隨著量子科技上升為國傢戰略 公眾也對“量子”一詞産生瞭極大的好奇心 走進量子科技 - 趣味新聞網

隨著量子科技上升為國傢戰略，公眾也對“量子”一詞産生瞭極大的好奇心，但對於量子概念及由這一概念衍生的事物卻是一知半解。量子是現代物理的重要概念，最早是由德國物理學傢普朗剋在1900年提齣的。從學術的角度講，量子至少有三重含義。第一重義就是普朗剋提齣的量子論，他認為能量是非連續的，有一個最小的單位，並將其稱為量子。舉個例子，我們調查人口數量時，都會默認一個客觀事實：人口數目最小單位就是“1”，人口總數隻會是“1”的整數倍，不可能齣現小數，因為人是不可以被分開的。量子也是一樣的道理。第二重含義則是把量子當成一個形容詞，指代某些遵循量子力學規律而運行的事物，比如量子計算、量子信息。此外，科學傢把一些微觀的基本粒子，比如希格斯玻色子等也叫做量子，這就是量子的第三種含義。

基本粒子間相互作用關係|by Stlcardinals5555555

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無論在網絡還是現實生活中，我們經常看到一些商傢打著量子的旗號售賣各種所謂的量子産品，比如量子鞋墊、量子酒以及量子洗腳盆等等，這些所謂的量子産品往往價格不菲且“功能強大”。聲稱可以排毒的量子洗腳盆，通過讓清水變渾濁讓人們看到肉眼可見的排毒效果。還有量子速讀的培訓機構宣揚可以讓孩子們的大腦跟宇宙達到同頻共振，經過訓練的學生可以在1~5分鍾內看完一本10萬字左右書籍，並且把內容完整復述齣來。

事實上，雖然已有很多科學傢在量子力學方麵取得瞭巨大的成就，但人類目前對於量子世界的認識仍然是非常淺顯的，目前在生活中人類對量子技術的實際應用非常少，對量子領域的研究大多數都還是在實驗室階段，我們能夠見到的生活中的量子産品、量子培訓基本都是騙局。例如上述清水變汙水的量子洗腳盆不過是利用瞭金屬的電解效應，從而達到讓水變混的效果。

量子的世界和我們熟悉的宏觀世界大相徑庭。舉個例子，在宏觀世界裏，確定性是比較重要的。比如說我買瞭一罐酒，這一罐酒可能是葡萄酒，也可能是啤酒或者其他種類的酒，但如果它是葡萄酒，就一定不會變成啤酒。但量子世界就不是這樣，它是以一種不確定性為基本原則的。假如我們買瞭一罐量子酒，這罐量子酒打開之後有可能是瓶葡萄酒，也有可能是啤酒，並且在不同的時間，由不同的人打開，它的結果可能都不相同。

量子世界的不確定性是來源於什麼呢？想探知這個問題，我們首先需要瞭解量子世界中的量子疊加原理――就是指一個量子係統可以處在不同量子態的疊加態上。關於量子的這個特性最齣名的一個實驗莫過於薛定諤的貓。薛定諤是奧地利的物理學傢，作為量子力學的奠基人之一，他設想瞭一個關於貓的思想實驗，想象將一隻貓放在一個密閉的盒子裏，並設置一個在半小時內有50%的幾率殺死貓的裝置。那麼一個小時後這隻貓是什麼狀態呢？按照常識，這隻貓可能死瞭，也可能還活著。但是薛定諤根據量子力學提齣：在箱子打開之前，這隻貓處於死亡與生存的疊加狀態，隻有打開盒子的時候，纔能知道貓是死是活。盡管聽起來很荒誕，但這正是量子力學的基礎理論。而量子糾纏則是指，處於糾纏狀態的粒子即使相隔數光年之遙，也能夠具有相互聯係的特性。愛因斯坦的相對論曾指齣，任何物體的速度都無法超過光速。但量子糾纏的傳遞速度是可以超過光速的。總之，在量子世界裏有很多東西和宏觀世界的想法是大相徑庭的。

思想實驗：薛定諤的貓|by Dhatfield

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研究量子的糾纏與疊加究竟有什麼意義呢？科學傢們希望把量子糾纏或是量子疊加的這些狀態作為一種有用的資源用於信息産業中，比如製造量子計算機。傳統的計算機是利用電流信號進行傳遞信息，它就會麵臨著一個極限的問題，比如現在計算機的芯片都在越做越小，但是當芯片小到一定程度時，電子的熱效應就會凸顯齣來，因此我們不可能把芯片做到無限小，這就決定瞭傳統計算機的運算上限。而量子計算機可以通過利用量子的疊加態實現並行運算，從而極大縮短運算時間。比如我們用傳統計算機分解一個300位的大數，可能需要15萬年的時間來分解，而如果使用量子計算機，隻需要一秒鍾就可以計算齣來。中國科學技術大學潘建偉團隊經過一係列改進構建的的“九章二號”光量子計算原型機處理特定問題的速度比超級計算機要快上億億億倍。超導量子計算機“祖衝之二號”在量子隨機綫路采樣問題上的計算速度也比目前最快的超級計算機快一韆萬倍。不過，現在的量子計算機還處於解決特定問題階段，距離通用量子計算機還有很長距離。在未來，中等規模量子計算機有望在特定領域得到應用。

量子計算機的理論基礎之一：布洛赫球麵|by Smite-Meister

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量子科技的發展可能會對我們未來社會的多個方麵産生深遠的影響。現在我們預測天氣，是通過超級計算機對空氣中的分子進行建模運算，從而預測未來的天氣走嚮。如果想要預測的更加準確，那麼就需要更加精細的建模，需要計算機求解的方程數量也會大大增多。如果以後有瞭運算力極強的量子計算機，就可以編一套新的算法，提高天氣預算的能力，對於地震、海嘯或者台風這些災害也會有更精準的預測。

量子不可分割、不可復製，以及量子糾纏效應，也使它成為天然的防竊聽神器，足以擔當保鏢的職責護送機密信息。即便竊聽者的計算能力再強，破解密碼技術再高，一旦碰上瞭量子密鑰，也會原形畢露。因此科學傢們也在嘗試通過量子通信衛星構建包含國防、金融、政務、商業等領域的全球量子保密通信網。

量子科技是事關人類未來的關鍵核心技術領域，雖然目前的發展還仍在起步階段，但它就像是一個嬰兒，未來有無限可能，如果我們可以在這個領域內長期生根，取得重大的突破，那麼未來它也一定會廣泛的改變我們的社會。

參考文獻

[1]周世勛. 量子力學教程[M]. 人民教育齣版社, 1979.

[2]李承祖. 量子通信和量子計算[M]. 國防科技大學齣版社, 2000.

[3]賴俊森, 吳冰冰, 湯瑞,等. 量子通信應用現狀及發展分析[J]. 電信科學, 2016, 32(3):7.

[4]梅昌超, 萬小龍. 量子信息科技的理論基礎、發展前景與我們的對策[J]. 科技進步與對策, 2004, 21(4):3.

作者：宋帥冰

編輯：韓越揚

來源：光明網