[2010-27期]玩转“时空穿梭”量子技术再获突破
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2010年27期A版 责任编辑：陈平
作者 小邹
热门的网络游戏《魔兽世界》中有“炉石”和“传送门”，玩家只要点击这样的道具，就能实现时空穿梭和传送。而通过量子通信技术也能实现类似的时空传送功能。2010年6月，世界顶级科学刊物《自然·光子学》在封面文章中刊登了国内科学家的一项成果：一个量子态没有通过任何载体，却瞬间出现在了16公里以外。这项来自中国的量子通信实验再次震惊了世界，什么是量子呢？什么又是量子通信呢？量子计算机又是什么呢？一系列量子技术取得突破，有何意义呢？又会对企业用户及人们的未来生活带来什么影响呢？
走近神秘的“量子”
我们都知道有原子、分子、原子核……而究竟什么是量子呢？或量子究竟是什么东西呢？这确实是个难以解释清楚的问题，而且多数人都是第一次或根本就没听说过量子，自然为此感到困惑。最早发现量子的是普朗克，他于1900年在对热辐射的研究中第一个窥见了量子，并提出了能量量子化假说，根据这一假说，在光波的发射和吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这一最小能量元便被称为能量子或量子。而根据这一理论，我们就能基本明白量子是什么，量子就是物质粒子的非连续运动的最小能量元，而所有的量子都起源于这种非连续运动。
“如果物质的运动不是连续运动，那它就是非连续运动，这是一个简单而直接的逻辑推理。”由于连续运动无法解释很多自然现象，就导致了基于非连续运动的诸多量子新技术的出现，如量子通信、量子计算等等。只要你能明白这一点，则能更深层次地理解什么是量子，从而能理解这种非连续运动导致的微观世界的存在。
而量子通信、量子计算技术是目前最热门的量子研究。量子通信是利用了光子等粒子的“量子纠缠”原理的一种通信技术，而“量子纠缠”技术的基本原理是在微观世界里，不论两个粒子间距有多远，一个粒子变化都会影响到另一个粒子，这可产生一种“神奇的力量”，因此成为量子通信和具有超级计算能力的量子计算机的基础。
各种量子通信技术研究方兴未艾
量子通信正走向现实
实现物质传输的“时空穿梭”，这听起来充满幻想的事，一般出现在神话或科幻小说的故事情节中，而随着量子通信（Quantum Teleportation）技术的不断发展，这种梦想正在逐步变成现实。1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（Alain Aspect）领导的小组成功地完成了一项实验，首次证实了微观粒子“量子纠缠（quantum entanglement）”现象确实存在，证实了“任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（Nonlocal），世间万物在深层次中存在内在联系”，该结论对当代主流世界观产生了重大的冲击。
利用“量子纠缠”技术，需要传输的量子态可如同科幻小说中描绘的“时空穿梭”，在一个地方神秘消失，不需要任何载体的运送，又会在另一个地方瞬间出现。这样的理念听起来很玄幻，但随着相关科学研究的深入，正一步步证实这种“时空穿梭”是存在的。在“量子纠缠”理论的基础上，1993年美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念，量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它可利用光子等基本粒子的“量子纠缠”原理实现保密通信。
1997年，欧洲，在波密斯特、潘建伟等人组织的实验中，首次实现了未知量子态的远程传输，这是国际上首次在实验室成功地将一个量子态从A地的光子远程传送到B地的光子上，实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。该成果成为量子通信技术发展的一个里程碑。
2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组，在地面和卫星之间进行量子通信研究，创下了通信距离达144公里的最远纪录，并且证实了空气容易干扰光子脆弱的量子状态。而在人造卫星和地面之间进行量子通信，由于空气随着离地面高度的增加逐渐稀薄，在外太空“旅行”数千公里仅相当于在地面上“旅行”8公里，这让太空至地球的卫星量子通信成为一项可行性技术，人类完全可以此建立全球量子卫星通信网络。
而此番世界顶级科学刊物《自然·光子学》刊登的成果，2007年开始，中国科大和清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，在取得了一系列关键技术突破后，最终在2009年成功实现了世界上地面最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。这段16公里的旅程创造了新的世界纪录，这是目前地球上量子态在大气层内的自由空间中被证实所能隐形传输的最远距离。
与目前成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅可在军事等领域发挥重要的作用， 打开量子计算机之门
