您好,欢迎来到量子世界!
时间:2019-04-05 01:28:51 来源:武陟资讯网 作者:匿名


在对撞机和引力波之后,另一个“高冷”物理术语——量子逐渐从幕后移动到前方。在科学家眼中,这个令人困惑的量子的神圣性是什么?它有什么神奇的特技,它是什么?

在最近两院的院士会议上,中国科学技术大学教授,中国科学院院士潘建伟对量子进行了精彩的介绍。

图为“墨子”量子科学实验卫星和阿里量子隐形传态实验平台建立的天地联系(合成照片)。

神奇的量子

量子是最基本的物质单位。由于其相干叠加,它可以产生“量子纠缠”。与相对论一起,它带来了第二次科学革命。

一旦确定了初始状态,根据机械方程,可以准确地预测所有粒子的未来运动状态。——这是基于牛顿力学的。

“如果你按照这种想法思考并进一步思考,那么在大爆炸时确定的一切(例如今天的会议)是否真的有意义?但人们显然有自由意志。”潘建伟引用了霍金的话说:即使你相信一切都注定了白天,你也会在过马路时看到它。

“所以,尽管我们对牛顿力学非常满意,但我们仍然不同意其中的决定论。”潘建伟说。

在上个世纪初,由于普朗克,爱因斯坦,玻尔,海森堡等许多杰出科学家的共同努力,以及另一门科学门的慢慢开启。是什么改变了牛顿力学的基本概念?其中之一是量子力学。量子是最基本的物质单位,也是最基本的能量载体。这是不可分割的。所有已知的微观粒子,如分子,原子,电子和光子都是量子的形式。

根据经典物理学,一个对象的状态(由0和1表示)就像最简单的二进制打开和关闭,只有一个打开或关闭的状态,即0或1,这就像猫是出生或死亡,不能同时“生死”。但这一理论并不适用于量子世界。 “例如,在量子世界中,氢原子的状态可以是激发态和基态的相干叠加,并且可以在0和1的状态下同时共存。”潘建伟举了一个例子。这种所谓的量子相干叠加是量子世界和古典世界之间的根本区别。因此,存在量子力学的不确定性原理:一般来说,量子系统中物理量的值不能预先确定,而是取决于什么样的测量基数,进一步,对于量子纠缠中的两个粒子,测量其中一个粒子将立即确定另一个粒子的状态,无论它们相隔多远。这是“量子纠缠”,爱因斯坦称之为“幽灵般的超距离”。

潘建伟做了个比喻:一个代表团从北京到法兰克福。如果你在飞行途中睡着了,你不知道是通过莫斯科还是新加坡。当你去北京时,他们会感到“冷和热”,而且似乎在同一时间穿越。两条路线。但是,如果你在飞行时一直看着你的眼睛,或者你有一个测量仪器,那么检测到的状态是飞机只能在一条路线上。当代表团到达北京时,要么感觉冷,要么感觉很热。

“叠加原理认为量子物体可以处于不确定状态,即使在测量之前,即使上帝不知道,观察者的行为也会影响系统的演化。这种颠覆性认知与理论一起相对论,带来了第二次科学革命,导致了新的工业变革。“潘建伟说。

参与的科学家们认真听取了潘建伟院士的讲话。

安全的沟通

量子相干叠加原理产生的量子保密通信成功克服了传统加密技术的固有安全隐患,可以从根本上解决信息安全传输问题。

从春秋时期的胡甫到古希腊的加密棒,以及罗马帝国凯撒发明的角色运动加密,到第二次世界大战期间出现的复杂密码......人类对信息安全的追求从未停止过

为了确保授权用户身份不被盗,加密算法可用于身份认证;为了确保在传输过程中不窃听信息,可以进行传输加密;为了确保传输内容不被篡改,加密算法可以用于数字认证。从某种意义上说,信息安全现在基于加密算法或加密技术。

“然而,经典的加密算法依赖于计算复杂性。如果计算能力足够强,原则上就会被破解。人们长期以来一直怀疑'人类智能不能构造人类自己不可破解的密码',这就是当前经典加密算法。面临的困境。“潘建伟说。幸运的是,量子力学的发展已经为解决这个问题做好了准备。量子叠加“分割手术”具有最直接的应用之一。——是一种广为人知的量子安全通信。

