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

  • 2025长江文化艺术季在武汉开幕

  • 济南:国内超大直径穿黄隧道盾构掘进过半

独家策划

推荐阅读
2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。
2025-09-12 10:08
汽车排放被认为是气候变化的“元凶”之一,但学术界一直缺乏对城市道路碳排放进行精准刻画的工具。”借助全景AI模型,可实现二氧化碳排放源的精准提取,模型的平均精度超过93%、平均误差低于1.3ppm(ppm为百万分比浓度)。
2025-09-12 10:01
习近平总书记指出:“要把握人工智能发展趋势和规律,加紧制定完善相关法律法规、政策制度、应用规范、伦理准则,构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。人工智能系统的可靠性不能停留在统计意义上的“高概率正确”,而应追求在复杂、开放、动态环境下的“高置信可靠”。
2025-09-12 10:01
10日,2025世界顶尖科学家协会奖(以下简称“顶科协奖”)获奖者名单在上海公布。顶科协奖是2021年在上海发起创设、由红杉中国独家提供永久资金支持的面向全球科学家评选的科学大奖。
2025-09-12 09:59
全球规模最大恐龙蛋化石群——湖北十堰青龙山恐龙蛋化石群的埋藏时代,首次被科学家认定为距今约8600万年。专家考证,这是迄今全球分布最集中、规模最大、埋藏最好、原地出露最多、原址保存最好的恐龙蛋化石群。
2025-09-12 09:58
9月10日上午,在马来西亚吉隆坡召开的国际灌排委员会第七十六届国际执行理事会会议上,2025年(第十二批)世界灌溉工程遗产名录正式公布,我国申报的云南元阳哈尼梯田、江苏句容赤山湖灌溉工程、四川彭州湔江堰、北京门头沟永定河古渠灌溉工程全部成功入选。
2025-09-11 10:18
“十四五”以来,我们牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,全力当好自然资源“大管家”和美丽中国“守护者”,全面完成了“十四五”规划的目标任务,有效支撑了经济社会的高质量发展。
2025-09-11 09:57
未来,城市的画卷上,AI、物联网与大数据等现代科技将继续深化推广,但唯有始终以人的尺度丈量技术,以人文的关怀驾驭创新,方能使城市永葆文气的深度、人气的热度与烟火气的温度,让每座城市都在科技的守护中,找到生生不息的发展动能。
2025-09-11 09:52
北京大学的科研团队与合作者联合开发出一种全新的“高维超分辨成像”技术,成功实现了对活细胞内15种细胞器的同时成像与精准识别,为细胞生物学研究打开了一扇全新的大门。
2025-09-11 09:43
要为“年纪尚小”的新职业破解“成长的烦恼”,不仅要完善新职业的职业标准和评价规范,还要有能跟上步伐的教育培训和职业培训,为新职业从业者提供支持政策,提升社会保障水平,以更好的保障制度、更强的身份认同感、更完善的培养体系为新职业就业者提供更广阔、更精彩的发展舞台,让他们在与时代“同频共振”的岗位上实现人生价值,也为创新创造的活力涌动持续贡献力量。
2025-09-11 09:39
宋美珍是中国农科院西部农业研究中心的棉花研究专家。2012年起,她和团队将目光瞄准新疆的棉花种植,成为当地棉花研究的一支重要技术力量。
2025-09-10 10:09
“十四五”以来,我国制造业增加值每年均超过30万亿元,总体规模稳居全球制造业首位。这份沉甸甸的成绩单,印证着推动新型工业化取得的新进展新成效。
2025-09-10 09:47
9月9日,2025年中国国际服务贸易交易会开幕前夕,记者跟随首钢媒体探营团,走进北京首钢园,提前探访服贸会的精彩内容。
2025-09-10 09:40
9日10时,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将遥感四十五号卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2025-09-10 09:39
光明日报北京9月9日电 记者李春剑从市场监管总局了解到,自2021年全国机器人标委会成立以来,我国已发布机器人领域国家标准126项,另有41项正在研制。近日,世界机器人大会和世界人形机器人运动会火爆“出圈”,相关产业发展引起各方热议。
2025-09-10 09:36
在科学研究上不断革故鼎新的同时,钟义信始终坚守自己作为一名教师的追求,在信息论、信息科学和人工智能领域潜心躬耕育人。
2025-09-10 09:35
9月9日10时00分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将遥感四十五号卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2025-09-09 11:03
在中药房里,有这样一些“扫地僧”——它们价格低廉,常被忽视,却有着出人意料的疗效。
2025-09-09 10:15
近日,河南一名女童出现咳嗽、呕吐、嗜睡等症状,被家人误判为普通感冒,不料竟是暴发性心肌炎,且病情发展极为迅速,在转院治疗途中不幸离世。程翔提醒,当身体发出以下信号时,一定要引起重视,警惕并排查暴发性心肌炎:  一是胸痛、胸闷、气短。
2025-09-09 10:14
随着关键研发方向不断取得新突破,通用智能体在多任务处理方面,成本将进一步降低,完成度也会更高。
2025-09-09 10:10
加载更多