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量子科技:带来无限可能

17-02-10 09:13来源:经济日报

  量子是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称,是目前物理世界已知的最小基本微粒。日常生活中无处不在的光就由大量光量子组成。在量子力学中,科学家聚焦的是:在单个原子或次原子粒子尺度上,物质与能量的行为和相互作用。相较于宏观物理世界,量子有很多奇妙特性,诸如量子叠加和量子纠缠。其中,对通信最重要的影响是“量子纠缠”。量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物,它包括量子密码、量子通信、量子计算机等,近年来,在理论和实验上都取得了重大突破。

  20世纪90年代,物理学家在理论上证明,对微观世界的物体而言,借助神奇的“量子纠缠”,可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,而不用传送物质本身。将量子力学理论和信息技术结合,通过对光子、原子等微观粒子的精确操纵,信息编码、存储、传输等处理方式将会发生革命性变革。

  由于一个量子单元的行为能瞬间影响另一个量子单元,从而改变被测量物质的状态,这一特性意味着,不可能实现对一个未知量子单元的精确复制。基于这一原理,科学家提出了量子密码的概念,也就是用具有量子态的物质作为密码。

  量子密码是应用量子纠缠效应来进行信息的保密性传输,它的优点在于:不必在密码编辑上劳神费力,甚至根本不用常规密码,直接把信息以纠缠态方式发送,即可完美保密。原因是,当黑客闯入传输网络,光子束会出现紊乱,每个节点的探测器都会指出错误等级的增加,从而发出受干扰警报;发送与接收双方也会随机选取比较,全部匹配才会确认信息没有被窃听。这样一来,黑客就无法不留痕迹地闯入一个量子系统,甚至连尝试解码这一举动,都会导致量子密码系统改变原有状态。当然,即便有黑客成功拦截获得了一组密码信息的解码钥匙,也仅是乱码信息,而在完成这一举动的同时,也导致了密钥的变化。当合法的信息接收者检查钥匙时,则可以从量子态的改变中知道密码曾被截取过,一旦发现破绽,就会马上更换新的密钥。

  量子密码的出现使密钥的安全性产生了全新变化。将量子密码应用于量子通信系统中,就成了量子保密通信。随着量子通信技术产业化和广域量子通信网络的实现,用不了太多时日,量子保密通信作为保障信息社会通信安全的关键技术,将会走向大规模应用——广泛应用于政治、经济、科技、金融等重要领域,为信息化社会提供基础的保密服务和最可靠的安全保障。

  除了安全保密外,“神速”也是量子通信的另一大优势。传统通信的算法基础是0或1,而量子通信是量子单元,不仅含有0或1,还有0和1共存的状态,所有单元可同时完成逻辑运算,同时完成多重任务。量子计算机的这一特性,注定了量子通信的速度将比现在的通信速度大大提高。例如,4G网络延迟时间为50毫秒,无线电信号从火星传到地球要延迟十几分钟。而采用量子通信技术,不受传输距离影响,可消除延迟现象,实现“即时”通信。在未来,量子通信即时沟通的优势将大有用武之地。

  显而易见,量子特性在信息领域中有着独特功用,在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量等方面,将突破现有信息系统的极限。量子通信可以从根本上杜绝窃密,确保信息安全,并能够极大提高信息处理速度。量子通信大规模推广应用后,“量子互联网”将顺理成章取代现如今的互联网。

  而量子信息技术实用化的难点在于,对多粒子纠缠的操纵,这也是量子信息处理的核心物理资源。科学研究证明,要实现有实用价值的量子模拟机和量子计算机的基本功能,起码要实现几十到上百个量子比特的纠缠。目前,科学家仅能一次性将12种粒子纠缠起来;而量子计算机要实现商业化应用,至少需要将这一数字增加数十甚至上百倍。看来,量子通信的阶段性成果触手可及,而有决定性意义的成果还需再接再厉!

  当然,量子理论的应用远超计算和通信领域,量子科学带来无限可能。正如爱因斯坦所说:“我们现在所看到的只是一个尚未完全理解的真正实体的局部。”通过量子理论,人类将有机会在微观和宏观世界之间架设桥梁。

  总之,利用量子理论来变革信息技术,有望实现对信息处理能力的革命性突破,量子计算机和量子通信不只存在于科幻小说中,而是越来越接近现实世界。量子科技在推动人类社会文明进步方面将发挥颠覆性作用,要进一步创新技术和变革理念,以更好地操控多粒子纠缠,进而推动量子产业发展壮大。

 编辑:[穆好强]
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