[思考篇]顛覆世界的 “量子力學曼哈頓計劃”

2018-07-09

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  谷歌微軟又在“搞事情”,這一次是量子計算。據外媒報道,谷歌和微軟將于近期宣布在量子計算領域的重大突破。

什么是“量子世界”?

  對于絕大部分吃瓜群眾來說,所見的物質世界已經超越了人腦的負荷。但總有那么一小撮太過卓越的人類,在人類無法用感官感知的,普通人連概念都無法認知,難以想象的復雜領域游刃有余。

  量子世界,就是這樣一個領域。

  量子一詞最早來自拉丁語quantus,意為“有多少”,代表“相當數量的某物質”,用在物理學概念上則最早由德國物理學家M·普朗克在1900年提出。自提出以來,經愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善,20世紀前半期初步建立了完整的量子力學理論體系。

  愛因斯坦是第一個意識到普朗克關于量子的發現將要改寫整個物理學的物理學家。為了證明他的觀點,1905年,他提出光的行為有時像粒子,稱這些粒子為“光量子”,現在這個詞被稱為光子,這個假說導致了光同時具有粒子和波的特性。

  玻爾剛開始一直是光量子假說的最堅定反對者之一,直到1925年才接受這個觀點。此后,量子力學革命在愛因斯坦和玻爾的研究方向上展開。

  德布羅意的人生閱歷頗為豐富,年少時是文藝青年,酷愛文學和歷史,并在1910年獲巴黎索邦大學文學學士學位。然而,原本成為一名歷史學家的計劃,卻在一次關于光、輻射、量子性質等問題的討論后改變,這場討論激起了他對物理學的強烈興趣。其后,他在量子力學上的成績得到了愛因斯坦的肯定,其將光的波粒二象性觀念進行了擴充,包括運動粒子。

  1925年,海森伯提出矩陣力學,徹底廢除了牛頓力學中的經典元素。1926年,玻恩提出量子力學應該被理解為沒有任何因果聯系的概率。1927年底,海森伯和玻恩在索爾維會議中宣布由愛因斯坦和玻爾掀起的量子力學革命結束。至此,量子力學正式成為一門學科。

  薛定諤的主要貢獻是在德布羅意物質波理論的基礎上建立了波動力學,其中最為人所知的是“薛定諤的貓”思想實驗,試圖證明量子力學在宏觀條件下的不完備性。然而,這個薛定諤本想要挫敗量子力學的實驗,卻成為教授量子論的經典比喻,進而還延伸出平行宇宙等物理問題和哲學爭議。

  與薛定諤同時期,因為發現在原子理論里很有用的新形式,即量子力學的基本方程,狄拉克以“狄拉克方程”與薛定諤共享了1933年的諾貝爾物理學獎。

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                   1927年布魯塞爾第五屆索爾維物理會議與會者合影。 

  前排左起:朗繆爾,普朗克,居里夫人,洛倫茲, 愛因斯坦, 郎之萬, 古耶, 威爾孫, 里查森。

  中排左起:德拜, 努森, 小布拉格, 克拉默斯, 狄拉克, 康普頓, 德布羅意, 玻恩, 玻爾。

  后排左起:皮卡德, 昂里奧, 埃倫費斯特, 赫爾岑, 德敦得爾, 薛定諤, 維沙菲爾特, 泡利。

  普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論、玻爾的原子理論、德布羅意物質波概念、海森伯矩陣力學、薛定諤和狄拉克量子力學基本方程……通過這些創始者的努力,最終究竟證明了什么?

  量子力學并沒有支持自由意志,只是于微觀世界物質具有概率波等存在不確定性,不過其依然具有穩定的客觀規律,不以人的意志為轉移,否認宿命論。

  首先,在微觀尺度上,隨機性和通常意義下的宏觀尺度之間仍然有著難以逾越的距離;其次,這種隨機性是否不可約簡難以證明,事物是由各自獨立演化所組合的多樣性整體,偶然性與必然性存在辯證關系。

 

量子計算機是怎么誕生的?