随着量子通信技术、传统电子计算机、超级计算机模拟技术的不断突破，量子计算机也渐行渐近。量子计算机是一种遵循量子力学规律，进行高速逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机出现，但是世界各国的大型实验室都正以巨大的热情追寻着这个梦想。为此各国科学家提出了各种各样的量子计算机方案，如利用原子和光腔相互作用、电子或量子点操纵、超导量子干涉等技术来实现量子计算机的研制。
从技术理论上来看，量子计算机和传统的电子计算机有本质上的不同，当代电子计算机采用二进制0和1来模拟开关电路通、断的两种状态，用于表示数据或计算指令。而在量子计算机中，量子计算机的输入态和输出态一般为叠加态，可以叠加，而且互相干涉，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。当量子计算机进行运算时，不同的量子可同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果。如果把电子计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同的状况，“对一个500位的阿拉伯数字进行因式分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需要大约几分钟。”目前自以为安全的一切安全系统能瞬间被破解，现有的密码体系将不堪一击。
所以，能让许多数值并行计算、计算能力极其强大的量子计算机一旦研制成功，将改变世界。目前量子计算机已在实验室阶段获得了一些突破，例如，德国于利希研究中心2010年3月31日发表公报说，于利希研究中心与荷兰格罗宁根大学的科学家一起开发了一套模拟软件，提高了多处理器共同工作的效率，让欧洲性能最强的超级计算机JUGENE成功模拟出了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。德国研究人员介绍，传统计算机增加10%的晶体管数量，即使在理想情况下其性能也只能增加10%，属于线性增长。而从理论上讲，量子计算机的计算能力是以幂数级增长的，即增加量子计算机的一个位数，其计算能力至少翻倍。量子计算机的强大能力来自于它的工作方式。
同生物计算机一样，量子计算机正成为未来计算机发展的方向之一。目前已有很多国家的科学家正在就制造量子计算机可使用的材料、量子计算机的工作特性等进行基础性研究。2010年6月，来自东芝的Andrew Shields认为他们拥有了解决问题的一个关键工具，这个工具很容易制造，在有需要时可以与电池连接发出“纠缠态”光子。Andrew Shields说：“这是一个巨大的进步，因为这意味着你可以把很多设备整合到一个单独的芯片中。”目前东芝尚未进入计算工作阶段，但Andrew Shields认为，使用该技术的基本量子计算电路可以在5年内完成。量子计算机的运作过程需要大量“纠缠态”光子，目前只能用激光设备制造“纠缠态”光子。
此外，在2010年6月24日出版的《自然》杂志上，澳大利亚国立大学领导的研究小组宣布研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术，该技术通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子，可大大减少激光穿越过程中光子的损失，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率最高不超过45%。这一系统具有史无前例的高效率和高精准度，可使激光精妙的量子特性被存储和操控。其研究人员马修·塞拉斯表示：“该技术可更好地在两种晶体存储器间实现‘量子纠缠’，无论双方相距多远都能保持特殊的关联性，读取一个存储器内的信息，可立刻改变另一个存储器中存储的信息，这将使量子通信或量子计算机技术进一步走向现实。”
毫无疑问，这些技术的不断突破和成果的连续取得，意味着通向量子计算机之门正一步步被打开。
量子计算机的研究被提上日程表
编后>>
中国科学家实现了目前世界上地面最长距离的量子通信传输，这个突破引起了业界的普遍关注。在各国科学家的不断努力下，量子通信和量子计算机正离我们越来越近，当然我们也应该看到，虽然人类科技朝着实用性的量子通信、量子计算机迈进了一大步，但还需要很多努力才能真正达到目的。虽然像量子通信这样的技术还不能实现像科幻电影中描述的“心电感应、时空穿梭、超时空传送、超远距离瞬移”功能，但它一定会带来新的通信方式和计算方式，量子技术对国防和通信、新技术和新材料研究都有重大的意义，一定会为未来的企业运营和人类生活带来新方式，值得关注。 | 而且一旦成熟并推广应用的话，将成为国民经济发展的助推剂。 打开量子计算机之门
随着量子通信技术、传统电子计算机、超级计算机模拟技术的不断突破，量子计算机也渐行渐近。量子计算机是一种遵循量子力学规律，进行高速逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机出现，但是世界各国的大型实验室都正以巨大的热情追寻着这个梦想。为此各国科学家提出了各种各样的量子计算机方案，如利用原子和光腔相互作用、电子或量子点操纵、超导量子干涉等技术来实现量子计算机的研制。
