“接地气”的量子

中国军网 2016-08-17 11:27 评论数:

“接地气”的量子

多年来,科学家们努力运用量子世界种种奇异的性质开拓出适用于经典世界的新技术,将向来被公众认为高深莫测“诡异”的量子物理从云端落地到人世间,服务社会大众。

其实,量子理论是一门非常实用的学科。

早在第二次世界大战之前,它的原理就已经被运用于分析金属和半导体的电学和热学性质。战后,晶体管和激光器这两个运用量子理论原理的广为人知的装置,更是极大地推动了信息革命的发展。

到本世纪初,在我们的周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到我们的生活中。

计算能力的飞跃,是量子理论的重要应用之一。在经典计算机中,每个比特都只有0和1这两种状态。但在量子计算中,每个比特可以处在0和1的叠加状态上,一旦操纵的量子数目增多,它就会以指数增长的形式来提升运算速度,有并行运算的能力。

比如利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年,利用万亿次量子计算机,只需要1秒。同样,在大数据和人工智能里,求解一个亿亿亿变量的方程组,利用目前最快的亿亿次“天河二号”计算机大概需要100年左右,但是如果利用万亿次的量子计算机,只需要0.01秒。

量子计算的应用非常广泛,不仅可以解决大规模的计算机难题,破解经典密码,进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探,而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。

不过,量子纠缠“分身术”的特性有一个更为直接的应用,便是量子保密通信。

现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里,外面得不到能量,所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展,只需让光缆泄露哪怕很少一部分能量,我们就能够窃听光缆传递的信号。

这是因为经典通信的信号只有0和1,发生窃听时,这两种信号不会被扰动。比方说,两人打电话时,他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子,使其进入另一根线路,从而实现窃听,而通话者无法察觉。“棱镜门”等事件的曝光便是最好的例证。

而量子通信则完全不会出现这个问题,这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥,整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。

比如,甲、乙二人要进行安全通信,甲发出的光子信息状态有水平、竖直、45°等,假设有人窃听,由于光子不可分割,首先窃听者根本无法分割出“半个光子”;其次,因为单次测量测不准、不可克隆的量子态特性,窃听者无法复制信息;第三,一旦窃听者截获光子,乙就收不到信息,也就不存在窃听。

无论怎样,根据量子力学原理,窃听都可以被发现。一旦被发现,原有密钥立即作废。甲就可以把没有被窃听的密钥传送过去,利用产生的密钥进行一次一密完全随机的加密。所以,利用量子不可克隆和不可分割的特性可以实现安全量子密钥分发,实现不可破译的保密通信。

诚然,神秘的量子世界令人着迷,亦令人困惑。但对我们而言,量子世界的威力已变得不再陌生。在人类生活中,手机、电脑、互联网等这些来自量子世界的果实无处不在。

然而,人们所感受到的量子技术还只是冰山一角。在探求量子世界奥秘的旅程中,人们仍在孜孜以求。

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