加载中…
个人资料
系0人
系0人
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:1,127,254
  • 关注人气:7,198
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

量子将深刻改变人们将来的生活

(2017-11-03 10:28:02)
标签:

杂谈

量子将深刻改变人们将来的生活

李牮:从奇异粒子到量子计算

近日,腾讯深圳总部, 浙江西湖高等研究院PI(独立实验室负责人)李牮博士进行了一场名为 “从奇异粒子到量子计算”的科普讲座。李牮引领听众一窥即将到来的量子革命的一个重要前沿——量子计算,并进一步介绍其中非常有趣并极具潜力的一种方案——“拓扑”量子计算。作为拓扑量子计算的基石,李牮博士还介绍大家认识了一种性质奇异的粒子——马约拉纳费米子。
接下来,让我们跟着李牮博士,来看看这些令人着迷的物理怎样有机会在不远的将来再次深刻地改变人类的生活。

在谈量子计算之前,我们要先从什么是“量子”说起。这里的“量子”,其实是由量子力学所描述的事物的泛称。在量子的世界中存在着不少与我们从日常生活的“经典”世界中获得的经验不同的东西。举例来说,在经典的世界中的一只灰猫,无论人们什么时间看它,它都是灰色的;而在量子的世界中的一只灰猫,人们在看它的时候会发现它有时是黑色的,有时是白色的,只有在统计意义上它才是“灰色”的。我们把这只量子猫所处的状态叫做黑和白的量子叠加态。

如果我们进一步将黑和白当作1和0这两个二进制数,那么这只量子灰猫实际上就是一个量子比特。不同于“非1即0”的经典比特,每一个量子比特都处在“既1又0”的量子叠加态。这样的量子叠加态可以由两个复数组成的一个矢量来描述,而每个复数的模方对应着这个量子比特在被读取的时候显示1或者0的几率——用我们刚才的量子灰猫的例子,这些几率也就是我们实际看到它是一只黑猫或者一只白猫的几率。

量子计算就是从若干个量子比特的初始状态出发,通过一系列变换操作,得到某个特定的终态作为计算结果(上图是一个简单的例子)。这里,量子计算与经典计算最根本的不同就是在于量子计算操作的对象是多个量子比特的量子叠加态。如果量子比特的总数目为N,而每个量子比特或1或0,我们就有种排列组合(例如,如果N=3,我们有下列排列组合:000,001,010,011,100,101,110,111)。这些排列组合构成了量子叠加态的基础——我们的N个量子比特可以“同时”(以一定几率)处在种状态上,类似于我们的一只量子灰猫可以“同时”处在黑和白两种状态。换句话说,基于N个量子比特的量子计算机可以对种状态进行并行处理,从而达到经典计算机无法企及的计算能力(假设N足够大)。
然而,成功制造出一台强大的量子计算机远非易事。这其中最大的障碍是量子退相干。简单的说,量子退相干会破坏我们的量子叠加态,是我们在日常生活中很难直接看到奇特的量子现象的“罪魁祸首”。量子退相干的来源又是无处不在的——温度、外界环境的各种干扰都能带来量子退相干。要想有效的克服量子退相干,一个非常有吸引力的方案就是拓扑量子计算。

拓扑是数学的分支,它不关心物体局部的细节,而只关心整体的分立化的性质。举个例子,一个茶杯在拓扑上可以等于一个甜甜圈,因为它们都有一个孔。茶杯的孔是把手的地方,甜甜圈的孔当然是它中间的孔。另外一方面,一个球和任何一个没有孔的东西是等价的,因为你总是可以把它捏成另一个东西。当拓扑的概念应用到量子计算中来,就是我们想要找到一种特殊的系统,让其中的量子比特以及对它们的操作不受局部细节(干扰)的影响,从而很大程度上避免量子退相干。在现阶段,最接近实现拓扑量子计算的这样一个特殊的系统是基于奇异的马约拉纳费米子的。

马约拉纳费米子是一种“特立独行”的费米子。通常的费米子,例如作为代表的电子,和它的反粒子(正电子)具有截然相反的电荷——电子带负电,正电子带正电——从这个角度说,我们可以把它们看作一黑一白。然而马约拉纳费米子有点像我们中国的太极,它的反粒子——如果我们想象成把黑白互换——其实就是它自己。但这还不是马约拉纳费米子奇异性质的全部。如果我们把两个马约拉纳费米子“拼”到一起,我们可能看到两种结果,如同我们得到黑色或者白色。这很像我们开头所说的量子灰猫,或者量子比特——唯一的不同,也是根本的不同,是现在这个量子比特由两个马约拉纳费米子组成,而这两个马约拉纳费米子可以分处在相距很远的不同位置。这种分散于空间中的量子比特可以有效的对抗局部干扰带来的量子退相干。

