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[2017-01-09]量子技术:下一个技术“风口”?

 要:2016年中国用长征二号丁运载火箭,在酒泉卫星发射中心成功将世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”发射升空,这一盛举标志着我国成为世界首个实现卫星和地面之间通信的国家。与此同时,欧盟出台《量子宣言》,发起量子技术尖端计划。各国争相抢滩的量子技术,到底会对我们未来的生活产生何种影响?

 

我国关于量子技术的研究起始于2011年,并在2013年启动了“京沪干线”光纤量子通信骨干网工程项目。官方资料显示,建成后的“京沪干线”全长达2000多公里,沿线包括北京、济南、合肥、上海等众多国内城域网络。这也将是全球第一个广域光纤量子保密通信骨干网络。

量子技术带给我们的不仅是产业效应的增长,同时其对国防事业、经济发展都将产生巨大影响。随着量子技术的深入发展,其对人类未来生活的影响逐渐扩大,甚至在部分领域形成颠覆性变革。随着众多权威媒体争相报道量子技术,越来越多的目光聚焦到这项前沿科技的发展上。量子技术究竟能给我们带来什么样的颠覆式创新呢?

一、量子技术的特质

首先,关于量子技术我们要明确一个很重要的概念:量子纠缠。即微观下,两个或任意多个粒子本身的状态存在关联。任何一个粒子的状态都不是独立的,会受其他粒子影响。当一个粒子状态完全确定后,其他粒子状态同时确定。量子纠缠具有如下两个特质:

无限关联。量子纠缠间无限关联是量子性质,其特质就是将量子纠缠的两个粒子拉开不论多远,当对其中一个粒子进行操作的时候,另一个粒子也会瞬间相应产生变化。

保密。在不去测量(等于破坏)量子纠缠态时,量子的状态无人知晓。但一旦被测量,粒子的状态就会固定且永远不变。比如制作了一个量子纠缠对作为密钥,A和B各拿一个。在使用的一瞬间只有A和B知道密码,且保证“一次一密”,用完后这对密钥就作废。如果有人在密钥使用前进行窃听,那么量子态就会遭到破坏。A和B根据量子态的变化感知到被窃听,从而立即更换新的密钥。以此保证整个信息传输过程的绝对保密性,整个信息传递过程都由量子性质所保护。

二、量子通信

手机满足了对即时通信的需求,其已经融入生活无法剥离。而量子技术最先颠覆的领域,极有可能就是我们熟悉的通信行业。在现代通信中,用户往往最关注的就是信息安全保密和信号强度问题。量子纠缠的无限距离通信和保密性应用到通信技术中,可为用户妥善解决这些顾虑,带来更好的用户体验。

量子通信还可实现最快的通信速度。研究表明即使两个纠缠的粒子距离分隔到宇宙长度,它们之间的通信也可做到即刻传输到达彼此。这与传统光速通信相比,其传递过程不受任何障碍阻挡。线路延时为零,且安全又环保,不会产生任何电磁辐射的污染。同时,量子通信传输过程与传播介质无关,不受空间环境的影响,具有优秀的抗干扰性能。

三、量子计算机

计算机也是日常生活中几乎必用的设备。传统计算机的计算速度只跟晶体管数量和CPU线程有关,且不断在接近目前技术所能达到的极限。而量子计算机可以轻易达到普通计算机的极限,甚至大大超过普通计算机的极限。从计算能力方面而言,也许以后手机大小的民用量子计算机的计算量,能跟现有的天河一号超级计算机相媲美。

量子计算机一旦问世进行商业化后,计算机结构会发生重大改变。很多现有普通计算机的硬件和材料都将会被淘汰,那些原先的硬件供应商将面临“生死抉择”。同时量子计算机,特别是其软件系统将会带来怎样的用户体验,目前也无法预测。能否及时适应量子计算机时代的到来,是计算机硬件、软件供应商需要共同面对的挑战。

四、量子超导技术

我们生活中方方面面用到的电,其微观是电子的运动。电子是费米子,低温下超导材料的电子会两两配对。变成玻色子,然后再集体行动,这种组织行为方式就是量子行为。超导是一种宏观量子现象,其与生活联系最为密切的方面,就是远程输电和磁悬浮应用。

假如没有了电,生活将会怎样?如何高效且安全地输送电力一直是电力行业重点关注的问题。普通输电由于电线有电阻,必然会产生损耗。而远程输电是通过提高电压来减少损耗,高压线危险也由此而来,因其电压一般都达到百万千伏。如果达到超导,输电材料电阻为零;远程输电将不会产生任何损耗,也不会发热。同时也可适当调控电压,更好地控制风险。

而备受关注的磁悬浮列车项目中,磁悬浮需要强磁场。而目前强磁场只有通过电磁铁获得,电磁铁又需电流在电线里反复绕圈。普通电线会因此持续发热导致烧坏,直接影响到强磁场的生成。而超导材料由于没有电阻,不会发热;不存在烧坏材料的现象,使用中也更加安全和方便。自然界大部分材料在一定低温条件下,都会进入超导态这种电阻为零的宏观量子态。目前世界顶级物理实验室在做的就是尽量把要求的低温提高,以期达到室温甚至高于室温要求,使量子超导材料可实现稳定性并可商业化,走进人们的日常生活。

 

政策和资本的高度关注,必将加速量子技术的发展和前进。目前,我国“十三五”规划里列出了未来五年中国计划实施的100个重大项目及工程,量子通信和天地一体化信息网都被纳入其中。除了政府和科研实验室对量子技术深感兴趣,最近谷歌、惠普、IBM和微软这些跨国公司也纷纷向量子技术抛出橄榄枝,陆续启动了量子商业化的攻坚项目。

在目前的信息技术中,量子技术是最具革命性前景的,其也会轻易颠覆掉我们熟悉的领域。量子科技的未来充满无限可能,人类生活和社会生产都将因量子技术而发生深刻的变革。


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