量子技術(shù)將在哪些領(lǐng)域大顯身手

本報(bào)記者 劉 霞

量子信息科學(xué)(QIS)基于獨(dú)特的量子現(xiàn)象，如疊加、糾纏、壓縮等，以經(jīng)典理論無法實(shí)現(xiàn)的方式來獲取和處理信息，技術(shù)應(yīng)用包括量子傳感與計(jì)量、量子通信、量子模擬及量子計(jì)算等方面，它將在傳感與測量、通信、仿真、高性能計(jì)算等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，并有望在物理、化學(xué)、生物與材料科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域帶來突破，未來可能顛覆包括人工智能領(lǐng)域在內(nèi)的眾多科學(xué)領(lǐng)域。

量子傳感與計(jì)量：用途多多

QIS在傳感與計(jì)量領(lǐng)域有多種用途。

利用糾纏現(xiàn)象，可將不同的量子系統(tǒng)彼此相連，對一個(gè)系統(tǒng)的測量會(huì)影響另一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果——即使這些系統(tǒng)在物理上是分開的。兩個(gè)量子系統(tǒng)處于略有不同的環(huán)境中，可通過彼此干涉提供有關(guān)環(huán)境的信息，從理論上講，這種原子干涉儀提供的感知性能要比傳統(tǒng)技術(shù)高出幾個(gè)數(shù)量級。原子干涉儀除用于慣導(dǎo)外，還可改裝為重力儀，以及用于地球系統(tǒng)監(jiān)測、礦物質(zhì)精確定位等。量子授時(shí)裝置，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)研制的量子邏輯鐘，是目前世界上精度最高的授時(shí)裝置之一。光子源及單光子探測技術(shù)可提高光敏探測器的校準(zhǔn)精度，用于微量元素的探測。

量子加密通信：安全性更高

傳統(tǒng)加密技術(shù)使用密鑰：發(fā)送方使用一個(gè)密鑰對信息進(jìn)行編碼，接收方使用另一個(gè)密鑰對信息進(jìn)行解碼，但這樣的密鑰有可能被泄露，從而不可避免地遭到竊聽。不過，信息可以通過量子密鑰分布(QKD)進(jìn)行加密。在QKD中，關(guān)于密鑰的信息通過隨機(jī)偏振的光子發(fā)送，這限制了光子，使其僅在一個(gè)平面中振動(dòng)。如果此時(shí)竊聽者測量信息，量子狀態(tài)就會(huì)坍塌！只有擁有確切量子密鑰的人，才能夠解密信息。

量子通信還可能應(yīng)用于虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒定等等。未來，量子網(wǎng)絡(luò)將連接分布式量子傳感器，用于全球的地震監(jiān)測。而在5年—10年內(nèi)，有望開發(fā)出可靠的光子源及相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子信息傳輸，并推動(dòng)量子處理器之間數(shù)據(jù)共享協(xié)議的相關(guān)理論研究。

量子模擬：建模材料最可能

量子模擬器使用易操控的量子系統(tǒng)，來研究其他難以直接研究的量子系統(tǒng)屬性。對化學(xué)反應(yīng)和材料進(jìn)行建模是量子模擬最有可能的一個(gè)應(yīng)用。研究者可以在計(jì)算機(jī)中研究數(shù)百萬美元的候選材料，而無需再花費(fèi)數(shù)年、投入數(shù)億美元，卻只能制造和定性少量材料。不管目標(biāo)是更強(qiáng)的飛機(jī)用高分子材料、更有效的車用觸媒轉(zhuǎn)化器、更好的太陽能電池材料和醫(yī)學(xué)品，還是更透氣的纖維等，開發(fā)環(huán)節(jié)加快將會(huì)帶來巨大價(jià)值。

基于不同技術(shù)的量子模擬器原型已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境得到了驗(yàn)證。

量子計(jì)算：未來研究顯神通

量子計(jì)算是通過疊加原理和量子糾纏等次原子粒子的特性來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼和操縱。在過去的幾十年里，量子計(jì)算只存在于理論上，但近些年的研究已經(jīng)開始出現(xiàn)有意義的結(jié)果，開發(fā)并驗(yàn)證了多種量子算法，研制出了量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)原型機(jī)，未來的5年—15年里，我們很有可能制造出一款有實(shí)用意義的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將給氣候模擬、藥物研究、材料科學(xué)等其他科研領(lǐng)域帶來巨大的進(jìn)步。不過，最令人期待的還是量子密碼學(xué)。一臺量子計(jì)算機(jī)將可以破解目前所有的加密方式，而量子加密也將真正無懈可擊。