  20世紀注定充滿沖突,當西方已經開啟現代科技和政治文明,東方不少地區仍處于冷兵器和舊制度的落后體制中。力量對比的嚴重失衡導致地緣沖突不斷,加上資本經濟的固有周期弊病、弱肉強食的分贓不均、極端政治的大范圍興起,世界大戰一觸即發。

  雖然說科學無國界,但科學家卻有各自的政治理念。二戰開始,海森伯留在德國為納粹效力,負責領導研制原子彈的技術工作。而愛因斯坦、波爾則參與了同盟國以奧本海默領導的曼哈頓計劃。這一計劃的結果除了眾所周知的兩顆原子彈,匯聚千余世界頂級科學家的工程,當然還有更多的故事,理查德·費曼作為曼哈頓計劃天才小組成員之一,加入時還不到25歲,而他提出的費曼圖、費曼規則和重正化的計算方法,則成為了研究量子電動力學和粒子物理學所不可缺少的工具。

  基于這些理論基礎,理查德·費曼最早提出了量子計算機的概念設想。

  而事實上,一直到80年代,量子計算機都處在理論推導狀態。在這期間,理查德·費曼1982年提出了利用量子體系實現通用計算的想法,1985年大衛·杜斯則提出了量子圖靈機模型。

  直到1994年彼得·秀爾提出量子質因子分解算法,因其對于通行于銀行及網絡等處的RSA加密算法可以破解而構成威脅,量子計算機開始變成熱門話題。

  2007年2月,加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機,但其作用僅限于解決一些最優化問題,與科學界公認的能運行各種量子算法的量子計算機仍有較大區別。此時,D-Wave公司的“迷你曼哈頓計劃”正式開啟。

  2009年11月15日,世界首臺可編程的通用量子計算機在美國誕生。同年,英國布里斯托爾大學的科學家研制出基于量子光學的量子計算機芯片,可運行秀爾算法。

  直至目前,量子計算機相較于經典計算機的優越性主要體現在:1、量子疊加,同時表示0和1;2、量子并行計算,可同時對2^n個數進行數學運算,相當于經典計算機同時進行2^n次操作。

  對于量子計算機可以實現的計算量,費曼有一個經典的應用場景描述:如果被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母“X”,這幾乎是不可能的,因為國會圖書館有5000萬冊書。但是如果處于5000萬個平行現實中,每個現實都可以查看不同的書籍,那么肯定能在其中某個現實中找到這個“X”。

  在這個假設中,普通計算機就像是前一種情形中的“瘋子”,需要在5分鐘內找遍盡可能多的書。而量子計算機卻能復制出5000萬個人,每個只需翻找一本書即可。

 

“谷歌們”到底在做哪些研究?

  即使量子計算機在2009年誕生,但因為離實際應用還有很大距離,其影響力主要是在學術、科研機構、巨頭科技公司,以及各國的技術研發比拼上。

  2010年3月,德國超級計算機成功模擬42位量子計算機;2011年4月,澳大利亞和日本的科研團隊在量子通信方面取得突破,實現了量子信息的完整傳輸;同年9月,科學家證明量子計算機可以用馮·諾依曼架構來實現;2012年2月,IBM聲稱在超導集成電路實現的量子計算方面取得數項突破性進展;2013年5月,D-Wave宣稱NASA和Google共同預定了一臺采用512量子位的D-Wave Two量子計算機。

  關于NASA和Google的合作,NASA的希望是量子計算機能被用于發現新的類地行星,或者應用到星際航行。而“發明大王”谷歌則希望量子計算機可以解決創造性的問題,前面提到,經典計算機無論在運算屬性還是運算速度上都差強人意。此外,量子計算機還可以讓機器學習方面取得不可估量的巨大進步。

  目前,谷歌和NASA買下的這臺D-Wave Two據說被鎖在一個巨大的黑盒子中,因為量子需要在絕對低溫中才能有更快的運行速度,所以這個黑中的溫度幾乎達到絕對零度(零下273.15攝氏度),同時,盒內完全黑暗且安靜。

  在去年9月舉辦的Ignite大會上,微軟展示了拓撲量子位以及硬件軟件生態系統開發方面取得的進展,發布了為駕馭規;孔佑嬎銠C而專門優化的新的編程語言,讓開發者能夠編寫量子程序,在當前的量子模擬器上調試,并能夠在未來真正的拓撲量子計算機上運行。

