量子科技改變世界

本文轉自《中國組織人事報》發布時間：2020年11月18日

近段時間，量子概念再次進入公眾視野，與量子科技有關的產業也受到高度關注。量子論和相對論是現代物理學的兩大基石。然而，自量子概念提出以來已有一個多世紀，其內涵依然不為普通大眾所熟知。「遇事不決，量子力學」這句流行語，就從側面反映出量子論的艱深與玄妙。就連量子論的奠基人之一、丹麥物理學家玻爾都說：「如果誰不為量子論而感到困惑，那他就沒有理解量子論。」

量子其實並不是某種特指的基本粒子，它更像是一種思維方式，是專門用來描述微觀領域的物理學概念。《上帝擲骰子嗎：量子物理史話》一書深入淺出地回顧了量子論的誕生和發展歷程。

1900年，德國物理學家普朗克為了解釋黑體輻射規律，引入了「能量子」概念。他假定能量的吸收和釋放並不是連續變化的，而是存在一個最小且不可分割的基本單元。當時，無論是經典物理學還是人類的樸素觀感都很難接受這一點，然而這個假設卻有著強力的實驗數據支撐。

後來，物理學家發現，光子、電子甚至長度和時間都存在這樣的特性。在普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛丁格、海森堡等眾多物理學巨匠的努力下，量子理論也逐步豐富起來，並在20世紀初掀起了第一次量子革命。核能、雷射、半導體電晶體等新技術得以問世，進而發展出計算機、網際網路、手機等如今人們日常生活離不開的應用。

在微觀量子世界裡，有著與宏觀世界截然不同的奇妙物理規則，除了「測不準」原理，最為人們津津樂道的是「疊加」與「糾纏」。

宏觀世界的物體在某一時刻都有著確定的狀態和位置。但在微觀世界，量子卻同時處於多種狀態和多個位置的疊加態。「薛丁格的貓」就是對量子疊加態的類比。很多人不明白這隻「貓」為什麼既生又死，其實就像光具有波粒二象性一樣，量子疊加態是經過嚴格實驗驗證的現象，不能機械地套用宏觀世界的經驗去理解。

量子計算就利用了這種疊加特性。傳統計算機中1個比特位在某個時間只能是0或1中的一個狀態，而在量子計算機裡，由於量子疊加態的存在，1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態，足以使運算能力實現指數級增長。

去年10月，谷歌公司基於一個包含54個量子比特的量子晶片開發出量子計算系統。它花費約200秒完成的任務，傳統超級計算機要1萬年才能完成。雖然業界對該實驗結果還存在爭論，但量子計算機在破解密碼等特定問題上的計算能力有望遠超傳統計算機，這也是所謂「量子霸權」的含義。

量子的另一種特性糾纏態就連愛因斯坦都難以接受。實驗表明，如果兩個量子之間形成糾纏，則無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個也會「瞬間」發生相應變化。

量子通信是利用量子糾纏解決信息安全問題的通信技術。傳統的通信方式有被竊聽的風險，而在量子通信中，一旦有人對信息進行攔截或竊取，量子糾纏態就會發生變化，不僅信息自動被破壞，竊聽行為也必然被察覺並被通信雙方規避。因此，量子通信在原理上被證明絕對安全，在保密領域有很大應用前景。

像量子計算、量子通信、量子精密測量這類以量子調控為代表、主動利用量子特性的技術，又被稱為「第二次量子革命」，自21世紀以來受到世界各國的追捧。

有理由相信，量子科技正進入「產業化前夜」，通過促進產學研協同創新，未來將為人們生活增添無限可能。