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揭秘微观世界“小精灵”:量子为人类打开“新世界”

2019-06-18 16:19 来源: 新华社
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新华社上海5月3日电 题:揭秘微观世界“小精灵”:量子为人类打开“新世界”

新华社记者陈芳、徐海涛、周琳

5月3日,中国首台多光子可编程量子计算机在上海亮相,演示了超越早期经典计算机的量子计算能力,并在世界上首次成功实现十个超导量子比特纠缠。

首颗量子科学实验卫星“墨子号”升空,全球首条远程量子通信骨干网“京沪干线”将正式启用。究竟什么是“量子”,它如何改变我们的生活?今天,让我们一起来认识一下这个微观世界里的“小精灵”。

“量子”是什么?量子是最小的、不可再分割的能量单位。这个概念诞生于1900年,物理学家普朗克在德国物理学会上公布了他的成果,成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。

我们中学物理书上提到的分子、原子、电子,其实都是量子的不同表现形式。也可以说,我们的世界都是由量子组成的。而我们每个人,都是“24K”纯量子产品。

中国科学技术大学教授朱晓波说,在我们生活的宏观世界里,物体的位置、速度等运动规律,都可以通过牛顿力学精确地测算。但在量子微观世界里,有着与宏观世界截然不同的规则。

量子的神秘之处首先体现在它的“状态”。在宏观世界里,任何一个物体在某一时刻有着确定的状态和确定的位置。但在微观世界里,量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。

量子力学的开创者之一、奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫来比喻量子态叠加:箱子里有一只猫,在宏观世界中它要么是活的,要么是死的。但如果在量子世界中,它同时处于生和死两种状态的叠加。

更为诡异的是,量子的状态还经不起“看”。也就是说,如果你去测量一个量子,那么它就会从多个状态、多个位置,变成一个确定的状态和一个确定的位置了。如果你打开“薛定谔的箱子”,猫的叠加状态就会消失,你会看到一只活猫或一只死猫。

如果说一个量子已经很“奇怪”,那么当两个量子“纠缠”在了一起,那种不确定性连爱因斯坦都受不了了。根据量子力学理论,如果两个量子之间形成了“纠缠态”,那么无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会超光速“瞬间”发生如同心灵感应的变化。

虽然直至今天,人类仍然还没搞清楚量子为何如此之“神秘”,但国际主流学界已经接受了量子这种特殊性的客观存在。更重要的是,人们可以利用量子的奇异特性开发创新型应用,比如量子通信和量子计算。

例如,量子通信是科学界利用量子特性最早开发的信息应用,它的出现也与时代的需求息息相关。其“不可分割”“测不准”“不可克隆”等特性,使得理论上“绝对安全”的量子通信成为可能。

而基于量子的叠加态与纠缠特性,量子计算机被认为将是最具威力的量子信息应用。此次亮相的多光子可编程量子计算机,就是探索之一。未来,其超级计算能力的实现,将为金融分析、气象预报、药物设计等大规模计算提供全新的方案。量子计算机还可以通过“模拟”,来解决科学研究中的一些未解之谜。

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作者: 陈芳、徐海涛、周琳   [责任编辑: 宋金玉]