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奇特的量子世界振奋人心的开启新的技术可能性。

【经济学人】亚原子机遇:量子飞跃发展

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译者:曾经蔚蓝 原文作者:Economist
发布:2017-03-25 13:33:38 挑错

浴帽能观察到人的神经元,使他人监测佩戴者的思维;传感器能发现藏在水下的核潜艇;计算机能发现新药物、变革证券交易、设计新材料;全球通信链接网络在牢不可破的物理规律下得到保护,量子科技的前景何止如此。

这些潜力得益于科学家捕捉和摆弄单个原子和微弱光子的能力有所提高。如今计算机芯片变得更小、更快、更便宜,但量子力学认为在足够的微观尺度下,粒子能在固体中穿行,使芯片内部发生短路。量子技术从另一方向解决该问题,它利用单个原子和粒子的异常行为扩大而非缩小设备。正如先前的计算机化,量子技术将开启无数可能性,在现有的几乎所有领域都有用武之地,并有潜力开启新的用途。

奇特而真实

20世纪初,人类总结出原子能级行为的量子力学理论,它有名副其实的奇特之处。因为世界并非人类所见的那样运转,量子力学用充满可能性而非确定性的现实取代了悠久精密的宿命式宇宙观:测量行为影响着测量事物。伴随剧变而来的是真正令人费解的结果,例如粒子从根本上说既不在这也不在那,但明确后同时既在这又在那:它们处于既在这又在那的“叠加”状态。该理论还表明粒子之间有着奇特的关联性:哪怕远隔浩瀚太空,一方发生改变,另一方也同时感受到变化。就连该理论的创立者也对此种“纠缠”感到费解。

正是这些效应显示出如此前景:当初意在深入了解量子领域的完善技术现在有了很好的用途。利用叠加与纠缠特性的装置能极大超越现有装置,实现过去无法想像的事情。

例如:原子钟采用纠缠特性能比目前用于卫星定位的原子钟更加精确,它能增强数量级的导航精确度,使自动驾驶汽车更安全、更可靠。由于各地的引力场力量影响着时间流(根据相对论,大获成功却违反常识的又一理论),原子钟也能测量到引力的细微变化,在不挖掘道路的前提下发现地下管道、追踪隐匿在大洋深处的潜艇。

量子理论的其他方面能防止传递信息遭到窃听。信号经过叠加或纠缠的粒子加密能防止被截取、复制和传递,这对全世界的企业和政府有明显吸引力。中国发射的一颗卫星就能接收和重定向这种信号;无法被侵入的全球网络可能最终随之而来。

奇特的量子效应之间的有利互动在量子计算机中达到巅峰。标准运算用的是0和1,而量子计算机的比特处于两者叠加态,每个“量子比特”都与其他比特相互纠缠。如果运用算法将问题重设为供量子修正的模式,量子计算机能搞定目前最先进的超级计算机需一千年才能完成的运算。高安全量子网络正在研制的同时,令人担忧的是量子计算机将最终淘汰当前基于数学难题的加密技术。

但在此实现之前,小型量子计算机将为能源、物流、药物设计、金融等领域做出其他贡献。即使简单的量子计算机也理应能解决普通计算机无法解决的问题,诸如优化交易策略或从科学文献中筛选有前景的候选药物。谷歌公司上周透露,这种计算机只需5年即可实现商业化。IBM公司正在运行一台供公众访问的基本型量子计算机,公司在本周公布了扩展计划。正如本期“科技季刊”所报道的,大型科技企业和创业公司正在研发软件去发掘这些设备的奇特能力。新型中间商生态系统正在形成,他们为各行各业搭配可以受益的新型硬件。

量子的慰藉

量子计算机的状况与上世纪90年代初的互联网有许多共同之处:基本处于实验室阶段的互联网吸引了科学家数十年注意力,但开始预料到它有更广泛的潜力。蓝筹企业正在投资该领域或进行自主研发,创业公司的数量激增,政府正在进行战略性投资,多年来为基础性研究提供资金,表明有些商品是不能靠市场来供应的,比如蓝天科学项目。量子科学家值得庆幸的是,剩下的主要是工程而非科学上的挑战。目前经过量子强化的设备只是一个开端,量子技术最激动人心的是尚未发掘的潜力。任何变革技术领域的专家都曾预见过许多潜在用途,托马斯·爱迪生曾认为留声机将在演讲课上发挥威力。在20世纪大部分时间里,人们普遍觉得“量子”仅仅意味着“怪异”。在21世纪,“量子”将意味着“更棒”。

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