潘建伟说,科学家可以使用单光子传输密钥。如果窃听者想拦截单个光子,测量其状态并发送它,则单个光子将从原始状态“0 1”变为0或1,并且干扰将在通信中被引入并且将被用户。当然,在经典光通信中还有另一种窃听方法。——截取部分光,让其余部分继续发送,并仅对截取的部分执行状态测量以获得关键信息。然而,由于单个光子是不可分离的,窃听者不能像在传统的光通信中那样将信号分成两个相同的一半,并且窃听也会失败。

“量子通信克服了传统加密技术的固有安全风险,因为它的安全性并不依赖于计算复杂性。这是一种原则上无条件安全的通信方法。一旦有窃听,就必须发现它。”潘建伟说。

单光子的不可分性和量子态的不可再现性保证了原则上不窃取信息。结合“一次一秘”加密方法,信息可以无法解析,从而保证身份认证和传输加密。和无条件安全的技术手段,如数字认证。

然而,在现实条件下实现长距离量子通信并不像听起来那么简单。由于量子信号不能被复制,所以它不能被放大,并且随着传输距离的延长,信号变弱。例如,在长度为1200公里的商用光纤中,即使是理想的单光子光源,其穿孔率为每秒100亿,而且完美的探测器也需要数百万年才能传输量子比特。这种传输速率显然不适合长距离传输。

怎么做?目前,有两种可行的方式得到国际认可:一种是使用中继器进行分段传输,另一种是利用卫星中继进行自由空间单光子传输,实现数千公里乃至全球量子通信。

2016年,随着世界上第一颗量子科学实验卫星—— Mozi的成功发布,实现“绝对安全”的梦想向前迈进了一步。 “去年,千米级量子密钥分配率达到1 kbps,比同程光纤高出20个数量级;现在,每秒可以稳定地分发100,000个密钥甚至数十万个密钥,“潘建伟说。充满希望的未来

潘建伟说,以量子信息技术为代表的第二次量子革命必将在人类社会物质文明中取得巨大进步。

量子通信不是唯一的应用。

在大数据时代,人类对计算能力的需求正在增加。然而,人类目前拥有的计算能力仍然非常有限。例如,世界上计算能力的总和无法在一年内完成280个数据的详尽搜索。同时,随着晶体管的尺寸接近纳米尺度,晶体管的电路原理将不再适用。超大型处理器集成的超级计算机也面临着不可持续的开发模式,因为它具有令人难以置信的能耗。以AlphaGo为例,下一组Go需要消耗10吨煤。

“利用量子相干叠加原理,可以构建具有强大并行计算和仿真功能的量子计算机。”潘建伟说,量子计算机的计算能力随着可操纵粒子的数量呈指数增长,这是一种操纵100个粒子的量子计算机,特定问题的处理能力可以达到目前全球计算能力的100万倍。使用teraflops分解300个大数字大约需要15万年。这是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基石。——现有的计算能力无法在短时间内破解密码,但具有工作频率的相同A量子计算机只有一秒钟。可以看出,一旦量子计算机成功开发,对现有密码系统的影响就会崩溃。然而,量子力学为破解密码提供了“最尖锐的矛”,它也为我们提供了信息安全的“最强盾”。——量子通信的安全性与计算能力无关,即使在量子计算机时代也是如此。保证信息的无条件安全。

当然,量子计算机的创建需要时间。 “那时,量子计算可以为人工智能,密码分析,天气预报,石油勘探,遗传分析,药物设计等所需的大规模计算问题提供解决方案,并且可以揭示量子相变,高温超导,以及量子大厅。影响等复杂的物理机制,“潘建伟说。

此外,使用高精度量子信息处理技术还可以实现超出经典技术极限的量子精度测量,用于物理信息,如时间,位置,重力等,大大改善卫星导航,激光制导,水下定位,医疗检测和重力。波检测的准确性和准确性。例如,使用最好的传统自主导航技术,经过100天的水下导航,定位误差为几十公里,有必要定期使用卫星校正。诸如原子干涉重力仪的高精度量子自主导航系统用于水下导航。这种能力可以大大提高,无需卫星校正即可实现长期自主导航。“第一次量子化革命对我们20世纪的社会和生活方式产生了巨大的影响。可以预见,以量子信息技术为代表的第二次量子革命必将在人类社会的物质文明中带来巨大的进步。”潘建伟说。

其他人都在看

? 6个关键字!跟随习近平主席对上海合作组织的深刻理解

?注意!第一个民用高铁线路设计获得批准

?双语·外贸| 3D打印角膜即将到来

你的眼睛是正确的吗?当我知道真相时,我的眼泪掉了下来......

编辑/李丹丹

来源/经济日报(记者沉辉)