从技术理论上来看，量子计算机和传统的电子计算机有本质上的不同，当代电子计算机采用二进制0和1来模拟开关电路通、断的两种状态，用于表示数据或计算指令。而在量子计算机中，量子计算机的输入态和输出态一般为叠加态，可以叠加，而且互相干涉，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。当量子计算机进行运算时，不同的量子可同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果。如果把电子计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同的状况，“对一个500位的阿拉伯数字进行因式分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需要大约几分钟。”目前自以为安全的一切安全系统能瞬间被破解，现有的密码体系将不堪一击。
所以，能让许多数值并行计算、计算能力极其强大的量子计算机一旦研制成功，将改变世界。目前量子计算机已在实验室阶段获得了一些突破，例如，德国于利希研究中心2010年3月31日发表公报说，于利希研究中心与荷兰格罗宁根大学的科学家一起开发了一套模拟软件，提高了多处理器共同工作的效率，让欧洲性能最强的超级计算机JUGENE成功模拟出了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。德国研究人员介绍，传统计算机增加10%的晶体管数量，即使在理想情况下其性能也只能增加10%，属于线性增长。而从理论上讲，量子计算机的计算能力是以幂数级增长的，即增加量子计算机的一个位数，其计算能力至少翻倍。量子计算机的强大能力来自于它的工作方式。
同生物计算机一样，量子计算机正成为未来计算机发展的方向之一。目前已有很多国家的科学家正在就制造量子计算机可使用的材料、量子计算机的工作特性等进行基础性研究。2010年6月，来自东芝的Andrew Shields认为他们拥有了解决问题的一个关键工具，这个工具很容易制造，在有需要时可以与电池连接发出“纠缠态”光子。Andrew Shields说：“这是一个巨大的进步，因为这意味着你可以把很多设备整合到一个单独的芯片中。”目前东芝尚未进入计算工作阶段，但Andrew Shields认为，使用该技术的基本量子计算电路可以在5年内完成。量子计算机的运作过程需要大量“纠缠态”光子，目前只能用激光设备制造“纠缠态”光子。
此外，在2010年6月24日出版的《自然》杂志上，澳大利亚国立大学领导的研究小组宣布研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术，该技术通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子，可大大减少激光穿越过程中光子的损失，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率最高不超过45%。这一系统具有史无前例的高效率和高精准度，可使激光精妙的量子特性被存储和操控。其研究人员马修·塞拉斯表示：“该技术可更好地在两种晶体存储器间实现‘量子纠缠’，无论双方相距多远都能保持特殊的关联性，读取一个存储器内的信息，可立刻改变另一个存储器中存储的信息，这将使量子通信或量子计算机技术进一步走向现实。”
毫无疑问，这些技术的不断突破和成果的连续取得，意味着通向量子计算机之门正一步步被打开。
量子计算机的研究被提上日程表
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中国科学家实现了目前世界上地面最长距离的量子通信传输，这个突破引起了业界的普遍关注。在各国科学家的不断努力下，量子通信和量子计算机正离我们越来越近，当然我们也应该看到，虽然人类科技朝着实用性的量子通信、量子计算机迈进了一大步，但还需要很多努力才能真正达到目的。虽然像量子通信这样的技术还不能实现像科幻电影中描述的“心电感应、时空穿梭、超时空传送、超远距离瞬移”功能，但它一定会带来新的通信方式和计算方式，量子技术对国防和通信、新技术和新材料研究都有重大的意义，一定会为未来的企业运营和人类生活带来新方式，值得关注。 | 打开量子计算机之门
随着量子通信技术、传统电子计算机、超级计算机模拟技术的不断突破，量子计算机也渐行渐近。量子计算机是一种遵循量子力学规律，进行高速逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机出现，但是世界各国的大型实验室都正以巨大的热情追寻着这个梦想。为此各国科学家提出了各种各样的量子计算机方案，如利用原子和光腔相互作用、电子或量子点操纵、超导量子干涉等技术来实现量子计算机的研制。
从技术理论上来看，量子计算机和传统的电子计算机有本质上的不同，当代电子计算机采用二进制0和1来模拟开关电路通、断的两种状态，用于表示数据或计算指令。而在量子计算机中，量子计算机的输入态和输出态一般为叠加态，可以叠加，而且互相干涉，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。当量子计算机进行运算时，不同的量子可同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果。如果把电子计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同的状况，“对一个500位的阿拉伯数字进行因式分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需要大约几分钟。”目前自以为安全的一切安全系统能瞬间被破解，现有的密码体系将不堪一击。
