絕了,科技圈用這些比喻看量子丨思客問答

發表于  10/30 16:15   約8分鐘

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  普朗克、愛因斯坦、玻爾、海森堡、費米、薛定諤……20世紀科學界許多最為傑出的頭腦,都為一個概念著迷——量子。

  進入21世紀,仍然有無數的科學家與量子不斷地“糾纏”,創造一個一個奇跡。

  經過三十多年努力,中國量子科學夢之隊,已經是世界頂級科學家,撐起了量子領域的一片天。但是在普通人眼中,量子以及量子科技仍是一種“神秘莫測”的存在,那在科技圈,量子是什麼樣的?量子科技又是怎樣的尖端科技?研究量子有多難?科技圈流傳的這些淺顯易懂的比喻或許能解開你心中的疑惑。

 

量子可以説是魚群中的一條條魚,上臺階時的一個個臺階

 

  物理學往往是違背人類直覺的,一個恰當的比喻,可以幫助大家理解違背直覺的物理定律。對于量子這個抽象概念,中國科學院物理所研究員曹則賢曾打過這樣一個比方:我們生活中可以見到的、感知到的事物,包括光與能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠處看魚群是烏泱烏泱的一片黑,但是放大了看就是一條條魚,這一條條魚就可以説是魚群的量子。

  中國科學技術大學副研究員、科普專家袁嵐峰在媒體上這樣撰文解釋:量子的本意是個數學概念,簡言之就是“離散變化的最小單元”。什麼叫“離散變化”?袁嵐峰這樣解釋:我們統計人數時,可以有一個人、兩個人,但不可能有半個人、三分之一個人。我們上臺階時,只能上一個臺階、兩個臺階,不能上半個臺階、三分之一個臺階。這些就是“離散變化”。對于統計人數來説,一個人就是一個量子。對于上臺階來説,一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化,我們就説它是“量子化”的。

 

“量子水”“量子鞋墊”都是假的,不是量子産品

 

▲中科院院士、中國科學技術大學郭光燦教授

▲中科院院士、中國科學技術大學郭光燦教授

  生活中有哪些量子的存在?中科院院士、中國科學技術大學郭光燦教授舉例説,量子力學實際上早就應用到日常生活中了,例如現在我們用的手機、電腦,它的原理就是量子力學,但老百姓不知道它來源于量子力學。現在的手機、電腦是使用量子力學開發出來的經典技術,它們的核心裝置是芯片,芯片裏面的處理器基本單元是晶體管,晶體管是根據量子力學裏面的能帶理論制造出來的,晶體管造出來之後才有手機、計算機的芯片。還有當今互聯網傳輸信號必須使用的激光,它是根據愛因斯坦的光量子輻射理論産生的,不過激光本身是經典的,它的量子效應很低,所以可以忽略。由此可知,現代的手機、電腦、互聯網都是來源于量子力學開發的經典技術。

  真正的量子科技確實離廣大民眾還很遠,因為還沒有一種量子産品成為老百姓的必需品。目前市場上有很多帶著“量子”二字的産品,什麼“量子水”“量子鞋墊”,這些都是假的,都不是量子産品短時間內量子産品也不可能走進千家萬戶。

 

未來量子科技將影響生活的方方面面

 

  郭光燦教授介紹,展望未來的話,如果通用量子計算機得到了廣泛應用,那麼各個行業,醫療、農業生産、工業生産、人工智能,整個社會方方面面都會受到量子技術的影響,量子計算機能夠超過電子計算機,密碼領域量子通信可以提升傳輸的安全,量子傳感可以測量很多很重要的參數。

  醫療方面,我們生産新藥物的速度會大大提高,這是因為新藥制造需要計算機模擬哪個配方是最有效的,使用電子計算機模擬非常慢,但量子計算機很快就能計算出來,這就關係到老百姓的身體健康;人工智能方面,無人駕駛汽車傳感器處理的速度會更快,性能就會提高;農業方面,量子計算機出來後,可以研究清楚光合作用是怎麼回事,有科學家預言,如果這個應用研究成功了,太陽能的利用會從現有的10%提高到20%~30%,農業會出現跳躍式發展,全球老百姓的吃飯就不會有問題。

 

研制量子計算機,就像“用原子壘起一座金字塔”

 

科研人員在檢查量子計算機低溫處理設備。圖片來源:人民日報

科研人員在檢查量子計算機低溫處理設備。圖片來源:人民日報

  量子科技對于未來生活的影響可以説是顛覆性的,但很少有人知道,研究量子有多難。作為中國知名的空間光電載荷專家,中國科學院院士王建宇比喻,實現量子衛星“天地實驗”,“相當于人在萬米高空,把硬幣扔進地面的一個儲錢罐。”

  中科院量子信息重點實驗室副主任、中國科學技術大學教授郭國平説,研制量子計算機,就像“用原子壘起一座金字塔”。

 

我國從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅

 

  郭光燦教授説,我們國家在量子領域的整體研究水平處在國際第一梯隊的位置。

2017年5月3日,世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生 (新華社記者 金立旺 馬研 編制)

2017年5月3日,世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生 (新華社記者 金立旺 馬研 編制)

  細分來看,我們在量子密碼領域跟國際一流是不相上下的,但我不能説它領先,因為美國從2015年開始就不再公布他們的研究成果了,我們不知道他們在什麼程度,自然也不能説領先他,但我們可以説不會輸他,我們是一流水平。

  在量子計算機上我們落後美國大概五年以上的水平,但我們在這個領域也佔有一席之地。近期空客集團發起了一個競賽,請全世界研究量子計算的人使用量子計算機來解決某些問題,一共有36個單位參加,入圍決賽的5家單位中我國就有一家。

  而在量子信息技術上,我們可以實現世界上最高維度的量子糾纏可以實現最高粒子數的糾纏也可以達到世界上最高的糾纏的保真度,所以我們量子信息技術也是居于國際前沿的。 

▲ 潘建偉在中國科學技術大學的辦公室內與“墨子號”量子衛星模型合影。 新華社記者 張端 攝

▲ 潘建偉在中國科學技術大學的辦公室內與“墨子號”量子衛星模型合影。 新華社記者 張端 攝

   中國“量子之父”、量子物理學家、中科院院士潘建偉介紹,我國在量子科技領域産出了多光子糾纏及幹涉度量、量子反常霍爾效應、世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”、量子保密通信“京滬幹線”、世界首臺光量子計算原型機等一批具有重要國際影響力的成果。

2016年 8月16日,我國在酒泉衛星發射中心用長徵二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星發射升空(拼版照片)。 新華社記者 金立旺 攝

2016年 8月16日,我國在酒泉衛星發射中心用長徵二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星發射升空(拼版照片)。 新華社記者 金立旺 攝

  正如英國《自然》雜志評價的一樣,中國在量子領域,“從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅”。未來,量子也會慢慢揭開神秘面紗,走入尋常百姓家。

 

參考資料:

《探“微觀世界” 抓“關鍵變量”——我國科學家與量子“糾纏”的故事》 ,新華社 ,2020年10月27日

《對話郭光燦院士:量子力學早已進入生活,量子科技將改變生活》,新京報,2020年10月26日

《走進神秘的量子世界》,中國青年網,2020年10月25日

來源:新華網思客綜合

策劃:劉娟

監制:李曉雲

編輯:孫惠

校對:馬宇聰

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未來,量子會慢慢揭開神秘面紗,走入尋常百姓家。

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