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揭秘微觀世界『小精靈』:量子為人類打開『新世界』

時間:2017-05-03 19:27:23

  5月3日,中國首臺多光子可編程量子計算機在上海亮相,演示了超越早期經典計算機的量子計算能力,並在世界上首次成功實現十個超導量子比特糾纏。

  首顆量子科學實驗衛星『墨子號』昇空,全球首條遠程量子通信骨乾網『京滬乾線』將正式啟用。究竟什麼是『量子』,它如何改變我們的生活?今天,讓我們一起來認識一下這個微觀世界裡的『小精靈』。

  『量子』是什麼?量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個概念誕生於1900年,物理學家普朗克在德國物理學會上公布了他的成果,成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。

  我們中學物理書上提到的分子、原子、電子,其實都是量子的不同表現形式。也可以說,我們的世界都是由量子組成的。而我們每個人,都是『24K』純量子產品。

  中國科學技術大學教授朱曉波說,在我們生活的宏觀世界裡,物體的位置、速度等運動規律,都可以通過牛頓力學精確地測算。但在量子微觀世界裡,有著與宏觀世界截然不同的規則。

  量子的神秘之處首先體現在它的『狀態』。在宏觀世界裡,任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態和確定的位置。但在微觀世界裡,量子卻同時處於多種狀態和多個位置的『疊加』。

  量子力學的開創者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態疊加:箱子裡有一只貓,在宏觀世界中它要麼是活的,要麼是死的。但如果在量子世界中,它同時處於生和死兩種狀態的疊加。

  更為詭異的是,量子的狀態還經不起『看』。也就是說,如果你去測量一個量子,那麼它就會從多個狀態、多個位置,變成一個確定的狀態和一個確定的位置了。如果你打開『薛定諤的箱子』,貓的疊加狀態就會消失,你會看到一只活貓或一只死貓。

  如果說一個量子已經很『奇怪』,那麼當兩個量子『糾纏』在了一起,那種不確定性連愛因斯坦都受不了了。根據量子力學理論,如果兩個量子之間形成了『糾纏態』,那麼無論相隔多遠,當一個量子的狀態發生變化,另一個量子也會超光速『瞬間』發生如同心靈感應的變化。

  雖然直至今天,人類仍然還沒搞清楚量子為何如此之『神秘』,但國際主流學界已經接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是,人們可以利用量子的奇異特性開發創新型應用,比如量子通信和量子計算。

  例如,量子通信是科學界利用量子特性最早開發的信息應用,它的出現也與時代的需求息息相關。其『不可分割』『測不准』『不可克隆』等特性,使得理論上『絕對安全』的量子通信成為可能。

  而基於量子的疊加態與糾纏特性,量子計算機被認為將是最具威力的量子信息應用。此次亮相的多光子可編程量子計算機,就是探索之一。未來,其超級計算能力的實現,將為金融分析、氣象預報、藥物設計等大規模計算提供全新的方案。量子計算機還可以通過『模擬』,來解決科學研究中的一些未解之謎。

原標題:揭秘微觀世界『小精靈』:量子為人類打開『新世界』
來源:新華網  作者:陳芳、徐海濤、周琳
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