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公开课 | 高冷的量子科技,为何享有“未来产业”盛名?

来源:广州市科学技术协会 发布时间:2021-04-26 浏览量:250

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“十四五”规划纲要提出,前瞻谋划一批未来产业。未来产业是个“科幻感”十足的名词,指的是目前尚处于孕育阶段或爆发式增长的前期,未来发展潜力巨大,对经济社会具有全局带动和重大引领作用的产业。

4月19日,国家发展改革委新闻发言人孟玮“解秘”了我国未来产业的目标领域,类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等领域位列其中。

无论是欧美等发达国家,还是中国北京、上海、广州、深圳、杭州等地都主动谋划、提前布局量子信息等相关产业。量子信息产业所依托的量子科技,一直给人“高深莫测”的印象。量子科技依托的原理是什么?量子科技的实用价值又在何处?在广州市科协、广州日报主办、广州市科普中心承办的广州科普大讲坛第182期中,科大国盾量子技术股份有限公司总裁、总工程师赵勇受邀对量子科技进行通俗易懂的科普讲解。

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(科大国盾量子技术股份有限公司总裁、总工程师赵勇)

量子的神奇

“叠加”与“纠缠”颠覆人类认知


当年大家在物理课上学过分子、原子、电子等,这些特定的粒子和量子有什么关联?

其实量子就是物质不可再分割的基本单元。比如组成光的是光子,但是光子不可在分割为半个光子和三分之一个光子。而光子、分子、原子、电子都是量子的不同表现形式。“量子不对应特定粒子,而是微观粒子的整体说法。”赵勇说。

作为近代物理最有成就的学科之一,量子力学(量子物理)就是研究微观世界的运动规律。但在量子微观世界中,诸多规则与宏观世界完全不同,颠覆了人们的认知。这其中有两个基本规则就是“叠加”和“纠缠”。

“如果在微观世界有一个人,他可以在四个地方同时出现,就像孙悟空的分身术。”赵勇以此举例来阐释:单个量子在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”。

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(为了解释叠加状态,奥地利物理学家薛定谔在1935年提出了经典理论:将一只猫关进装有少量镭和氰化物的箱子里,如果镭发生衰变,就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;反之,猫就存活。在量子世界中,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,“可怜的”猫咪便处于死猫和活猫的叠加状态。)

而多个量子则会产生“纠缠”的奇妙反应。两个处于量子纠缠状态的粒子,就像双胞胎的心灵感应一样。无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会超“瞬间”发生变化。“量子纠缠现象已经有大量实验证明其存在,但机理还是个非常开放的问题,未来我们能否利用这点来实现超时空传输呢,还需要继续研究。”赵勇说。

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(量子纠缠非常神奇)

量子科技并非新近出现的学科领域。量子力学可最早溯源到1895年德国物理学家伦琴发现 X射线。之后普朗克于1900年提出量子论,1905年,爱因斯坦提出光量子的概念。量子力学迎来了蓬勃发展,广泛应用于诸如原子弹、晶体管、激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻等领域的研究中,被称为“第一次量子革命”。而“第一次量子革命”对量子现象的理解和直接利用,对微观量子世界进行被动观察和解释

赵勇说,人们已经掌握技术可以操控微观系统,单个量子的状态可进行人工制备,多个量子之间的相互作用也可进行主动调控。基于技术的进步,“第二次量子革命”由此被提出,量子科技也被给予更大的厚望。

通过操纵微观系统,人类可以突破信息和物质科学技术的经典极限,从而实现无条件安全的通讯、计算能力的飞跃以及超越经典极限的精密测量,这也分别对应了目前量子信息领域发展的三个不同方向的学科,量子通信、量子计算、量子探测。


量子通信

广州成为量子保密通信骨干环网“重要节点”


“量子通信不是对现有通信技术的颠覆和迭代,而是改善。”赵勇说,量子通信主要有量子密钥分发和量子隐形传态两种方式。

“因为量子不可分割。传统通信方式中,有人搭根线分走一部分信号的情况在量子通信中很难实现。量子也因为具有叠加的属性,很难对其精确复制。”赵勇介绍说,量子密钥分发充分利用量子的属性,实现数据通道的加密传输,让“世界上通信的双方共享世界上唯一的一对密钥”。

