用量子颠覆世界:量子互联网时代正在诞生!

原标题:用量子颠覆世界:量子互联网时代正在诞生!

7月23日,据外国媒体报道,美国能源部公布了一项将全力打造量子互联网的计划,目标是在未来10年内建成全国性的量子互联网并希望美国能够借此引领量子互联网新时代。那么量子互联网到底是什么呢?为什么美国要致力于建立这个“第二互联网”?量子互联网在未来发展中会遇到哪些艰难险阻呢?

星际旅行、时光穿梭、平行宇宙……无数科幻小说和影视作品为我们展现了未来科学技术的力量。你可能会认为这些作品都是创作者们凭空想象出来的,其实不然,创作者们都有一个创作的理论基础,那就是量子力学。

量子力学始于20世纪初,由普朗克、爱因斯坦、薛定谔、玻尔等物理学家为量子力学制定了基本的理论框架。随着量子技术的不断发展,激光、晶体管和核磁共振等现代技术相继问世,给量子技术领域带来了新突破。

20世纪末,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念,所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,通过将量子论和信息论相结合来进行研究的一门学科。

一、什么是量子?

在十九世纪末,科学家们已经搭建了一套完整的科学体系。但是随着科学家们的不断艰苦探索,他们发现很多物理现象和实验结果无法用经典物理学解释,甚至和传统的理论认知相悖。

科学家们发现一个物理量存在最小的不可分割的单位,则称这个物理量是量子化的,并把最小的单位称为量子。例如,光是由光子组成的,光子就是一种光量子。

说到这里,大家可能又会有疑问:量子纠缠是什么?它是一种量子力学现象,是粒子在由两个或者两个以上粒子组成的系统中互相影响的现象。

量子纠缠可以用“薛定谔的猫”来帮助理解:把一只猫放入一个封闭的箱子里,和猫共处一室的还有一个自动化装置,内含一个放射性原子:如果原子核发生衰变,就会触动机关,打破毒药瓶,释放毒物,于是猫就会当场毙命。那么过了一会儿,问这只猫现在是死了,还是活着呢?我们打开箱子就可以知道这只猫是死是活,但是不打开箱子,我们就无法知道真相。

以量子物理的微观角度来解释,猫的死活取决于原子是否衰变,原子处于“衰”或者是“不衰”的两种叠加状态,因此实验中的这只猫可以类比于微观世界的原子,处于“死”和“活”的两种叠加状态。

二、量子互联网究竟是什么?

量子互联网是一种基于量子力学原理而建为立的新型互联网,利用了量子物理学的独特效应。其实,早在量子物理学发展早期阶段,世界各地的研究团队就已经开展了将量子技术运用于互联网的研究工作。量子互联网的基本资源是量子比特和量子纠缠,此外,量子互联网同样可以像现有的互联网那样对量子信息进行传递、处理和存储。

根据《美国量子网络战略远景报告》,量子互联网的核心组成部分主要有量子探测器、纠缠态和超纠缠态以及量子态的传输,控制和测量、用于量子源的传统源的信号转换器、更可靠的量子存储缓冲器和小型量子计算机以及可以进行长距离纠缠分布的量子中继器。

目前,从全球来看,量子网络技术处于研发的早期阶段,近日,为了推进全球量子网络技术基础的发展,美国能源部公布了量子互联网发展的蓝图,以确保美国成为引领全球量子技术的先驱者。与欧美国家相比,中国起步较晚,但在过去二十年年,中国在量子通信技术上飞速进步,目前已经成为国际领跑者。

三、量子互联网的出现将带来什么?

据了解,量子互联网具有特殊的访问方式,每一次访问都会留下不可磨灭的“痕迹”。由于对量子体的任何测量行为都是量子体的一次修改,所以任何窥探量子信息的企图都会留下马脚,从而可以被量子信息的接收者监测到。在量子互联网的帮助下,我们通信时隐私的绝对安全能够得到保证。

不仅如此,科学家们还可以使用量子网络技术进行经典计算机无法实现的实验,例如模拟分子或材料的量子物理学,运用此技术可以大幅度地提高引力波等现象的精确度,甚至可以连接量子来锐化图像。如果量子互联网被广泛运用,那么它必然能给科学家们在漫长的探索道路中带来一片光明。

图为量子计算机

在未来,随着量子互联网的全力发展,量子互联网有极大可能会取代今天的互联网。量子网络的各种运用都会在科学家们的研究中被不断发现,可以想象,在几十年的今后,我们的数据信息不再会丢失,电脑也不再容易死机,隐私也不再被泄露,许多当今出现的网络问题都会被迎刃而解。

四、量子互联网离我们还有多远?

北京大学自动化学院教授王健全教授表示,理论和设备是量子互联网发展的两道坎。从理论的角度来看,量子互联网和现代互联网的所遵循的理论不同,现有的互联网遵循的是基本的通讯理论,而量子互联网遵循的是量子力学。

由于量子互联网的概念刚提出不久,量子互联网系统理论还未完全建立。许多设备还处于研发的初步阶段,发展过程还存在诸多的不确定性,因此量子互联网的全面运用还需要好长一段路要走。

来源:STEAM在线根据科技日报、百度百科等资料整理

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