  雖然仍未開發出可運行的量子位,但微軟量子團隊主管霍爾姆達爾在近期表示,微軟現在已經“十分接近”宣布實現這一突破。

  對于D-Wave的聯合創始人和首席科學家埃里克·勒迪辛斯基來說,他要在10年,而不是50年造出一臺量子計算機,這對于他來說是一項“迷你曼哈頓計劃”。

  然而,質疑聲也沒有消停過。有專家至今認為,還需要幾十年才會出現真正應用量子力學原理的計算機。有計算機專家提醒說,也許目前所謂量子計算機的處理器確實很快,但仍然是在障眼法的演示下應用了傳統科技。更有如MIT量子物理學家斯科特·阿倫森自稱是D-Wave的首席批評家,他的公眾言論一直強調,沒有直接證據說明D-Wave的量子處理器是以量子力學的方式運行的,即使有谷歌和NASA的背書。

  無論如何,這次“迷你曼哈頓計劃”看起來還是有巨大前景,別忘了D-Wave最初可是由亞馬遜的貝佐斯和中情局共同進行戰略投資。

  “量子霸權”競爭激烈,最終誰會勝出?是21世紀的“發明大王”谷歌?老牌“軟件帝國”微軟?電商跨界者亞馬遜、IBM、英特爾,亦或是D-Wave?

  或者還有別的可能。

 

暨破比特操縱記錄后 潘建偉團隊完成首個TDA算法驗證演示

  去年5月,中國科學技術大學潘建偉院士在上海宣布,我國科研團隊成功構建了光量子計算機,首次演示了超越早期經典計算機的量子計算能力。此次突破,主要體現在超導體系上,研究團隊打破了由美國保持的9個量子比特操縱記錄,自主研發了10比特超導量子線路樣品,實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏,并通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態。

  近日,潘建偉團隊再次完成了首個在光量子計算機上進行拓撲數據分析(TDA)算法的驗證演示,表明數據分析可能是未來量子計算的一大重要應用。據了解,TDA可以抵抗一定噪聲的干擾,從數據中提取有用信息,而量子版本的TDA能實現對經典最優TDA算法的指數級加速。量子TDA算法也是繼秀爾算法(上述用于大數因子分解進行密碼破譯)、Grover 算法(用于搜索問題)、HHL 算法(用于解線性方程組)之后,人類在量子計算機上可使用的一種新算法。

  該算法為在量子計算機上進行高維數據處理、甚至人工智能算法領域的探索打開了方向。

 

后記

  從普朗克提出量子概念,到愛因斯坦和波爾的量子力學革命,海森伯和波恩共同宣布量子力學的建立,薛定諤的貓“否定之否定”,再到有量子力學滲透的奧本海默“曼哈頓計劃”,費曼提出量子計算機概念,D-Wave大膽嘗試“迷你曼哈頓計劃”,并最終掀起科技巨頭們和國家量子科技爭霸賽,量子力學已經陪伴了人類118年。118年來,頂尖的人類智慧最終發現了量子世界并企圖將其轉化為現實應用。

  然而,無論科技發展至何程度,其本質還是為人類服務。但人類、真理、科學究竟應該為何關系?這是自科學不僅僅有改變人類生活,甚至改變人類屬性的潛在可能下需要的哲學思考。

  從歷史發展來看,二十世紀上半頁人類經歷了地緣政治變化,以及新興的政治思潮極端化帶來的種種災難。雖然說科學技術本身是有意義的,性質是中性的,但就如愛因斯坦諫言總統趕在納粹之前創造出原子彈的迫切心情,科學家們在第一顆原子彈爆炸后的狂喜,卻在真正的災難發生后轉瞬即逝,進而陷入巨大的驚恐之中。

  科學能夠決定它自身的永續發展,卻無法確保人類的命運。

  這,或許應該是我們更優先思考的。

 

量子力學在現實世界的十大應用

  數千年來,人類一直依靠天生的直覺來認識自然界運行的原理。雖然這種方式讓我們在很多方面誤入歧途,譬如,曾一度堅信地球是平的。但從總體上來說,我們所得到的真理和知識,遠遠大過謬誤。正是在這種雖緩慢、成效卻十分積極的積累過程中,人們逐漸摸索總結出了運動定律、熱力學原理等知識,自身所處的世界才變得不再那么神秘。于是,直覺的價值,更加得到肯定。但這一切,截止到量子力學的出現。

