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用途多、安全性高 量子技術將在哪些領域大顯身手
2018-01-24 06:43:45 來源: 科技日報
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  量子技術將在哪些領域大顯身手

  量子信息科學(QIS)基于獨特的量子現象,如疊加、糾纏、壓縮等,以經典理論無法實現的方式來獲取和處理信息,技術應用包括量子傳感與計量、量子通信、量子模擬及量子計算等方面,它將在傳感與測量、通信、倣真、高性能計算等領域擁有廣闊的應用前景,並有望在物理、化學、生物與材料科學等基礎科學領域帶來突破,未來可能顛覆包括人工智能領域在內的眾多科學領域。

  量子傳感與計量:用途多多

  QIS在傳感與計量領域有多種用途。

  利用糾纏現象,可將不同的量子係統彼此相連,對一個係統的測量會影響另一個係統的結果——即使這些係統在物理上是分開的。兩個量子係統處于略有不同的環境中,可通過彼此幹涉提供有關環境的信息,從理論上講,這種原子幹涉儀提供的感知性能要比傳統技術高出幾個數量級。原子幹涉儀除用于慣導外,還可改裝為重力儀,以及用于地球係統監測、礦物質精確定位等。量子授時裝置,如美國國家標準技術研究院(NIST)研制的量子邏輯鐘,是目前世界上精度最高的授時裝置之一。光子源及單光子探測技術可提高光敏探測器的校準精度,用于微量元素的探測。

  量子加密通信:安全性更高

  傳統加密技術使用密鑰:發送方使用一個密鑰對信息進行編碼,接收方使用另一個密鑰對信息進行解碼,但這樣的密鑰有可能被泄露,從而不可避免地遭到竊聽。不過,信息可以通過量子密鑰分布(QKD)進行加密。在QKD中,關于密鑰的信息通過隨機偏振的光子發送,這限制了光子,使其僅在一個平面中振動。如果此時竊聽者測量信息,量子狀態就會坍塌!只有擁有確切量子密鑰的人,才能夠解密信息。

  量子通信還可能應用于虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒定等等。未來,量子網絡將連接分布式量子傳感器,用于全球的地震監測。而在5年—10年內,有望開發出可靠的光子源及相關技術,實現遠距離量子信息傳輸,並推動量子處理器之間數據共享協議的相關理論研究。

  量子模擬:建模材料最可能

  量子模擬器使用易操控的量子係統,來研究其他難以直接研究的量子係統屬性。對化學反應和材料進行建模是量子模擬最有可能的一個應用。研究者可以在計算機中研究數百萬美元的候選材料,而無需再花費數年、投入數億美元,卻只能制造和定性少量材料。不管目標是更強的飛機用高分子材料、更有效的車用觸媒轉化器、更好的太陽能電池材料和醫學品,還是更透氣的纖維等,開發環節加快將會帶來巨大價值。

  基于不同技術的量子模擬器原型已在實驗室環境得到了驗證。

  量子計算:未來研究顯神通

  量子計算是通過疊加原理和量子糾纏等次原子粒子的特性來實現對數據的編碼和操縱。在過去的幾十年裏,量子計算只存在于理論上,但近些年的研究已經開始出現有意義的結果,開發並驗證了多種量子算法,研制出了量子計算機實驗原型機,未來的5年—15年裏,我們很有可能制造出一款有實用意義的量子計算機。

  量子計算機的出現將給氣候模擬、藥物研究、材料科學等其他科研領域帶來巨大的進步。不過,最令人期待的還是量子密碼學。一臺量子計算機將可以破解目前所有的加密方式,而量子加密也將真正無懈可擊。(本報記者 劉 霞)

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【糾錯】 責任編輯: 馮文雅
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