【科普必读】三千字让你了解量子科技的前世今生

电科技袁创10-26 10:58

“量子科技”刷屏社交网络,但是对于大多数民众来说,对于“量子科技”的理解或许依然可以用“遇事不决,量子力学”的段子一语概之。

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那么,什么才是量子科技,对于我们的生活,又将会产生什么样的影响?且听电科技一一道来。

伟大的物理学家玻尔曾有言:“谁要是第一次听到量子理论时没有发火,那他一定没听懂”。因为不符合人类的常识,量子力学很难被大多数人所理解。但是普通大众同样也不了解编程语言,不也照样可以无障碍使用微信、支付宝、抖音等软件吗?

事实上,随着科技行业行至拐点,基于量子力学的量子科技不光将深刻影响我们的生活,还因其独特的前沿技术,成为各国决胜未来的赛点。

多年以后,当我们用量子科技解决生活难题时,或许会由衷地感慨一声“当年那些‘弱智’的智能手机,我是怎么能容忍的呢?”

拨开人类头顶上的另一朵乌云

在物理学发展史上,对于“两朵乌云”的探索,成为驱使着我们发展至今的核心力量。

1900年初,对热力学第一、第二定律的建立作出重大贡献的开尔文男爵,在英国皇家学会的新年致辞中,发表了题为《笼罩在热和光的动力理论上的十九世纪之云》的著名演讲。

2.jpg 开尔文

开尔文认为,物理世界已经晴空万里,动力理论可以解释一切问题,人类已经掌握了宇宙几乎全部的真理,唯有黑体辐射和以太理论这两个小问题有待解决。

很快,物理学界就被这两朵乌云搅得人仰马翻,其中黑体辐射这朵乌云就直接引发了一门新理论的诞生,那就是量子力学。从这一理论出发,我们才有了今天的数字化生活,不管是微波炉还是电脑芯片等等万物,皆由量子力学理论幻化而来。

和一百年前一样。当我们以为一切都已经被发现以及发明出来了的时候,其实一个更大的世界已经被叩响了门环,关于量子力学,我们人类刚刚摸到了边缘。

为什么我们要投入重金去研究量子科技,除了探索关乎全人类命运的重大使命,拨开人类头顶上的这朵乌云以外,通过研究它提升我们的科技实力也是当务之急。

上世纪60年代,英特尔联合创始人戈登.摩尔曾敏锐指出,集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 月将会翻一倍,产品的性能也将提升一倍。这就是著名的“摩尔定律”。

3.jpg 英特尔联合创始人戈登.摩尔

但是随着人类制造的芯片工艺要求越来越高,一旦芯片中的格栅宽度达到纳米大小时,材料的物理和化学性质将会变质,甚至会发生与经典的半导体理论背道而驰的现象,最终导致芯片不能运行。这也是为什么当我们在突破了7纳米、5纳米制程后,芯片的生产工艺越发难于下探。

英伟达 CEO 黄仁勋曾在2019年CES大会上说过:“摩尔定律过去每10年增长100倍。而现今,摩尔定律每年只能增长几个百分点,每10年可能只能增长 2倍。因此,摩尔定律其实已经失效了。”

4.jpg 英伟达 CEO 黄仁勋

虽然芯片行业的摩尔定律将要逐步失效,但是其承载的内容去完全与之反向发展。

IDC数据显示,预计到2025年,全球数据规模将扩展至 163ZB (1ZB 等于 1 万亿 GB),对比2016年所产生16.1ZB数据量翻了十倍。随着网络技术的发展,信息革命的深入,未来这一数字还将保持较高的增速。

既然单一计算量不能增加,那么我们能做的唯有增加整体的芯片量,以空间换时间。但是这又可能带来一个无穷的灾难。

华盛顿半导体行业协会的研究报告显示,如果按照科技惯性发展的话,因计算机需求量过于庞大,预计2040年,全球计算机所消耗的电能将超过全球的电力负荷。

由此,我们可以发现,在摩尔定律失效后,经典计算机已经陷入到了发展的瓶颈,基于这种现状,我们急切的需要找到一个更高效的计算工具。

量子科技的双板斧

对量子力学有一定了解的朋友应该都听说过历史上那只赫赫有名的猫:“薛定谔的猫”。

将一只猫关在装有少量镭和毒物的密闭容器里,镭的衰变存在一定概率,如果密闭容器中的镭发生衰变,就会打碎毒物罐子,毒死猫;如果镭不发生衰变,那么猫就可以存活。因为在观测前,我们并不知道镭到底衰没衰变,因此,这时候猫正处于生死叠加态,也就是说,这时的猫既是死的又是活的。

