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揭秘微觀世界“小精靈”:量子為人類打開“新世界”

新華社上海5月3日電 題:揭秘微觀世界“小精靈”:量子為人類打開“新世界”

新華社記者陳芳、徐海濤、周琳

5月3日, 中國首台多光子可程式設計量子電腦在上海亮相, 演示了超越早期經典電腦的量子計算能力, 並在世界上首次成功實現十個超導量子比特糾纏。

首顆量子科學實驗衛星“墨子號”升空, 全球首條遠端量子通信骨幹網“京滬幹線”將正式啟用。 究竟什麼是“量子”, 它如何改變我們的生活?今天, 讓我們一起來認識一下這個微觀世界裡的“小精靈”。

“量子”是什麼?量子是最小的、不可再分割的能量單位。

這個概念誕生於1900年, 物理學家普朗克在德國物理學會上公佈了他的成果, 成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。

我們中學物理書上提到的分子、原子、電子, 其實都是量子的不同表現形式。 也可以說, 我們的世界都是由量子組成的。 而我們每個人, 都是“24K”純量子產品。

中國科學技術大學教授朱曉波說, 在我們生活的宏觀世界裡, 物體的位置、速度等運動規律, 都可以通過牛頓力學精確地測算。 但在量子微觀世界裡, 有著與宏觀世界截然不同的規則。

量子的神秘之處首先體現在它的“狀態”。 在宏觀世界裡, 任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態和確定的位置。 但在微觀世界裡, 量子卻同時處於多種狀態和多個位置的“疊加”。

量子力學的開創者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一隻貓來比喻量子態疊加:箱子裡有一隻貓, 在宏觀世界中它要麼是活的, 要麼是死的。 但如果在量子世界中, 它同時處於生和死兩種狀態的疊加。

更為詭異的是, 量子的狀態還經不起“看”。 也就是說, 如果你去測量一個量子, 那麼它就會從多個狀態、多個位置, 變成一個確定的狀態和一個確定的位置了。 如果你打開“薛定諤的箱子”, 貓的疊加狀態就會消失, 你會看到一隻活貓或一隻死貓。

如果說一個量子已經很“奇怪”, 那麼當兩個量子“糾纏”在了一起, 那種不確定性連愛因斯坦都受不了了。 根據量子力學理論, 如果兩個量子之間形成了“糾纏態”, 那麼無論相隔多遠,

當一個量子的狀態發生變化, 另一個量子也會超光速“瞬間”發生如同心靈感應的變化。

雖然直至今天, 人類仍然還沒搞清楚量子為何如此之“神秘”, 但國際主流學界已經接受了量子這種特殊性的客觀存在。 更重要的是, 人們可以利用量子的奇異特性開發創新型應用, 比如量子通信和量子計算。

例如, 量子通信是科學界利用量子特性最早開發的資訊應用, 它的出現也與時代的需求息息相關。 其“不可分割”“測不准”“不可克隆”等特性, 使得理論上“絕對安全”的量子通信成為可能。

而基於量子的疊加態與糾纏特性, 量子電腦被認為將是最具威力的量子資訊應用。 此次亮相的多光子可程式設計量子電腦,

就是探索之一。 未來, 其超級計算能力的實現, 將為金融分析、氣象預報、藥物設計等大規模計算提供全新的方案。 量子電腦還可以通過“類比”, 來解決科學研究中的一些未解之謎。

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