谈及量子科技,首先得了解什么是量子科技。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。
伟大的科学家爱因斯坦就提出了“光量子”的概念,也就是所谓的光子。并且提出光同时具有波动和粒子的属性。在量子所处的环境里,如果两个粒子在经历了一段时间的耦合作用之后,他们之间就会产生一种纠缠的现象。
无论两个粒子之间的距离是多少,其中一个发生了变化都会影响到另外一个。他们之间是跨越了空间的阻力,再举一个小例子:如果要破除目前一个密码系统,使用全球最先进的计算机去进行计算的话可能需要60万年才能完成。但是使用量子计算的话可能只需要短短三个小时就能完成。这就是将我们的空间的光声点通过物理介质进行量子能量场植入的效果。
生活中适用比较广泛的量子科技就是量子信息学。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。其中,“量子纠缠”对量子信息学信影响最重要。
量子信息学中的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。量子力学之父之称的波尔也说过一句很有名的话:谁不为量子力学迷惑,谁就一定没有学会量子力学。
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。