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高冷量子科技,为何有“未来产业”之名?

来源:大洋网  2021-04-27 10:23:10

“十四五”规划纲要提出,前瞻谋划一批未来产业。未来产业是个“科幻感”十足的名词,指的是目前尚处于孕育阶段或爆发式增长的前期,未来发展潜力巨大,对经济社会具有全局带动和重大引领作用的产业。

4月19日,国家发展改革委新闻发言人孟玮“解密”了我国未来产业的目标领域,类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等领域位列其中。

目前,无论是欧美等发达国家,还是中国北京、上海、广州、深圳、杭州等地,都主动谋划、提前布局量子信息等相关产业。量子信息产业所依托的量子科技,一直给人“高深莫测”的印象。量子科技依托的原理是什么?量子科技的实用价值又在何处?在广州市科协、广州日报主办,广州市科普中心承办的广州科普大讲坛第182期中,科大国盾量子技术股份有限公司总裁、总工程师赵勇受邀对量子科技进行通俗易懂的科普讲解。



赵勇


神奇量子:“叠加”与“纠缠”颠覆人类认识

作为近代物理最有成就的学科之一,量子力学(量子物理)研究的是微观世界的运动规律。但在量子微观世界中,诸多规则与宏观世界完全不同,颠覆了人们的认知。这其中有两个基本规则就是“叠加”和“纠缠”。

“如果在微观世界有一个人,他可以在四个地方同时出现,就像孙悟空的分身术。”赵勇以此举例来阐释,单个量子在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”。

而多个量子则会产生“纠缠”的奇妙反应。两个处于量子纠缠状态的粒子,就像双胞胎的心灵感应一样。无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会超“瞬间”发生变化。“量子纠缠现象已经有大量实验证明其存在,但机理还是个非常开放的问题,未来我们能否利用这点来实现超时空传输,还需要继续研究。”赵勇说。

量子科技并非新近出现的学科领域。量子力学可最早溯源到1895年德国物理学家伦琴发现X射线。之后普朗克于1900年提出量子论,1905年,爱因斯坦提出光量子的概念。量子力学迎来蓬勃发展,广泛应用于诸如原子弹、晶体管、激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻等领域的研究中,被称为“第一次量子革命”。

赵勇说,人们已经掌握技术可以操控微观系统,单个量子的状态可进行人工制备,多个量子之间的相互作用也可进行主动调控。基于技术的进步,“第二次量子革命”由此被提出。

通过操纵微观系统,人类可以突破信息和物质科学技术的经典极限,从而实现无条件安全的通讯、计算能力的飞跃以及超越经典极限的精密测量,这也分别对应了目前量子信息领域发展的三个不同方向的学科,量子通信、量子计算、量子探测。

量子通信:广州成量子保密通信骨干环网“重要节点”

“量子通信不是对现有通信技术的颠覆和迭代,而是改善。”赵勇说,量子通信主要有量子密钥分发和量子隐形传态两种方式。

“因为量子不可分割。传统通信方式中,有人搭根线分走一部分信号的情况在量子通信中很难实现。量子也因为具有叠加的属性,很难对其精确复制。”赵勇介绍说,量子密钥分发充分利用量子的属性,实现数据通道的加密传输,让“世界上通信的双方共享世界上唯一的一对密钥”。

量子隐形传态则更具有“科幻感”,人们甚至幻想依托该技术实现“瞬间移动”。具体方式是利用两个处于纠缠的量子,通过改变其中一个量子的状态,其信息状态可以瞬间传到远方另一个量子身上。

“当然实现人体瞬间移动目前还存在很多困难,但量子隐形传态会为未来的通信提供更大的空间。”赵勇说,中国目前在量子密钥分发和量子隐形传态方面都具有技术优势,中国量子通信处在国际领先水平,并已经走过了从科研到产业化的道路。

搭建广域的量子通信网络是大势所趋,人类目前通过光纤实现城域量子通信网络,通过中继器连接形成城际量子通信网络,再通过卫星中转实现远距离量子通信。

2018年,新一代信息基础设施中的国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程启动,以量子保密通信“京沪干线”和“墨子号”量子科学实验卫星为基础,在京津冀、长江经济带等重点区域建设量子保密通信骨干网及城域网,形成量子保密通信骨干环网。其中主要包括了北京-雄安-武汉-广州的干线,以及合肥-上海的复线建设。

在国际上,中国也在积极谋求合作,2017年9月,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力,为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。

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