更为有趣的是我们在这样的量子比特系统中实现计算操作的方法——编织。这里所说的“编织”是想象在一个平面中分布的若干个马约拉纳费米子随着时间而相互围绕运动所形成的图像。精妙的物理和数学理论告诉我们,通过特定形式的编织,我们能够实现对马约拉纳费米子量子比特的某些基本操作,从而构成量子计算的基础。重要的是,这些编织的形式也具有拓扑的意义——如同一件织好的毛衣,无论穿着它的人身形如何,毛衣并无真正分别(除非毛线不幸断开)。

至今为止,制造一台真正强大的量子计算机,无论是拓扑的还是非拓扑的,仍旧是物理学家们夜以继日奋力追求的目标。但是我们有理由相信,美妙的物理将在不远的未来通过量子计算再次为人类的生活带来深刻的变化。

探索宇宙,量子计算机模拟出了幽灵粒子

奥地利科学家利用一台量子计算机模拟真空中基本粒子对的形成过程。

量子力学认为,在看似空空荡荡的宇宙真空区中,其实充满了无数幽灵般的粒子,它们在存在与不存在两种状态之间反复变化。近日,奥地利科学院科学家首次利用量子计算机模拟出这些所谓的虚拟粒子。

研究人员认为,这一成果将有助于科学家探索宇宙之谜,从中子星的内核到宇宙大爆炸后最初情景。

量子力学表明,在微观层面宇宙是一个模糊的、超现实世界。比如,原子和其它粒子可以以一种“叠加”状态存在,它们看起来可以同时以相反的方向高速旋转,而且它们还可以互相纠缠,即无论它们之间距离有多么远都可以互相影响。

量子力学还认为,虚拟粒子对包括一个粒子和一个反粒子,它们可以在看似真空区忽隐忽现,并会影响周围的环境。

量子力学是现代粒子物理学标准模型的基础,而标准模型可以用来解释所有已知基本粒子的行为,比如电子、质子等。然而,还有许多未解之谜标准模型仍然无法解释,比如暗物质、暗能量等,因为所有这些天文学家都无法直接探测到,但是可以根据它们的引力效应进行合理推测。

基本粒子之间的相互作用通常可以用所谓的“规范理论”来进行描述。但是,传统计算机的计算能力根本无法用于模拟“规范理论”所提出的粒子实时动态。因此,科学家开始考虑采用量子计算机。

奥地利科学院量子光学与量子信息研究所理论物理学家克里斯廷-穆斯奇克介绍说,“我们采用量子计算机将有助于更好地理解自然界基本组成部分之间的相互作用。”传统的计算机采用“0”与“1”二进制信息单位来代表数据,即比特,而量子计算机则采用量子比特。
量子比特也是处于叠加状态,因此一个量子比特可以同时运行两项计算。从理论上讲,在解决某些特定问题时,量子计算机比传统计算机要快得多,因为量子计算机可以同时分析每一种可能的解决方案。

科学家采用四种电磁束缚钙离子研制了一台量子计算机,然后再通过激光脉冲操控这四个量子比特。他们利用这台量子计算机模拟真空中虚拟粒子的忽隐忽现行为,其中每一个量子比特对代表一个虚拟粒子对,特别是指电子与正电子。

研究人员介绍说,激光脉冲主要是用来模拟真空中强大的电磁场是如何生成虚拟粒子的。奥地利科学院量子光学与量子信息研究所物理学家莱纳尔-布拉特介绍说,“这是束缚离子量子计算机所执行的最复杂试验之一。”
试验表明,量子计算机可以模拟高能物理现象,从而呈现在地球环境中难以形成的高能状态下粒子的行为。研究团队成员、奥地利因斯布鲁克大学物理学家伊斯特班-马丁内斯认为,“试验量子计算机技术发展很快,很多人还搞不清楚,一台小型量子计算机究竟能起什么作用。

与其它方面的应用不同,你不需要数百万的量子比特来完成这些模拟工作,十来个足以解决传统方式无法解决的问题。”科学家们采用量子模拟器所分析的问题非常简单,传统的计算机也可以计算出结果。但试验结果表明,量子模拟器的分析结果与预测的结果高度一致,精确度非常高。

这表明,未来量子模拟器不仅仅可以用来解决“规范理论”中更加复杂的问题,甚至还可以取得新的发现成果。

穆斯奇克表示,“我们的试验是未来发展下一代量子模拟器这一长期目标的第一步。”从理论上讲,桌面量子模拟器将有助于模拟超高能物理学现象,如今这些任务都依靠非常昂贵的粒子加速器来完成的,比如大型强子对撞机。
研究团队成员、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所物理学家彼得-佐勒认为,“这两种技术可以实现完美互补。我们不能替代现有的粒子加速器的角色,但是通过发展量子模拟器,我们可以更好地理解粒子加速器的试验成果。”

布拉特表示,“此外,我们还可以利用量子模拟器来研究新的领域,比如研究粒子对形成过程中的粒子纠缠问题,这在粒子加速器中是不可能实现的。”穆斯奇克认为,“最终,量子模拟器还可以帮助科学家模拟中子星内部动态,或研究早期宇宙高能状态下的相关问题。”

科学家们的研究成果发表于《自然》期刊之上。

信息漏洞频现的网络时代,为什么说量子通信是最安全的?

