量子究竟能干啥?

2015-03-19 22:17:23来源: 一财网
    “嗖”地一声,整个人被传送到千里之外;远隔千里,毫无延迟地快速通信;大量千年无解数学难题分分钟内得到破解……
搭上政协会议的东风,“量子”火了一把。
据新华网报道,政协委员、中科大副校长潘建伟透露,中国正在北京与上海之间加紧建设世界最长量子保密通信骨干网络工程——“京沪干线”,并实施战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”工程。
一石激起千层浪,人们的好奇心和想象力被激发, 甚至出现了“瞬间传送”、“超光速”等“激动人心”的展望。
不过,事实会让很多人失望。是否能够实现“超光速”传播和“瞬间传送”,目前学术界还存在争议,相当长的一段时间内还是幻想。
那么,到底走近我们的“量子”能做什么呢?
量子再引人注目
量子上一次引发人们的普遍关注,是在2012年。2012年10月9日,瑞典皇家科学院会议厅,瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克宣布将2012年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日?阿罗什(Serge Haroche)和美国物理学家戴维?瓦恩兰(David J. Wineland)。随后,诺尔马克阐述了“突破性的实验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”的获奖理由。
量子究竟有哪些奇妙之处呢?
量子此次被关注,是量子纠缠的奇妙特性。量子纠缠,是指成对出现的量子之间的“心灵感应”。如果强行将两者拆散,两者状态依然是不确定的,但通过外界观测其中一个,将其参数固定,另一个会“感应”到这一变化,也固定下来。就像装在黑袋子里的两个小球,每时每刻都在红绿两种颜色中变化,但你从黑袋子里掏出一个小球,发现它是红色的,那么另一个小球就会自动变成绿色。这种特性就是量子通信的基础。
在量子这一领域,中国学术界,尤其是潘建伟领导的研究小组,是不可忽视的一支力量。
据媒体报道,2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。2005年,该小组在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国科大——清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。2010年,该联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,16公里的传输距离比原世界纪录提高了20多倍。
到今年为止,这些突破更多地是在学术界引起反响。而潘建伟所透露出来的信息,让人们似乎感到“量子”已经来到我们身边。
不过,量子究竟能给我们带来什么,很多人仍然迷茫不清。
量子通信:安全性提升更为明显
量子纠缠并不受光速的影响,这让很多人希望通过量子通信解决通信延迟问题。虽然事实上,现阶段还并不能实现。
打过越洋电话的人,如果比较敏感,会察觉通话过程中些微的延迟。这种延迟更多是由于途经的各种路由设备等造成。毕竟对于地球四万公里的周长,即使是地球的对面,由于光速限制造成的延迟仍然只有2/15秒(单向1/15秒)。然而,如果你和位于太阳一样远的人通信,发出的信息需要8分钟才到达,16分钟之后才能收到回复,这种延迟就有点无法忍受。
量子通信,是将处于量子纠缠状态的一对量子置于两地,在一地通过观测等手段确定量子状态之后,另一地会同时发现量子状态的变化。即使两个量子远隔几光年,这种“心灵感应”无需时间。那么,量子通信是否能突破延迟的限制呢?
这一目标目前还不能实现。单是量子状态的改变,并不能确定信息的内容,还需要知道另一端的观测手段,才能反推出信息的内容。因而,必须用常规通信方式将“观测手段”发送给收信方。
打个比方,量子就像一个带有自毁装置的密码箱,密码箱用飞机送到你手里,你收到了箱子却看不到箱子里的内容,必须要等待只能用火车送过来的密码。那么,你看到信息的速度依然受限于火车而不是飞机。这就限制了“超光速”传递信息的可能性。
那么,量子通信的好处在哪里?
最大的好处就是更高的安全性。由于对量子的任何外界扰动都会使其状态发生变化,而其“心灵感应”又不需要传送过程,因而,在发送量子过程中、确定量子状态过程中,都无法通过外力“监听”,即使“监听”,也会马上被通信者发现。就像你的密码箱,如果别人接触就会自毁,你会马上发现;如果别人不接触密码箱,截获了密码依然无法得知箱子中的内容。
目前,各个国家都在尝试量子通信。1997年,科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。潘建伟曾在一次公开讲话中介绍到,国际上很多科研小组都在量子通信方面进行研究,2007年,美国的小组和中国的小组都利用光线达到100公里、200公里的传输距离。2008年,我国在合肥开始构建全量子通信的网络,当时欧洲也在尝试构建这样的网络;2010年,日本也构建了量子通信网络。潘健伟透露,2016年,我国的第一颗量子通信卫星将升空。
另一方面,潘建伟还提到,量子通信不仅能传输信息,由于其携带的信息完整,可以异地复制原子的状态,大量的原子状态传递,就可以复制出一个相同的物体。他打比方说,相当于在异地忘带了钥匙,让远方的同事发送过来钥匙的模型,就可以在异地复制出一把一摸一样的钥匙。2010年,中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,传输距离达16公里。
不过,目前的技术水平一次能够复制的原子还很少。由于一把钥匙蕴含的原子数目过于巨大,全部信息的传递需要以万年计算的单位来完成,对真实物体的传送或者说复制,短期内尚不能实现。
量子计算:破解宇宙的奥秘
