绝了科技圈用这些比喻看量子丨思客问答

2022年10月29日 by 没有评论

普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、费米、薛定谔……20世纪科学界许多最为杰出的头脑,都为一个概念着迷——量子。

进入21世纪,仍然有无数的科学家与量子不断地“纠缠”,创造一个一个奇迹。

经过三十多年努力,中国量子科学梦之队,已经是世界顶级科学家,撑起了量子领域的一片天。但是在普通人眼中,量子以及量子科技仍是一种“神秘莫测”的存在,那在科技圈,量子是什么样的?量子科技又是怎样的尖端科技?研究量子有多难?科技圈流传的这些浅显易懂的比喻或许能解开你心中的疑惑。

物理学往往是违背人类直觉的,一个恰当的比喻,可以帮助大家理解违背直觉的物理定律。对于量子这个抽象概念,中国科学院物理所研究员曹则贤曾打过这样一个比方:我们生活中可以见到的、感知到的事物,包括光与能量的最小单位都能称之为量子。就像我们远处看鱼群是乌泱乌泱的一片黑,但是放大了看就是一条条鱼,这一条条鱼就可以说是鱼群的量子。

中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰在媒体上这样撰文解释:量子的本意是个数学概念,简言之就是“离散变化的最小单元”。什么叫“离散变化”?袁岚峰这样解释:我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、三分之一个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,不能上半个台阶、三分之一个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。

生活中有哪些量子的存在?中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授举例说,量子力学实际上早就应用到日常生活中了,例如现在我们用的手机、电脑,它的原理就是量子力学,但老百姓不知道它来源于量子力学。现在的手机、电脑是使用量子力学开发出来的经典技术,它们的核心装置是芯片,芯片里面的处理器基本单元是晶体管,晶体管是根据量子力学里面的能带理论制造出来的,晶体管造出来之后才有手机、计算机的芯片。还有当今互联网传输信号必须使用的激光,它是根据爱因斯坦的光量子辐射理论产生的,不过激光本身是经典的,它的量子效应很低,所以可以忽略。由此可知,现代的手机、电脑、互联网都是来源于量子力学开发的经典技术。

真正的量子科技确实离广大民众还很远,因为还没有一种量子产品成为老百姓的必需品。目前市场上有很多带着“量子”二字的产品,什么“量子水”“量子鞋垫”,这些都是假的,都不是量子产品,短时间内量子产品也不可能走进千家万户。

郭光灿教授介绍,展望未来的话,如果通用量子计算机得到了广泛应用,那么各个行业,医疗、农业生产、工业生产、人工智能,整个社会方方面面都会受到量子技术的影响,量子计算机能够超过电子计算机,密码领域量子通信可以提升传输的安全,量子传感可以测量很多很重要的参数。

医疗方面,我们生产新药物的速度会大大提高,这是因为新药制造需要计算机模拟哪个配方是最有效的,使用电子计算机模拟非常慢,但量子计算机很快就能计算出来,这就关系到老百姓的身体健康;人工智能方面,无人驾驶汽车传感器处理的速度会更快,性能就会提高;农业方面,量子计算机出来后,可以研究清楚光合作用是怎么回事,有科学家预言,如果这个应用研究成功了,太阳能的利用会从现有的10%提高到20%~30%,农业会出现跳跃式发展,全球老百姓的吃饭就不会有问题。

量子科技对于未来生活的影响可以说是颠覆性的,但很少有人知道,研究量子有多难。作为中国知名的空间光电载荷专家,中国科学院院士王建宇比喻,实现量子卫星“天地实验”,“相当于人在万米高空,把硬币扔进地面的一个储钱罐。”

中科院量子信息重点实验室副主任、中国科学技术大学教授郭国平说,研制量子计算机,就像“用原子垒起一座金字塔”。

2017年5月3日,世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生(新华社记者金立旺马研编制)

细分来看,我们在量子密码领域跟国际一流是不相上下的,但我不能说它领先,因为美国从2015年开始就不再公布他们的研究成果了,我们不知道他们在什么程度,自然也不能说领先他,但我们可以说不会输他,我们是一流水平。

在量子计算机上我们落后美国大概五年以上的水平,但我们在这个领域也占有一席之地。近期空客集团发起了一个竞赛,请全世界研究量子计算的人使用量子计算机来解决某些问题,一共有36个单位参加,入围决赛的5家单位中我国就有一家。

而在量子信息技术上,我们可以实现世界上最高维度的量子纠缠,可以实现最高粒子数的纠缠,也可以达到世界上最高的纠缠的保真度,所以我们量子信息技术也是居于国际前沿的。

▲潘建伟在中国科学技术大学的办公室内与“墨子号”量子卫星模型合影。新华社记者张端摄

中国“量子之父”、量子物理学家、中科院院士潘建伟介绍,我国在量子科技领域产出了多光子纠缠及干涉度量、量子反常霍尔效应、世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、量子保密通信“京沪干线”、世界首台光量子计算原型机等一批具有重要国际影响力的成果。

2016年8月16日,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星发射升空(拼版照片)。新华社记者金立旺摄

正如英国《自然》杂志评价的一样,中国在量子领域,“从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅”。未来,量子也会慢慢揭开神秘面纱,走入寻常百姓家。

《探“微观世界”抓“关键变量”——我国科学家与量子“纠缠”的故事》,新华社,2020年10月27日

《对话郭光灿院士:量子力学早已进入生活,量子科技将改变生活》,新京报,2020年10月26日

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