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我国量子通信和量子计算研究现在是什么水平?

作者:时间:2019-03-07来源:网络收藏
编者按:“曼哈顿计划”改变了20世纪的世界格局。“第一次量子革命”时,因为历史原因,中国并没有太多的参与,但现在“第二次量子革命”是一个非常好的机遇,是一个能够使我们从之前的跟随者、模仿者变为引领者的机会,希望中国的科学家希望在“第二次量子革命”里能够发挥非常好的作用。

  很多人都打过保龄球,这个新游戏里面让保龄球通过两个狭缝,最终会在后面的屏幕上留下两个痕迹。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201903/398300.htm

  如果把保龄球缩小为一个电子,重新玩这个游戏。此时,一个非常奇怪的现象出现了。如视频最后所示,屏幕中会出现多条明暗相间纹。

  

量子“保龄球”实验结果

  量子“保龄球”实验结果

  如下图所示,经典世界和量子世界形成了非常鲜明的对比。经典世界是我们都非常熟悉的,球打过去就是这样的结果。在量子世界,有点像孙悟空的分身术,球的两个分身可以一起经过左右两条缝隙。

  

左:经典世界  右:量子世界

  左:经典世界 右:量子世界

  这就是量子世界不同于经典世界的一个非常奇妙的特征,量子世界允许一个物体同时存在于多种状态。

  主要就是依赖于这个特性。计算的基本单元是0和1,例如,我们可以用图中的红色和蓝色路线分别代表0和1。

  

量子世界

  量子世界

  1个量子比特中,0和1两种状态同时存在;50个量子比特,有250种状态同时存在。这些状态同时输入一个函数,可以同时得出250种状态的结果,提供一种非常快速的并行计算方法。

  但如果我们想看以下量子的保龄球到底是从左边(红色)还是右边(蓝色)过去的,此时,一个更加奇怪的现象出现了。

  如果没有人观测,量子会从两边同时经过,一旦有人观测,这种量子现象就会消失,退化回到经典现象。

  所以,量子的状态和其是否被测量相关。这种性质是量子保密通信原理的一个形象描述,就是说,一旦有人窃听的通道,他不可避免地会扰动、改变量子状态,从而使通信双方察觉,这样,在物理原理上保证了通信的安全性。

  

量子通信保密原理

  保密原理

  量子的应用

  很多人觉得这个听起来有点意思,但是似乎感受不到高冷的量子物理和我们生活的关系。其实,过去的一百多年,自量子力学发展以来,它所催生的各种技术已经彻底改变了我们的生活。

  比如,我们今天使用的计算机、笔记本电脑、手机的芯片,其基本的计算单元是晶体管,就是基于量子力学中的能带理论发明的。

  激光也来源于量子力学,我们使用的硬盘(巨磁阻)、硬盘,还有LED发光等,都依赖于量子力学。但是之前的这些量子技术,都是基于量子规律的宏观应用。

  

第一次量子革命

  第一次量子革命

  最近几十年,物理学发展到新的阶段,即使有百亿亿个光子,在实验室里可以精准地控制一个一个的光子、一个一个的原子。这些技术正在催生“第二次量子革命”的一些新技术,包括安全通信、超快计算、精密测量等技术。

  

第二次量子革命

  第二次量子革命

  我国量子技术的发展

  改革开放40年,很多方面发生了翻天覆地的变化。回顾过去会对这种变化有更加深切的感受。我们把时间轴拨回1996年,当时,我的导师潘建伟老师刚去奥地利留学。

  有一天,他兴冲冲地去找他的导师安东·塞林格,说自己通过计算发现了一个有趣的理论方案。讲完这个方案后,安东问他有没有听说过“量子隐形传态”,潘老师说不知道。

  

左:Anton Zeilinger   右:潘建伟

  左:Anton Zeilinger 右:潘建伟

  由于当时互联网水平的限制和国际期刊在国内的普及程度不够,在不知道1993年Bennett等人的PRL文章情况下,潘建伟就重新独立推导出了量子隐形传态,这是量子信息中的一个核心方案。

  从到达因斯布鲁克的第一天开始,导师安东就问潘建伟的留学梦想是什么,他回答说:“要在中国建立一个世界一流的量子实验室”。



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