  這是被愛因斯坦和玻爾用“上帝跟宇宙玩擲骰子”來形容的學科,也是研究“極度微觀領域物質”的物理學分支,它帶來了許許多多令人震驚不已的結論——科學家們發現,電子的行為同時帶有波和粒子的雙重特征(波粒二象性),但僅僅是加入了人類的觀察活動,就足以立刻改變它們的特性;此外還有相隔千里的粒子可以瞬間聯系(量子糾纏):不確定的光子可以同時去向兩個方向(海森堡測不準原理);更別提那只理論假設的貓既死了又活著(薛定諤的貓)……

  諸如以上,這些研究結果往往是顛覆性的,因為它們基本與人們習慣的邏輯思維相違背。以至于愛因斯坦不得不感嘆道:“量子力學越是取得成功,它自身就越顯得荒誕。”

  到現在,與一個世紀之前人類剛剛涉足量子領域的時候相比,愛因斯坦的觀點似乎得到了更為廣泛的共鳴。量子力學越是在數理上不斷得到完美評分,就越顯得我們的本能直覺竟如此粗陋不堪。人們不得不承認,雖然它依然看起來奇異而陌生,但量子力學在過去的一百年里,已經為人類帶來了太多革命性的發明創造。正像詹姆斯·卡卡廖斯在《量子力學的奇妙故事》一書的引言中所述:“量子力學在哪?你不正沉浸于其中嗎。”

 

陌生的量子,不陌生的晶體管

  美國《探索》雜志在線版給出的真實世界中量子力學的一大應用,就是人們早已不陌生的晶體管。

  1945年的秋天,美國軍方成功制造出世界上第一臺真空管計算機ENIAC。據當時的記載,這臺龐然大物總重量超過30噸,占地面積接近一個小型住宅,總花費高達100萬美元。如此巨額的投入,注定了真空管這種能源和空間消耗大戶,在計算機的發展史中只能是一個過客。因為彼時,貝爾實驗室的科學家們已在加緊研制足以替代真空管的新發明——晶體管。

  晶體管的優勢在于它能夠同時扮演電子信號放大器和轉換器的角色。這幾乎是所有現代電子設備最基本的功能需求。但晶體管的出現,首先必須要感謝的就是量子力學。

  正是在量子力學基礎研究領域獲得的突破,斯坦福大學的研究者尤金·瓦格納及其學生弗里德里希·塞茨得以在1930年發現半導體的性質——同時作為導體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實現門的功能,控制管中電流的導通或者截止,利用這個原理便能實現信息編碼,以至于編寫一種1和0的語言來操作它們。

  此后的10年中,貝爾實驗室的科學家制作和改良了世界首枚晶體管。1954年,美國軍方成功制造出世界首臺晶體管計算機TRIDAC。與之前動輒樓房般臃腫的不靠譜的真空管計算機前輩們相比,TRIDAC只有3立方英尺大,功率不過100瓦。

  今天,英特爾和AMD的尖端芯片上,已經能夠擺放數十億個微處理器。而這一切都必須歸功于量子力學。

 

量子干涉“搞定”能量回收

  無論怎樣心懷尊敬,對于我們來說,都不太容易能把量子力學代表的理論和它帶來的成果聯系在一起,因為他們聽起來就是完全不相干的兩件事。而“能量回收”就是個例子。

  每次駕車出行,人們都會不可避免地做一件負面的事情——浪費能量。因為在發動機點燃燃料以產生推動車身前進的驅動力同時,相當一部分能量以熱量的形式散失,或者直白地說,浪費在空氣當中。對于這種情況,美國亞利桑那大學的研究人員試圖借助量子力學中的量子干涉原理來解決這一問題。