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(单光子是能量的最小组成单位,不能够被分割,且根据量子不可克隆的定律,其量子状态无法被精确复制)

量子隐形传态则更具有“科幻感”,人们甚至幻想依托该技术实现“瞬间移动”。具体方式是利用两个处于纠缠的量子,通过改变其中一个量子的状态,其信息状态可以瞬间传到远方另一个量子身上。

“当然实现人体瞬间移动目前还存在很多困难,但量子隐形传态会为未来的通信提供更大的空间。”赵勇说,中国目前在量子密钥分发和量子隐形传态都具有技术优势,中国量子通信处在国际领先水平,并已经走过了从科研到产业化的道路。

搭建广域的量子通信网络是大势所趋,人类目前通过光纤实现城域量子通信网络,通过中继器连接形成城际量子通信网络,再通过卫星中转实现的远距离量子通信。

2006年,中国就实现了世界首例超过100km的安全通信距离,2016年中国已经建成连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的量子保密通信骨干线路——京沪干线。

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(搭建广域的量子通信网络是大势所趋)

2018年国家发改委启动了新一代信息基础设施中的国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程,以量子保密通信“京沪干线”和“墨子号”量子科学实验卫星为基础,在京津冀、长江经济带等重点区域建设量子保密通信骨干网及城域网,形成量子保密通信骨干环网。其中主要包括了北京-雄安-武汉-广州的干线,以及合肥-上海的复线建设。

在国际上,中国也在积极谋求合作,2017年9月,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力,为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。

量子计算

中美两国抢占先机


‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍量子计算如今也是各国竞相布局的量子科技领域。要理解量子计算的优势,先要知晓量子比特的概念。
量子比特是进行量子信息处理的最基本单元,而手机、电脑等电子计算机所用到的比特,被称为经典比特。一个经典比特只存在0或1两种状态。而一个量子比特,不仅可处于0或1两种状态,还可处于“0+1”的叠加态。
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(量子计算机)
经典计算机处理的经典比特,一次只能处理某一个数据,将来量子计算机在处理量子比特时,可以处于多个数据的相干叠加状态,具有强大的并行计算优势。操纵N个量子比特的量子计算机,原理上可以对2的N次方个数据同时进行数学运算,相当于经典计算机重复实施2的N次方次操作。
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(相比经典计算机,量子计算机拥有强大的优势)

“好比走迷宫,经典计算机只能根据路线一条条去尝试,量子计算机可以同时尝试所有路线。”赵勇说,量子计算目前还在摸索阶段,但未来将为药物分析,天气预报等涉及复杂运算的问题提供更可靠的支撑。

赵勇表示,就其发展阶段而言,第一个阶段是做出量子计算的原型设备,并在某些问题实现对经典计算机的超越;第二阶段则是针对某些问题设计专门量子计算机;第三阶段则是设计通用的量子计算机,让其适用范围更大。

目前世界上美国和中国率先实现了量子计算发展的第一阶段,谷歌于2019年底发布了谷歌“悬铃木”53比特超导量子计算系统,求解随机线路采样问题耗时约200秒,而超级计算机No. 1 Summit即使优化后也需两天时间,而中国的中科大团队则于2020年利用光学的方式实现了光子量子计算系统——九章号量子计算机,求解波色采样问题耗时约200秒,而超级计算机No. 1 富岳估计约6亿年。

在量子通信和量子计算之外,量子探测则是帮助人类更细致的观测世界。2019年5月,第26届国际计量大会确定新的国际单位制体系正式生效,构建生活方方面面的七大基本物理量包括长度、质量、时间、电流强度、热力学温度、物质的量、光强度等,将用量子技术来标记。这意味着国际单位标准全面进入量子时代。赵勇表示,量子探测技术未来将广泛应用在导航、目标识别、重力测准、时间基准等方面。

中国已经成为第二次量子革命的重要推动者,先进成果不断涌现。赵勇表示,中国还需要补齐错失“第一次量子革命”造成的科技短板,牢固发展基础。同时中国要借鉴欧美在量子科技创新体制的优势,加强产学研的协同创新。

“希望在十四五期间,中国能构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系,推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用,实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接,为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。”赵勇说。


来源广州日报

编辑:王彤


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