天天科普 | 被熱議的量子科技,究竟是什麼?

2020-12-03 澎湃新聞

近年來

「量子」一詞頻繁出現

經常聽說量子科技又有新的進展

然而很多人不免發出疑問

究竟什麼是量子科技

能給我們的生活

帶來什麼改變

中科院物理所研究員曹則賢老師在2020年跨年科學演講《什麼是量子力學？》中提到：

我們生活中的可以見到的感知到的事物，包括光和能量的最小單位都能稱之為量子。

就像我們遠處看魚群是烏央烏央的一片黑，但是放大了看就是一隻一隻的魚，這就可以說是魚群的量子。

圖源曹則賢老師2020跨年科學演講ppt

量子力學是人類探究微觀世界的重大成果，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生衝擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。

今天我們來研究一下：

什麼是量子？

為什麼說量子力學是量子科技的基礎？

量子科技會給我們的生活帶來什麼改變？

量子

1900年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的「紫外災難」問題。普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，而是一份一份的，一份「能量」就是所謂量子。從此「量子論」就宣告誕生。

普朗克，圖源中國科普博覽

愛因斯坦則認為光輻射不僅在於與物質相互作用時的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是「量子化」的，一份能量就是光能量的最小單元，後來稱之為「光量子」，或簡稱「光子」。

法國年輕的博士生德布羅意在愛因斯坦「光子」概念的啟發下提出：既然看似波動的光輻射，具有「粒子」特性，那麼像電子這類看似「粒子」的物質，也應具有波動性。

這就是「德布羅意物質波」的概念，由此引發後繼大量理論與實驗研究，證實所有微觀粒子都同時具有波動性和粒子性二象性。這些奇異特性的微觀粒子構成「量子世界」，遵從量子力學的運動定律。

德布羅意，圖源中國科普博覽

我們按物理運動規律的不同，將遵從經典運動規律（牛頓力學，電磁場理論）的那些物質所構成的世界稱為「經典世界」，將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為「量子世界」。

量子就是量子世界中物質客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導體、「薛丁格貓」等宏觀尺度下的量子系統，它們的共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。

舉一個例子說明「量子」與「經典」的本質區別，經典世界的特點是物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的：電晶體要麼導通，要麼關閉，完全確定。即經典信息要麼是0，要麼是1，毫不含糊。

圖源網絡

但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實驗技術無關，是量子世界的本質特徵，無法消除。

量子科技的基礎是量子力學

量子力學建立以後，成為整個微觀物理學的理論框架，取得一個又一個的成功。比如解釋了化學中元素周期表、化學反應、化學鍵、分子的穩定性等等，都是在電子和原子核的電磁力作用下，由量子規律所導致。

量子力學也在幫助我們理解宇宙，宇宙跨越各種尺度，從最小、最微觀的基本粒子到原子分子，再到可以看見的宏觀世界，到天體，到整個宇宙。

從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構成的凝聚態物質，量子力學都起了重要的作用，也因此成為現代技術的基礎。

量子力學帶來了非常豐富的科學技術應用，也將深刻地改變我們人類社會的文明進程。例如，它讓我們擁有了新的能源——來自原子核的能量，也讓我們能夠更有效地利用太陽能。

量子力學為信息革命提供了硬體基礎，雷射、半導體電晶體，晶片的原理都源於量子力學。量子力學也使得磁碟和光碟的信息存儲、發光二極體、衛星定位導航等新技術成為可能。

從x射線到電子顯微鏡、正電子湮沒、光學和核磁共振成像等等，量子力學為材料科學、醫學和生物學提供了分析工具。

近年來，基於對單個量子態的操控，量子科學技術又出現了新的方向和領域，迎來量子科技的第二次高潮，也可以說是第二次量子革命。而其中最重要的就是量子通信和量子計算。

量子通信是指使用量子態攜帶所要傳送的信息，使用量子糾纏作為傳輸信道。兩個處於糾纏狀態的量子就像有「心靈感應」，無論相隔多遠，一個量子狀態變化，另一個也會隨之改變，愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」。

與傳統通信方式相比，量子通信在高效信息傳輸、抗幹擾能力等方面具有絕對優勢，是迄今為止唯一通過數學方式被嚴格證明的絕對安全的通信方式。

量子計算則是通過巧妙地操縱量子疊加態，使用量子力學原理作為計算邏輯。基於量子糾纏的原理，量子計算機可以同時進行多條線路的並行運算，這意味著它可以同時分析所有可能性，這也是量子計算機超強信息處理能力的根源。

通過巧妙地設計操作疊加態的演化過程，能夠快速解決某些計算問題，比如破解RSA加密算法。

當前最常用的2048位RSA密碼，使用超級計算機破解需要約80年，而谷歌和瑞典斯德哥爾摩KTH皇家理工學院的一項最新研究成果，演示了量子計算機如何用2000個量子位來計算，可以在8小時暴力破解2048位RSA密碼。

IBM將量子計算機連接至雲端，圖源網易科技

量子科技帶來的改變

量子通信給我們的未來描繪了一幅令人遐想的圖景，通過量子衛星與地面光纖網絡構建新型的通信系統，通過與經典通信網絡相融合，未來將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網絡，結合量子通信保密的特性，可以全面提升信息安全水平。

而利用廣域的量子通信網絡，我們將可以發展出空間解析度極高的望遠鏡技術，便於更大規模的宇宙探索。

也可以構建高精度的光頻率傳遞網絡，精度相比現在的微波時頻網絡可以提高4個數量級。

量子計算以其強大的計算能力，更加便於對各種複雜系統的研究。在未來化學研發領域，量子計算在大幅減少研發時間、更少使用資源消耗和實現更高效環保工藝等方面存在巨大潛力。

它可以幫助研發人員在很短時間內對複雜的化學反應過程進行數字模擬和評估，從而更加快速地獲得很多關鍵知識。

在醫學領域中，需要大量的計算資源來模擬結構生物學及蛋白質結構，這也造成藥物開發的過程相當複雜耗時。而量子計算機可以在短時間內繪製出數以萬億計的分子組合模式，迅速確定最有可能生效的組合，可以有效壓縮新藥物的研發成本與時間。