当信息时代遇上“量子”（开卷知新）

liukang20242个月前 (05-07)热心吃瓜278

来历：海外网

习近平总书记在我国科学院第十九次院士大会、我国工程院第十四次院士大会上的讲话中指出，“进入21世纪以来，全球科技立异进入空前密布活泼的时期，新一轮科技革新和工业革新正在重构全球立异地图、重塑全球经济结构。”在这一空前密布活泼的全球科技立异潮中，较典型的便是“以人工智能、量子信息、移动通讯、物联网、区块链为代表的新一代信息技能加快打破使用”。量子信息技能现已成为当今国际科技实力和立异才能的一大体现，将影响未来信息工业开展和经济社会相貌。

近十几年来，“量子”一词热度显着提高

量子力学的创建和开展，被视作曩昔100多年里对人类社会影响最为严重的科学事情之一。量子论不只彻底改动人类对国际的根底认知，也使咱们的日子发生天翻地覆的改动。从半导体到微电子学，从核能到新材料，从激光到超导超流，能够说，量子论比历史上任何一种科学理论引发的技能革新都多。没有它，咱们就不会有电脑和手机，不会有原子弹和电子显微镜，不会有核磁成像仪和全球卫星定位体系，甚至整个互联网开展在某种程度上也跟它密切相关。有人从前做过预算，现代社会发明的出产总值里至少有1/3建立在量子论根底之上。

十几年前，我为写作科普读物《天主掷骰子吗——量子物理史话》收集材料时就发现，作为现代物理学两大支柱，量子论在群众中的“知名度”远远不如相对论。一方面，这是因为量子论的根本观念十分共同，和普通人的直觉相违反；另一方面，也因为量子论长时间缺少有用宣扬和遍及。相比之下，相对论因为有爱因斯坦这位“代言人”，在大众面前“露脸”的时机比较多，因而更为人所知，甚至在某种程度上成为前沿科学代名词。

近十几年来，“量子”一词热度显着提高。不只盛行文明比方科幻文学、影视、动漫等著作中越来越多地呈现量子概念，在科技报道里也经常能够看到量子范畴的打破性新闻。这并非偶尔，因为现在量子范畴正面对一场新的革新，也便是所谓“二次量子革新”。只不过这一次，走在年代前沿的是量子力学与信息科学的穿插范畴——量子信息。

凭仗“绝无仅有”的安全性，量子信息将为处理信息安全问题供给支撑

什么是量子信息？咱们知道，以电脑、通讯、互联网等为代表的信息技能现已在很大程度上改动了人们日子。但是，跟着年代开展，科学家们发现，如果把传统的表征信息的根本物理单元替换成契合量子力学规则的微观量子体系，然后将量子力学根本原理运用到数据核算、加密、传输等信息处理过程中，将能完结一些传统信息技能无法幻想的使命，这些范畴统称为“量子信息”。

量子信息最首要的三个方向是量子核算、量子加密与量子传输。量子核算使用的是量子论里共同的“量子叠加态”。量子论和经典物理的最大不同，便是它以为事物状况并不是仅有承认的，而能够是各种或许性的“叠加”。传统核算机处理信息的最小单位比特，要么是0要么是1，不行能有其他状况；但在量子论看来，一个比特能够既是0又是1，也便是处于0和1的叠加态，这叫作“量子比特”。量子核算机便是使用这种性质进行核算，因为处理的是处于叠加态的量子比特，所以能够用同步并行的方法进行。换句话说，传统核算机一次只能处理一个信息，而量子核算机一次能够处理N个信息的叠加，核算功率大大提高。这就使量子核算在某些范畴极具威力。比方破解暗码，今日盛行的加密方法，其安全性首要建立在电脑核算才能的约束上——只需暗码满足长，哪怕把全国际最强壮的超级核算机放到一同核算，也未必能够算出成果。而一旦量子核算机成功问世，现行加密体系将面对失效。需求阐明的是，并不是在所有问题上，量子核算机功率都高于传统核算机。因为现在只发现少量几种量子算法，因而只在特定问题上，量子核算机才具有显着优势。除破解暗码，在天气预报、药物组成、深度学习、人工智能开发等范畴，量子核算都被证明大有可为。

