用途多、安全性高 量子技術將在哪些領域大顯身手

量子技術將在哪些領域大顯身手

本報記者 劉 霞

量子資訊科學(QIS)基於獨特的量子現象， 如疊加、糾纏、壓縮等， 以經典理論無法實現的方式來獲取和處理資訊， 技術應用包括量子傳感與計量、量子通信、量子模擬及量子計算等方面， 它將在傳感與測量、通信、模擬、高性能計算等領域擁有廣闊的應用前景， 並有望在物理、化學、生物與材料科學等基礎科學領域帶來突破， 未來可能顛覆包括人工智慧領域在內的眾多科學領域。

量子傳感與計量：用途多多

QIS在傳感與計量領域有多種用途。

利用糾纏現象，

可將不同的量子系統彼此相連， 對一個系統的測量會影響另一個系統的結果——即使這些系統在物理上是分開的。 兩個量子系統處於略有不同的環境中， 可通過彼此干涉提供有關環境的資訊， 從理論上講， 這種原子干涉儀提供的感知性能要比傳統技術高出幾個數量級。 原子干涉儀除用於慣導外， 還可改裝為重力儀， 以及用於地球系統監測、礦物質精確定位等。 量子授時裝置， 如美國國家標準技術研究院(NIST)研製的量子邏輯鐘， 是目前世界上精度最高的授時裝置之一。 光子源及單光子探測技術可提高光敏探測器的校準精度， 用於微量元素的探測。

量子加密通信：安全性更高

傳統加密技術使用金鑰：發送方使用一個金鑰對資訊進行編碼，

接收方使用另一個金鑰對資訊進行解碼， 但這樣的金鑰有可能被洩露， 從而不可避免地遭到竊聽。 不過， 資訊可以通過量子金鑰分佈(QKD)進行加密。 在QKD中， 關於金鑰的資訊通過隨機偏振的光子發送， 這限制了光子， 使其僅在一個平面中振動。 如果此時竊聽者測量資訊， 量子狀態就會坍塌！只有擁有確切量子金鑰的人， 才能夠解密資訊。

量子通信還可能應用於虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒定等等。 未來， 量子網路將連接分散式量子感測器， 用於全球的地震監測。 而在5年—10年內， 有望開發出可靠的光子源及相關技術， 實現遠距離量子資訊傳輸， 並推動量子處理器之間資料共用協議的相關理論研究。

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， 來研究其他難以直接研究的量子系統屬性。 對化學反應和材料進行建模是量子模擬最有可能的一個應用。 研究者可以在電腦中研究數百萬美元的候選材料， 而無需再花費數年、投入數億美元， 卻只能製造和定性少量材料。 不管目標是更強的飛機用高分子材料、更有效的車用觸媒轉化器、更好的太陽能電池材料和醫學品， 還是更透氣的纖維等， 開發環節加快將會帶來巨大價值。

基於不同技術的量子模擬器原型已在實驗室環境得到了驗證。

量子計算：未來研究顯神通

量子計算是通過疊加原理和量子糾纏等次原子粒子的特性來實現對資料的編碼和操縱。

在過去的幾十年裡， 量子計算只存在於理論上， 但近些年的研究已經開始出現有意義的結果， 開發並驗證了多種量子演算法， 研製出了量子電腦實驗原型機， 未來的5年—15年裡， 我們很有可能製造出一款有實用意義的量子電腦。

量子電腦的出現將給氣候模擬、藥物研究、材料科學等其他科研領域帶來巨大的進步。 不過， 最令人期待的還是量子密碼學。 一台量子電腦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。