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第二次量子革命大规模提升计算机运算速度 促进行业发展

第二次量子革命大规模提升计算机运算速度 促进行业发展
2020-10-22 14:07:21 来源:光明日报

开尔文于19世纪末提出的黑体辐射,是物理学世界的两朵“乌云”之一。为了解决这个难题,量子力学之父普朗克提出,光的能量可以分成不连续的最小基本能量元,从而拉开了量子世界的帷幕。爱因斯坦也因为提出光电效应的量子解释,获得了诺贝尔物理学奖。海森堡、薛定谔、玻尔等科学家基本完成了量子力学的理论框架。第一次量子革命催生了晶体管、激光、核磁共振、全球定位系统等现代技术,使人类进入信息时代。也是在这一次信息革命中,美国在全世界奠定了霸主地位。

近些年来,随着实验技术的进步,人类可以对微观体系的量子态进行精确的检测与调控。量子调控技术的进步有望推动第二次量子革命,对未来社会产生本质的影响。10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习,习近平总书记在主持学习时强调:“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。”

量子信息技术基于量子叠加与量子纠缠等原理,主要包括量子通信、量子计算、量子精密测量等,有希望突破传统技术瓶颈,大规模提升计算机运算速度,确保信息通信绝对安全、数量级提升测量精度。

对于经典计算机,参与逻辑计算的比特为“0”和“1”两个态,并通过经典算法来实现对信息的线性处理,这种经典的系统被称为二进制系统。而量子计算则采用量子比特,除了“0”“1”之外,二者叠加还可以构成更多的态,成为叠加态,是“1”和“0”两种状态不可分解的相干叠加。构建量子比特的基元可能是光子、原子、电子、微小的超导环,或者更神奇“任意子”(如常见的马拉约那费米子)。

量子比特之间的纠缠使得量子计算机能够实现并行计算。随着量子比特数量增加,量子计算能力可呈指数级规模拓展,在理论上具有惊人的携带信息及并行处理的应用潜力。2019年9月,谷歌公司研制了一个包含53个量子比特的量子芯片,执行一个特定的计算任务用了3分20秒,而对于同样的任务,采用目前最强的超级计算机并且经过理论优化后,完成这项任务也需要2.5天。虽然量子计算机显示了其强大的潜力,但是距离我们一般人在日常生活中使用上量子计算机,还非常遥远。可以说,量子计算机与经典计算机的差异远大于经典计算机与算盘的差异。

关于量子通信,目前的应用方式包括量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发是原理上绝对安全的通信手段,是目前仅有的得到严格数学证明的通信方式。在量子密钥传输过程中,窃听者无法做到既偷看又不留下痕迹。而量子精密测量则能在时间、磁场、重力、遥感等诸多领域,获得远高于当前的测量精度和灵敏度,在民生和国防上都具有重要的战略意义。

虽然错过了第一次量子革命,但我国科学家在量子信息技术各领域已经取得了多项突破性进展。比如,薛其坤院士团队在实验中发现了量子反常霍尔效应;潘建伟院士团队利用“墨子号”科学实验卫星,成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发。伴随着国家的不断投入,我国未来有希望成为量子信息强国,为人类科学技术发展作出应有贡献。(作者:王永锋)

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