接将能量分子定向输送至细胞核。
2026-06-18 10:33
近日,2026年上海国际养老、辅具及康复医疗博览会落幕。本次展会直观印证,人工智能既是夯实基础养老保障的务实抓手,更是释放银发经济增长潜力的核心引擎。
2026-06-18 10:32
奇索姆不会中文,叶子不会英文,但这并没有妨碍两人在短短几分钟内就交上了朋友,她们的“秘密武器”正是人工智能(AI)。
2026-06-18 10:29
高精度感知技术如何打破实验室的“围墙”,深度融入我们的日常生活?答案,就藏在量子科技与芯片工程的交汇点——让量子“住”进芯片。
2026-06-18 10:28
如各大顶尖研究型高校一样,数学学科的全球竞争力需要长期稳定的支持,时间会证明数学研究和人才培养的后劲十足。
2026-06-18 10:24
与依赖相对固定会话管理结构的传统5G核心网络不同,新技术引入AI驱动的预测与控制能力,可根据不同业务需求实时优化会话管理、数据传输路径和服务质量,实现网络资源的动态调度。未来,团队还计划开发支持低轨卫星通信的核心网与传输网融合技术,构建融合业务、计算和网络的新一代6G核心架构。
2026-06-17 09:32
荷兰阿姆斯特丹大学医疗中心研究人员宣布,他们开展的全球首例针对遗传性疾病的体内CRISPR疗法三期临床试验取得成功。这把“剪刀”,为许多遗传性疾病患者剪开了新天地,预示着遗传病治疗或将从“延缓病情”迈向“治愈疾病”的新时代。
2026-06-17 09:28
交通运输是维系国民经济运行的重要基础,在碳排放总量中,交通运输领域占比高、减排难度大。针对水路运输降碳难题,我国正聚焦核心技术攻坚、示范船舶落地、配套体系完善,多措并举突破行业绿色转型壁垒。
2026-06-17 09:23
未来产业培育周期长、市场风险大,单一政策工具难以奏效,必须构建覆盖全生命周期、多元主体协同发力的政策矩阵。未来产业发展涉及面广、风险点多、迭代速度快,必须突破条块分割,构建集中统一、协同高效、安全可控的现代化治理体系。
2026-06-17 09:18
深海水虱是一种生活在深海的巨型甲壳动物,在缺乏稳定食物供给的情况下可存活五年之久。深海环境黑暗、寒冷、食物极度匮乏,如何克服寡营养环境对生存的威胁是深海生物面临的最大挑战。
2026-06-17 09:15
韩国首尔国立大学工程学院科学家研制出一款高性能有机发光二极管,集成了高导电性透明金属电极,透光率超过93%,有望在先进显示器等众多领域大显身手。所得器件兼具优异的透明度与电致发光性能,底层的有机层也安然无恙,充分彰显出该技术在下一代透明显示应用中的巨大潜力。
2026-06-16 09:27
《自然·医学》杂志15日报道了一种皮质内脑机接口(BCI)突破。该参与者累计使用该系统超过3800小时,共发出183060个句子(近200万词),平均每分钟56词,其中92%的句子被评定为“基本正确”或更佳。
2026-06-16 09:26
未来产业是科技创新和产业创新深度融合的产物,是技术突破催生的全新赛道,对于发展新质生产力具有先导性、引领性作用。未来产业的根基在于创新,没有源头创新,就没有未来产业的萌芽;没有持续创新,就没有未来产业的壮大。统筹科技自立自强与全球创新合作是夯实未来产业发展根基的关键。
2026-06-16 09:25
随着高密度发射成为常态,力箭一号火箭控制系统逐步实现软、硬件产品全链路自主可控。“目前,箭上配套设备缩减50%,地面设备削减80%,火箭电测周期由原来的1个月压缩到1周以内。
2026-06-16 09:23
作者:尚俊杰、王淑文(分别系北京大学教育学院副院长兼学习科学实验室执行主任、中国高等教育学会学习科学研究分会常务副理事长兼秘书长;将学习科学的研究成果深度融入AI教育系统的设计、开发与应用全过程,是提升教育质量、避免技术滥用的关键。
2026-06-16 09:22
数据显示,今年4月,中国汽车出口继续保持快速增长,同比增长超过70%,其中,新能源汽车表现最为亮眼,当月出口43万辆,环比增长16%,同比增长约110%。在海外社交媒体上爆火的“中国汽车”标签,以一种独特的方式为中国的全球气候治理贡献写下新注脚。
2026-06-16 09:17
随着人工智能技术的不断突破和应用场景的加速拓展,AI相关领域人才需求攀升将成为未来较长一段时间内劳动力需求的重要趋势特征。企业作为劳动力市场的需求主体,也应主动应对AI技术变革,推动内部数字化转型,提升生产效率。
2026-06-15 09:17
智能经济带来的技术提升,不是对传统产业的简单替代,而是通过“人工智能+”行动实现全方位赋能。面对全球人工智能治理规则正在形成的窗口期,我国既要在技术上对标一流,更应在治理上贡献智慧,助力全球AI治理变革。
2026-06-15 09:16
过了芒种,在河南省获嘉县照镜镇樊庄村,村民宋其文家里的麦田已开镰,但他不慌不忙,心里稳得很。宋其文感受到的智慧灌溉来源于水肥一体机搭载的作物高效用水智能决策系统,在那里,天空地数据持续搜集,不断优化生成实时灌溉决策方案。
2026-06-15 09:16
在率先落地的机器人、数字人营业性演出场景中,符合条件的经营主体可将机器人、数字人作为演职人员纳入管理范畴。”  北京经开区有关负责人表示,下一步将持续优化试点流程、稳步扩大试点范围,做到放而不乱、管而有序、服务到位,全力扶持新业态、培育新主体、壮大新产业。
2026-06-15 09:15
加载更多