  量子干涉描述了同一個量子系統若干個不同態疊加成一個純態的情況,這聽起來讓人完全不知所謂,但研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料,能夠有效地將熱量轉化為電能。更重要的是,這種材料的厚度僅僅只有百萬分之一英尺,在其發揮功效時,不需要再額外安裝其他外部運動部件,也不會產生任何污染。研究團隊表示,如果用這種材料將汽車的排氣系統包裹起來的話,車輛因此將獲得足以點亮200只100瓦燈泡的電能——盡管理論讓人茫然,但這數字可是清晰可見的。

  該團隊因此對新型材料的前途充滿信心,確定在其他存在熱量損失的領域,該材料同樣能夠發揮作用,將熱能轉變為電能,比如光伏太陽能板。而我們只需知道,這都是量子干涉“搞定”的。

 

不確定的量子,極其確定的時鐘

  作為普通人,一般是不會介意自己的手表快了半分鐘,還是慢了十幾秒。但是,如果是像美國海軍氣象天文臺那樣為一個國家的時間負責,那么這半分半秒的誤差都是不被允許的。好在這些重要的組織單位都能夠依靠原子鐘來保持時間的精準無誤。這些原子鐘比之前所有存在過的鐘表都要精確。其中最強悍的是一臺銫原子鐘,能夠在2000萬年之后,依然保持誤差不超過1秒。

  看到這種精確的能讓人紊亂的鐘表后,你也許會疑惑難道真的有什么人或者什么場合會用到它們?答案是肯定的,確實有人需要。比如航天工程師在計算宇宙飛船的飛行軌跡時,必須清楚地了解目的地的位置。不管是恒星還是小行星,它們都時刻處在運動當中。同時距離也是必須考慮的因素。一旦將來我們飛出了所在星系的范圍,留給誤差的邊際范圍將會越來越小。

  那么,量子力學又與這些有什么關系呢?對于這些極度精準的原子鐘來說,導致誤差產生的最大敵人,是量子噪聲。它們能夠消減原子鐘測量原子振動的能力,F在,來自德國大學的兩位研究人員已經開發出,通過調整銫原子的能量層級來抑制量子噪聲程度的方法。它們目前正在試圖將這一方法應用到所有原子鐘上去。畢竟科技越發達,對準時的要求就越高。

 

量子密碼之戰無不勝

  斯巴達人一向以戰斗中的勇敢與兇猛聞名于世,但是人們并不能因此而輕視他們在謀略方面的才干。為了防止敵人事先得知自己的軍事行動,斯巴達人使用一種被稱作密碼棒的東西來為機密信息加密和解密。他們先將一張羊皮紙裹在一根柱狀物上,然后在上面書寫信息,最后再將羊皮紙取下。借助這種方式,斯巴達的軍官能夠發出一條敵人看起來語無倫次的命令。而己方人員只需再次將羊皮紙裹在同等尺寸的柱狀物上,就能夠閱讀真正的命令。

  斯巴達人樸素的技巧,僅僅是密碼學漫長歷史的開端。如今,依靠微觀物質一些奇異特性的量子密碼學,已經公開宣稱自己無解。它是一種利用量子糾纏效應、基于單光子偏振態的全新信息傳輸方式。其安全之處在于,每當有人闖入傳輸網絡,光子束就會出現紊亂,每個結點的探測器就會指出錯誤等級的增加,從而發出受襲警報;發送與接收雙方也會隨機選取鍵值的子集進行比較,全部匹配才認為沒有人竊聽。換句話說,黑客無法闖入一個量子系統同時不留下干擾痕跡,因為僅僅嘗試解碼這一舉動,就會導致量子密碼系統改變自己的狀態。相應的,即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙,那他在完成這一舉動的同一時刻,也導致了密鑰的變化。因而當合法的信息接收者檢查鑰匙時,就會輕易發現端倪,進而更換新的密鑰。

  量子密碼的出現一直被視為“絕對安全”的回歸,不過,天下沒有不透風的墻。擁有1000多年前那部維京時代海盜史的挪威人,已經打破了量子密碼無解的神話。借助誤導讀取密碼信息的設備,他們在不嘗試解碼的條件下,就獲得了信息。但他們承認,這只是利用了現存技術上的一個漏洞,在量子密碼術完善后即可趨避。

 

隨機數發生器:上帝的“量子骰子”

