中共中央政治局近日就量子科技研究和應用前景舉行了第二十四次集體學習。什麼是量子科技?其科學原理和發展態勢如何?來聽著名量子科技專家、中科院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉談「有關量子的那些事」。
什麼是量子?
其實量子非常簡單,所有構成物質世界的最基本單元就叫做量子。舉個例子,每天光照過來,就有好多光量子打到你身上——對於組成物質的小顆粒而言,如果它小到不能再分割,那麼這就是量子。
量子在哪裡?
量子有一個非常奇怪的特徵——不確定性。簡單而言,在經典世界裡,人或物體在某一時間裡只能在一個地方。而在量子世界裡,在某些特定的情況下,如果說整個宇宙中沒有一個人、一臺儀器知道你在哪裡的時候,你就可以在所有的地方。
為什麼會這樣?因為宏觀世界裡,你在運動時,周圍有好多人或設備在探測你的軌跡。但到微觀世界中,當一個原子在運動的時候,周圍都是真空,就沒有東西來測量它處於什麼狀態,在這種情況下,它就會出現在任何一個地方。這個分析在微觀世界裡面是成立的,並已經被無數實驗所證實。
什麼是量子糾纏?
在量子力學中,「薛丁格的貓」是非常著名的一個思想實驗:一隻貓在日常生活中能處在死或活兩個狀態,但是在量子世界裡,它可以處於死和活兩個狀態的相干疊加,死和活這兩個狀態如果代表0和1,這兩個死和活可以變來變去,就意味著信息的單元是可以處理、可以發生變化的。
到了量子世界裡,因為它可以處於這種0和1狀態的相干疊加,所以這個狀態是永遠測不準的,測不準之後它就不能被精確地複製。
當我們把這樣一個單粒子的體系拓展到兩粒子體系的時候,一種更奇怪的現象就發生了,我們把它叫做量子糾纏。一隻貓可以處於死和活狀態的相干疊加,如果有兩隻貓的話,是不是可以處於這樣一種活活和死死狀態的疊加呢?量子力學是允許的,這意味著一旦處於糾纏的兩個客體,不管它們相距多麼遙遠,其中一個狀態發生變化,另外一個狀態也會發生相應的變化,我們把這種東西就叫做「遙遠地點之間的詭異互動」,也就是量子糾纏。
量子理論可以溯源宇宙?
當我們把量子力學和相對論結合在一起時,我們就可以來建立宇宙起源的大爆炸理論。這個理論告訴我們,在138億年前,宇宙是誕生於一個奇點的爆炸。
這個爆炸是怎麼產生的呢?這正是由量子漲落產生的。所以,大爆炸幾分鐘之後,我們才會有氫、氘、氦元素的形成。而在那之前,由於溫度太高,高達幾億攝氏度,所以只有質子、中子、光子、電子存在。直到大爆炸30萬年後,宇宙中才有原子形成,億年之後才會形成恆星。
所以,宇宙經過了相當於100億年的「懷孕」之後,我們的太陽才正式誕生。而要等到太陽系形成,地球各種行星才慢慢形成了穩定的結構,又經過億萬年的進化,地球生命才進化為現在的人。
量子計算有多強?
我們現在把全世界所有的計算機、手機的計算能力加起來,計算能力大約是280。如果量子計算機誕生,那麼它的計算能力將會超過目前地球上計算能力的100萬倍。當這種技術走向實用,它將是非常強大的——這種算力如果分給每個人的話,我們每個人在計算能力上的財富,都是遠遠超過世界首富的。
曾有人預言,當量子計算機發展到50個量子位時,就能實現「量子稱霸」,其計算能力將超過世界上任何傳統計算機,解決許多傳統計算機解決不了的問題。就在去年,谷歌宣布實現了這一目標。如今,大家又在向著更高的目標邁進。
量子計算會給人工智慧帶來什麼?
經典的人工智慧機器人根本就沒有自由意志,它連一個非常簡單的事情都決策不了,因此根本不會認識到自己的存在。但是,量子力學第一次把觀測者的意識與物質的演化結合起來。所以我們高度相信,儘管還沒被科學最後證實,量子力學必然會參與自我意識的產生。
由於我們每個人大腦裡面想什麼,是相互不可知的,這才保證了個體的多樣性。量子力學告訴我們,想要一模一樣複製大腦中的所有信息,是做不到的。我們既然這麼獨一無二,所以相信量子力學跟我們意識肯定緊密相連,我們也相信通過對量子計算機的研製,可能會為我們人腦一些機理的研究提供有價值的東西。
量子理論可以實現星際旅行嗎?
1609年,科學家克卜勒在給他的好朋友伽利略的信中寫道:「應該建造適合飛向神聖天空的船與帆,然後也會有這樣的先驅者,面對無邊的太空,他們毫不退縮。」那時的人們不會想到,在300多年之後,1961年人類首次進入了太空,1969年人類首次登月。
1997年,世界上第一個量子隱形傳態實驗完成。十年後,我們中國科大的團隊首次能夠傳送兩個粒子的狀態。而到2016年,隨著「墨子號」的發射,我們的技術能力已經能夠實現地星間的1000千米量子隱形傳態。
如果人類要更深遠地探索宇宙,目前的飛行手段連離開太陽系都難以實現,但也許300年、500年之後,我們能夠利用現在量子科技的發現,找到進行星際旅行的新途徑。
作者:潘建偉
編輯:王星
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