以前总是出现在科幻电影里的黑客与反黑精英的斗智斗勇,没成想现实也能等到这一天。最近通信圈的热点,可不只是各大手机品牌的新机发布会,更抢眼的还有“世界首条量子保密通信干线——京沪干线正式开通,中国科学院院长白春礼与奥地利科学院院长安东·塞林格成功通过量子保密通信网络进行了视频通话。”标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形。

通俗来说,就是这次的视频通话相当于我们的科学家打造了一把最保险的“网络安全锁”,没钥匙完全打不开,来保证网络通信的安全,保护重要信息不被黑客获取,而这把锁就是“量子通信网”;。在网络漏洞频现的互联网时代,这样的技术无异于给受困于信息泄露的广大用户打下一剂强心针。

量子通信是什么?

是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子理论说,两个相互纠缠的粒子,不论相隔多远的距离,当其中一个粒子有变化,另一个粒子会马上产生相应的变化。是不是很像双胞胎之间的心灵感应,而正是由于这样的“心灵感应”我们甚至可以实现更远距离(如光年)的实时通讯与更安全的信息传输。

为什么说量子通信是目前最安全的通信方式?

一是因为量子通信和以往的通信方式不同,它在通信时的密码是完全随机,而非固定好的,不易被破解。

这个密码的生成过程分三步:

1.发送者传输一段由0和1组成的随机比特;
2.接收者收到有一定错误概率的比特;
3.最后双方进行沟通,删掉错的,留下对的,就是最终的随机密码。

二是从量子通信的特点来看,不可分割、不可复制、不可测量直接就导致其不易被破译窃听的优势。

首先,由于量子的“不可分割”,窃听者无法将量子分割进行测量;其次,若强行测量必然会改变量子的状态,从而暴露窃听行为;最后,量子本身的不确定性,即便窃听者截取了量子,也不能精准复原正确的量子状态,得到的信息只能是错误的信息。

所以量子通信的保密性与安全级别是世界范围内最高的。应用方面,目前,通过“京沪干线”,交通银行、工商银行、阿里巴巴集团已经实现了京沪异地数据的量子加密传输应用,而这一成果不仅会应用在包含金融、政务、国防等大型机构,更会渗透到我们生活的方方面面,网购、云盘资料、个人信息等都将得到更严密的保护,我们期待这一天。

未来构建全球量子通信网络具备技术可行性

我国明代的思想家王阳明有句名言:“你未看此花时,此花与汝同寂,你来看此花时,此花颜色一时明白起来 。”这句话长期被当成唯心主义言论而被批判,现在看来,这简直就是量子力学解释的翻版。
为何这些现象和现实格格不入?其实量子力学的解释是基于普朗克尺度或亚原子尺度(极微观尺度)的,生活中的现象完全可以利用经典力学来解释。比如按照量子力学的原理,如果一个人不停地去撞墙,那么他确实有一定的几率“穿墙而过”,但这几率太小太小,他试到宇宙毁灭的那一刻可能都不会发生。
现代的物理学家已将量子纠缠现象视为粒子的基本特性,但是科学家仍不清楚其中的作用机制。依据建立在“不确定性原理”基础上的“量子纠缠”,科学家们提出了“量子通信”的设想,按照不确定性的原理,这种传输信息的方式从根本上杜绝了被破译的可能,即使信息被截取,其“不确定性”使得破译者根本无从下手。

1993年,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信(Quantum Teleportation)的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信概念的提出,使爱因斯坦的“幽灵(Spooky)” ——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。在贝内特提出量子通信概念以后,6位来自不同国家的科学家,基于量子纠缠理论,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案,即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处,这就是量子通信最初的基本方案。
1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。2009年9月,潘建伟的科研团队在3节点链状光量子电话网的基础上,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队,于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。在高损耗的地面成功传输100公里,意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上,基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。以量子通讯卫星核心技术的突破,也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。这个自被提出之时就让人感到“匪夷所思”的理论和现象,在现代不但得到了验证,而且会在不远的将来造福人类。

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4000520066 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有