量子加密（或称量子密钥分配）使用的是量子不行克隆原理。量子力学以为，不行能把一个粒子的状况信息准确“复制”一份而不改动它本身。使用这种不行克隆性，能够完成一种理论上“肯定安全”的加密手法。在实践中，咱们用光子的偏振方历来“编码”随机发生的密钥信息，一旦这些光子在传输途中被人偷听，因为不行克隆原理，它们的初始状况必定遭到损坏，传输方和接收方很简单经过比较发现这一点，并从头替换暗码。只有当两边承认接收到的暗码未遭偷听之后，才会发送加密过的正文，然后确保内容传输的肯定安全。如果说量子核算机的呈现是一柄尖利的矛，能够刺穿现有的加密体系，那么量子加密便是一张无比巩固的盾，在理论上永久不行能被攻破。从信息安全的视点来说，这无疑具有重要价值。

量子传输（或称量子隐形传态）使用的是量子羁绊，所谓“羁绊”，指的是两个粒子的状况会发生量子力学体系所特有的共同相关。你能够幻想成抛两个硬币，一旦它们“羁绊”在一同，就一定会抛出相同的成果。独特的是，哪怕这两枚硬币后来相隔悠远，甚至飞到国际两头，它们之间的“羁绊”也依然能够持续存在。使用这一原理，咱们能够把一个粒子的状况原封不动地“传送”到另一个粒子身上。在刘慈欣科幻小说《三体》里，三体人制作了4个智子，其间两个智子发射到地球，别的两个留在三体国际，正是凭仗这些智子，三体人能够跨过4光年间隔与人类进行实时交流，这背面便是使用量子羁绊原理进行通讯。当然，与科幻小说不同，真实的量子传输并不能超光速地“瞬间”传送信息。因为在传送粒子状况过程中，咱们还需求给接收方一个额定“暗码”来解密，而这个暗码依然需求靠传统通讯手法来传输。除了不能超光速之外，从原则上讲，科幻电影里常见的场景——一个物体在一处消逝，再在另一处重现，并非是彻底不行能的，仅仅现阶段技能水平还仅限制在传送原子、光子等微观状况。凭仗量子加密和量子传输“绝无仅有”的安全性，量子信息技能将为处理备受国际重视的信息安全问题供给支撑。

科研使用不断打破，大众科普负重致远

因为量子信息在通讯、国防安全、金融等方面具有宽广使用价值和远景，敏捷成为国际各国大力开展的要点范畴。在这轮量子信息浪潮中，在若干方向上，我国名副其实成为领跑者之一。2016年，我国发射了国际上第一颗量子通讯卫星“墨子号”；2017年，全球首个远间隔量子保密通讯骨干网“京沪干线”正式注册，可为沿线金融机构、政府部门等供给高安全等级量子保密通讯事务支撑。能够说，在量子密钥分配、量子隐形传态等范畴，咱们现已获得国际领先地位，在超导量子核算等方向上，咱们前进也十分明显。

随同科研与使用范畴的不断打破，近年来，国内也出书、引进了一些量子信息方面的科普读物，其间代表如《量子》《量子核算——从“伟人核算机”到“量子位元”》《跨过时空的骰子：量子通讯、量子暗码背面的原理》等，量子国际中特有的共同现象，量子核算、量子加密和量子传输等方面的使用或许，正在为更多大众了解。但与此同时，也应看到科普作业的负重致远。大众对量子国际的爱好，很大一部分是被量子论中那些听上去独特甚至怪异的观念激发起来的。以至于现实日子中，“量子+××=高科技”的观念颇有商场，不法商家打着高科技标语推销所谓“量子仪器”“量子保健”“量子动摇速读”，招摇撞骗，坑害顾客。对量子信息也是如此，很多人会视量子核算机为无所不能的超级东西，甚至会发生人工智能很快就要压倒人类的惊骇，也有人一直把量子传输了解成超光速通讯，并由此发生不必要的误解。这提示咱们，一方面应经过更体系、更深化的科普作业揭开量子奥秘面纱，另一方面，也应引导读者知道理论假定和使用实践、抱负状况和现有技能条件之间的间隔，更全面理性地重视科技前沿。

现在，新一轮科技革新和工业革新正处于重要交汇期，以数字化、网络化、智能化为标志的信息技能革新正深化改动着国际相貌和人类出产日子。关于量子信息甚至整个信息科学的科普作业，还有很大前进空间。众所周知，咱们今日日子在一个信息年代，和量子论相同，创建于70多年前的信息论也是一门深化改动了国际的学说，但在这个范畴，至今依然缺少在大众中具有广泛影响力的科普著作。信息论和量子论的结合正勃发新的绚烂光荣，这跟咱们每个人休戚相关，应该被更深化地知道和了解。（作者：曹天元，科普作家）

制图：郭祥

《人民日报》（2020年01月21日 20 版）

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