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基于这一理论,量子计算机的量子比特既是1又是0,再加上量子纠缠的现象,量子计算机可以同时进行多条线路的并行运算,计算力对比传统计算机将有突破想象的提升。

2019年,谷歌研究人员发论文称,谷歌的一个基于54个量子比特量子芯片开发的量子计算系统,其所花费200秒完成的计算,传统顶级计算机需要1万年才能完成。由此可见量子计算机的计算效率和计算力有多令人颠覆想象力。

不过,量子计算系统的算力惊人也带来了一个副作用,那就是我们俗称的密码将会形同虚设。光大证券的研究显示,传统RSA算法下,如果选择一个400位数的整数当做密码,几乎可以万无一失,因为传统计算机需要持续不断运行60万年时间才能破解,但是这一高难度的密码,量子计算机仅需3个小时即可破解。

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幸运的是,由于量子科技不可测性的特征,它在提升算力的同时,也可以为我们带来与之匹配的保密措施,这也就是量子科技的第二大应用场景:量子通讯。

在传统加密传输模式下,我们往往和对方约定一个秘钥,然后给对方发送一个加密的文件,然后对方通过此前预定好的秘钥即可破译该文件,但是如果有其他人也知道了这个秘钥,那么文件也会被破解。

由于量子比特不可预测不可拷贝,应用量子纠缠原理,将一份文件通过A、B两个纠缠的粒子表达,然后将A当做秘钥,把B送往一个地点,接收方如果想要破译该文件必须让A、B再次形成纠缠态方可破译,这种唯一性就大大保证了信息传递的安全。

中国在量子科技上的领先态势

因为计算力必须要提升的时势使然,掌握量子技术必然会对竞争者形成降维打击,就像拿着火枪的西班牙人去了阿兹台克。因此,近年来国际社会纷纷加大量子科技相关的研发力度和投入,力图抢占技术制高点。

2013年,日本计划十年时间投入400亿日元研发量子科技;英国2014年启动了国家量子技术计划,每年投资2.7亿英镑用于量子相关产业研发;美国也于2018年启动“国家量子行动法案”。

中国在经历了制造层面的工业崛起后,也越发意识到核心科技的重要性,因而开始频频加紧布局量子科技赛道。比如《“十三五”国家科技创新规划(2016-2020)》和《国家长期科学和技术发展规划(2006-2020)》均提到了发展量子科技技术的重要性。与此同时,中国还计划投资100亿美元,在合肥建立量子信息科学国家实验室。

在量子计算领域,2019年底,中国科学技术大学潘建伟团队,在国际上首次实现了20光子输入的玻色取样量子计算,在四大指标上刷新了国际记录,在事实上逼近了美国人所说的“量子霸权”。

7.jpg 潘建伟团队

如果说在计算领域,中国量子科技技术还处于理论阶段,与世界一流水平处于同一水平线的话,那么在通信领域,中国则可以说是领跑世界。

2016年8月,中国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017年,全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。《自然》杂志写道:“在量子通信领域,中国仅用不到10年的时间,就由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,超越欧洲和北美,实在是令人不可思议。”

8.jpg 墨子号

之所以在其他世界各国“纸上谈兵”的时候,中国就可以率先实现量子技术应用,牛津大学教授埃克特认为,“这一领域的进入门槛很高,唯有依靠国家级的实体才能支持,而中国恰恰在量子技术方面投入了巨额的资金”。

埃克特还表示:“谁控制了信息,谁就控制了世界。”在量子通信领域取得先发优势,并且整体的战略和投入对比他国也更加坚定更加雄厚的背景下,中国很有可能在未来的量子科技时代形成自己高耸的技术壁垒。

量子科技,中国其实已经领先世界。

电科技专注于TMT领域报道,青云计划、百+计划获得者。荣获2013搜狐最佳行业自媒体人称号、2015中国新媒体创业大赛总决赛季军、2018百度动态年度实力红人等诸多大奖。

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