  所謂的隨機數發生器,并不是老派肥皂劇中那些奇幻神秘的玩意。它們借助量子力學,能夠召喚出真正的隨機數。不過,科學家們為什么要不辭勞苦地深入量子世界來尋找隨機數,而不是簡單輕松地拋下硬幣、擲個骰子?答案在于:真正的隨機性只存在于量子層級。實際上只要科學家們收集到關于擲骰子的足夠信息,那么他們便能夠提前對結果做出預測。這對于輪盤賭博、彩票甚至計算機得出的開獎結果等等,統統有效。

  然而,在量子世界,所有的一切都是絕對無法預測的。馬克斯·普朗克大學光學物理研究所的研究人員正是借助這一不可預知性,制作出了“量子骰子”。他們先是通過在真空中制造波動來產生出量子噪聲,然后測量噪聲所產生的隨機層級,借此獲得可以用于信息加密、天氣預演等工作的真正隨機數字。值得一提的是,這種骰子被安裝在固態芯片上,能夠勝任多種不同的使用需求。

 

我們與激光險些失之交臂

  與量子力學的經歷相似,激光在早期曾經也被認為是“理論上的巨人,實際應用上的侏儒”。但今天,無論是家用CD播放器,還是“導彈防御系統”,激光已經在當代人類的社會生活中,占據了核心地位。不過,如果不是量子力學,我們與激光的故事,很可能是以“擦身而過”而收場。

  激光器的原理,是先沖擊圍繞原子旋轉的電子,令其在重回低能量級別時迸發出光子。這些光子隨后又會引發周圍的原子發生同樣的變化,即發射出光子。最終,在激光器的引導下,這些光子形成穩定的集中束流,即我們所看到的激光。當然,人們能夠知曉這些,離不開理論物理學家馬克斯·普朗克及其發現的量子力學原理。普朗克指出,原子的能量級別不是連續的,而是分散、不連貫的。當原子發射出能量時,是以在離散值上被稱作量子的最小基本單位進行的。激光器工作的原理,實際上就是激發一個特定量子散發能量。

 

專門挑戰極端的超精密溫度計

  如果用普通的醫用溫度計,去測量比絕對零度低百分之一的溫度,這支溫度計的下場可想而知。那么如何去對付這樣的極端溫度呢?耶魯大學的研究人員發明了一支可以對付這些情況的神奇溫度計。它不僅能在極端環境中保持堅挺,更能夠提供無比精確的數值。

  為制作這種溫度計,研究團隊必須重新梳理溫度計的設計思路。比如獲得精確數值的方式。幸運的是,在追尋精確的過程中,科學家們借助量子隧道得到了自己想要的答案。就像鉆入山體內部而不是在其表面爬上爬下,粒子在穿越勢壘的過程中,產生出了量子噪聲。使用研究團隊的量子溫度計去測量這些噪聲,便能夠精確地得出實驗物體的溫度。

  雖然這種溫度計對于普通人的日常生活并沒有太大的意義,但是在科學實驗室,尤其是那些需要極低溫度環境的材料實驗室它就可以大展身手了,F在,研究者們還在努力通過各種手段提高該溫度計的精確性,并期望隨著它應用范圍的拓展,更極端的科研環境都可以從中受益。

 

人人都愛量子計算機

  在1965年發表的一篇論文中,英特爾公司的聯合創始人戈登·摩爾對計算機技術的未來發展,做了一些粗陋但卻意義深遠的預測。其中最重要的一條便是日后著名的摩爾定律:每平方英尺集成電路上晶體管的數量,每18個月便會翻兩倍。這一定律對計算機技術的發展產生了深遠影響,但是現在,摩爾定律似乎走到了盡頭,因為到2020年,硅芯片將會達到自身的物理極限,而隨著晶體管體積的不斷縮小,它們將開始遵循量子世界的各種規律。

  和量子世界的規律“抱有敵意”相比,順應量子時代或許才是人們最好的選擇。今天,那些從事量子計算機研究的科學家做的正是這件事情。相比傳統計算機,量子計算機具有無可比擬的巨大優勢:并行處理。借助并行處理的能力,量子計算機能夠同時處理多重任務,而不是像傳統計算機那樣還要分出輕重緩急。量子計算機的這一特性,注定它在未來將以指數級的速度超越傳統計算機。