与量子传输相同,量子计算也是目前研究者们不断探索的领域。
量子计算机中的每个数据由不同粒子的量子状态决定,所以计算时采用的量子数据位在同一时间内能够呈现出多种状态——既可以是1也可以是0,传统计算机在运算中采用的传统数据位在特定时间内只能代表一个状态——1或者0。这使得,传统计算机操作一个n位数据的同时,量子计算机可以操作2的n次方量级的数据。这有点像那个知名的故事:一个国王要赏赐国际象棋的发明者,发明者提出,要在棋盘第一格放置1粒小麦,第二格放置2粒,依此类推,放满64格棋盘。结果计算出的麦粒总数需要全世界生产两千年才能完成。一个64位量子计算机与传统计算机的计算能力,理论极限正如棋盘与麦粒总数的比较。
量子计算机的惊人潜力也吸引了众多参与者。谷歌和NASA(美国国家航空航天局)一起,对由D-Wave制造的量子计算机进行了联合投资。在可商用的量子计算机前进路径上,总部位于加拿大的D-Wave公司虽然饱受质疑,却是走的最快的一个。其采用的量子芯片使用了特殊的铌金属(元素符号Nb,一种类似于银,柔软的、可延展的金属)材料,在低温下呈超导态,其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态,而这正可以用来实现量子计算。但这种手段也被学术界认为并非是真正的量子计算机。不过,D-Wave确实销售出了若干台该设备,据报道,其成功销出2台D-Wave2计算机,单台价值超过1000万美元。
2013年,Amherst College的计算机科学家进行了一次量子计算机与普通电脑之间的较量。实验室用的量子计算机正是D-Wave 2,包含439个量子位。D-Wave的芯片运转时需要被冷却到接近绝对零度的温度(0.02K, -273.13C),同时由于量子位的不确定性,每一个计算都需要进行上千次以确保其精确性。结果表明,D-Wave的硬件异常强大,比普通的软件计算速度快4000倍,不过其价格是其对手的6666倍。另外,其在某些项目中表现突出,甚至可以达到10000倍,而在某些项目中与传统计算机相差不大。
一位科学界人士向记者表示,在某些算法上,量子计算机带来的提升是“非线性”的,正如棋盘和麦粒的故事;而在某些算法中,量子计算机没有这么突出的表现。“不过,其仍然会有线性提升,例如几百或上千倍,但无法达到几十万倍的惊人速度。”
让人担忧的是,在量子计算机能够“非线性提升”的某些算法中,有些会动摇目前数据世界的根基。例如,对质因数的分解。
2012年,加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的一组研究人员宣布其已经设计并制造出一台量子处理器,能够将一个合数,如15——分解成其质因子,3和5。
该论文的第一作者埃里克?卢塞罗(Erik Lucero)称,大数质因子分解是网络安全协议的核心,如最常见的RSA加密。他说道:“任何时候你发送一个安全的传输数据——如你的信用卡信息,你所依赖的安全性都基于一个事实,即确实很难找到大数的质因子。”
他进一步解释说,利用传统计算机和广为人知的经典算法对RSA实验室公布的最大的数(包含超过600个十进制位数)进行质因子分解,需要的时间长达几百亿年,比宇宙的年龄还长。但是量子计算机可以将用时缩减到几十分钟。“量子计算机解决这个问题比传统计算机快得多,用时相差15个数量级。”卢塞罗称,“这将产生极为广泛的影响。量子计算机将从多方面颠覆游戏规则,其中必然包括计算机安全。”
不过,量子计算机带来的未来更为吸引人。众所周知,计算机技术在解决很多数学难题的过程中功不可没,而科学家也希望量子计算机能够解决更多数学难题。这些又将改变我们的生活。
目前,量子计算机给人们的印象不过类似于一个玩具,只是口中的谈资,但是在不久的将来,它将引领计算机世界的潮流。
量子应用重大事件
●1982年,诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)提出“量子计算机”的概念。
●1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能够完成对数运算,而且速度远胜传统计算机。
■在1997年,科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。
●2005年,世界第一台量子计算机原型机在美国诞生,它基本符合了量子力学的全部本质特性。
●2007年2月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。
■2007年,维也纳大学(University of Vienna)的安东·齐林格(Anton Zeilinger)和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛(Canary Islands)的两个岛之间传输了一份量子信息,传送距离超过了143千米。
●2010年1月,美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。
●2010年3月,德国于利希研究中心发表公报:该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。
■2010年,中国科大——清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,传输距离达16公里。
●2012年3月,IBM做到了在减少基本运算误差的同时,保持量子比特的量子机械特性完整性。

关键字:量子

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0319/article_40793.html
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