  不過,在量子計算成為現實之前,科學家們還需要克服一些艱難挑戰。比如,量子計算機使用的是比傳統比特存儲能力高出許多的量子比特,但是不幸的是,量子比特非常難以創造出來,因為這需要多種粒子共同組成網絡。直到現在,科學家只能夠一次性將12種粒子纏連起來。而量子計算機若要實現商業化應用,至少需要將這個數字增加數十倍甚至上百倍。

 

想知道什么是真正的瞬時通信嗎

  量子力學在過去的歲月里為人們帶來的成就彌足珍貴,但科學家們有理由相信,其在未來會奉獻的更多。

  現在,當你在手機、短信、郵件以及MSN、飛信等等諸如此類的通信工具之間徜徉時,可能以為自己已經被所謂的“瞬時通信”覆蓋。實際上,你發出的聲音、文字、圖像都需要一點時間才能達到目的地,或長或短而已,F在的人們日常所能用到的通信方式,所需時間都極其短,但在很遠的未來,人和人之間的交流不會只限于大洲與大洲之間,而可能需要橫跨星系,這就使通信時間大大的增加——譬如說,在今年8月6日,“好奇”號火星車登陸火星,傳回的信號到達地球就有十幾分鐘的延遲。但這還只是在太陽系中地球和火星的距離,如果將距離延伸的更遠,那么科學家們認為,只有量子力學才有能力真正實現“即時”的通信,無論距離多遠。

  使瞬時通信成為現實的關鍵,在于被稱為量子糾纏的量子力學現象——愛因斯坦稱其為“幽靈般的遠距作用”,指處于糾纏態的兩個粒子即使距離遙遠,也保持著特別的關聯性,對一個粒子的操作會影響到另一個粒子。簡單來說就是,當其中一個粒子被測量或者觀測到,另一個粒子也隨之在瞬間發生相應的狀態改變。這種仿佛“心電感應”般的一致行動,已超出了經典物理學規則的解釋范疇,因此才被愛因斯坦視作鬼魅。但利用量子糾纏,我們可以操縱其中一個粒子引起對應粒子的即時、相應變化,從而完成收發“宇宙郵件”的動作。

  不過,這一應用還面臨著最大的問題:一些物理學家堅持認為糾纏的粒子實際上并不能傳送信息。如果是這樣的情況,那我們的名單中的下一個項目,則永遠不會成為現實。

 

遠距傳輸從科幻到現實

  科幻片,尤其是太空題材的,最愛遠距傳輸:偌大的一個人,在一個地方神秘消失,不需要任何載體的攜帶,又在另一個地方瞬間出現。

  遠距離傳輸就是量子態隱形傳輸,是在無比奇特的量子世界里,量子呈現的“糾纏”運動狀態。該狀態的光子如同有“心電感應”,能使需要傳輸的量子態“超時空穿越”,在一個地方神秘消失,不需要任何載體的攜帶,又在另一個地方瞬間出現。在“超時空穿越”中它傳輸的不再是經典信息,而是量子態攜帶的量子信息,這些量子信息是未來量子通信網絡的組成要素。

  此前,IBM團隊的6名工程師證明,遠距傳輸完全可以實現,至少從理論上來講是這樣。但必須注意的是,“原對象”在此過程中將消失——因為遠距傳輸可不是“傳真機”,你原來那份“文件”是會被它銷毀的。其貌似“復制”原物體的過程,實際也是對原物體的一種改變。

  2009年,美國馬里蘭州立大學聯合量子研究所的科學家進行的“量子信息處理”的實驗中,成功地實現了從一個原子到1米外的一個容器里的另一個原子的量子隱形傳輸。盡管在實驗中是一個原子轉變成另一個原子,由第二個原子扮演起第一個原子的角色,與“原物傳送”的概念不同,但原子對原子的傳輸,卻對于研制超密超快的量子計算機和量子通信具有重大意義。

  沒錯,遠距傳輸并不僅在傳輸物體這一目標上才有價值,在達到這一目的之前,通往“圣域”的各項研究也被證明在其他多重領域大有作為。而所有的量子力學研究,甚至人類所有的科學活動,亦同此理。

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