所以，能让许多数值并行计算、计算能力极其强大的量子计算机一旦研制成功，将改变世界。目前量子计算机已在实验室阶段获得了一些突破，例如，德国于利希研究中心2010年3月31日发表公报说，于利希研究中心与荷兰格罗宁根大学的科学家一起开发了一套模拟软件，提高了多处理器共同工作的效率，让欧洲性能最强的超级计算机JUGENE成功模拟出了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。德国研究人员介绍，传统计算机增加10%的晶体管数量，即使在理想情况下其性能也只能增加10%，属于线性增长。而从理论上讲，量子计算机的计算能力是以幂数级增长的，即增加量子计算机的一个位数，其计算能力至少翻倍。量子计算机的强大能力来自于它的工作方式。
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此外，在2010年6月24日出版的《自然》杂志上，澳大利亚国立大学领导的研究小组宣布研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术，该技术通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子，可大大减少激光穿越过程中光子的损失，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率最高不超过45%。这一系统具有史无前例的高效率和高精准度，可使激光精妙的量子特性被存储和操控。其研究人员马修·塞拉斯表示：“该技术可更好地在两种晶体存储器间实现‘量子纠缠’，无论双方相距多远都能保持特殊的关联性，读取一个存储器内的信息，可立刻改变另一个存储器中存储的信息，这将使量子通信或量子计算机技术进一步走向现实。”
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从技术理论上来看，量子计算机和传统的电子计算机有本质上的不同，当代电子计算机采用二进制0和1来模拟开关电路通、断的两种状态，用于表示数据或计算指令。而在量子计算机中，量子计算机的输入态和输出态一般为叠加态，可以叠加，而且互相干涉，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。当量子计算机进行运算时，不同的量子可同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果。如果把电子计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同的状况，“对一个500位的阿拉伯数字进行因式分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需要大约几分钟。”目前自以为安全的一切安全系统能瞬间被破解，现有的密码体系将不堪一击。
所以，能让许多数值并行计算、计算能力极其强大的量子计算机一旦研制成功，将改变世界。目前量子计算机已在实验室阶段获得了一些突破，例如，德国于利希研究中心2010年3月31日发表公报说，于利希研究中心与荷兰格罗宁根大学的科学家一起开发了一套模拟软件，提高了多处理器共同工作的效率，让欧洲性能最强的超级计算机JUGENE成功模拟出了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。德国研究人员介绍，传统计算机增加10%的晶体管数量，即使在理想情况下其性能也只能增加10%，属于线性增长。而从理论上讲，量子计算机的计算能力是以幂数级增长的，即增加量子计算机的一个位数，其计算能力至少翻倍。量子计算机的强大能力来自于它的工作方式。
同生物计算机一样，量子计算机正成为未来计算机发展的方向之一。目前已有很多国家的科学家正在就制造量子计算机可使用的材料、量子计算机的工作特性等进行基础性研究。2010年6月，来自东芝的Andrew Shields认为他们拥有了解决问题的一个关键工具，这个工具很容易制造，在有需要时可以与电池连接发出“纠缠态”光子。Andrew Shields说：“这是一个巨大的进步，因为这意味着你可以把很多设备整合到一个单独的芯片中。”目前东芝尚未进入计算工作阶段，但Andrew Shields认为，使用该技术的基本量子计算电路可以在5年内完成。量子计算机的运作过程需要大量“纠缠态”光子，目前只能用激光设备制造“纠缠态”光子。
此外，在2010年6月24日出版的《自然》杂志上，澳大利亚国立大学领导的研究小组宣布研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术，该技术通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子，可大大减少激光穿越过程中光子的损失，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率最高不超过45%。这一系统具有史无前例的高效率和高精准度，可使激光精妙的量子特性被存储和操控。其研究人员马修·塞拉斯表示：“该技术可更好地在两种晶体存储器间实现‘量子纠缠’，无论双方相距多远都能保持特殊的关联性，读取一个存储器内的信息，可立刻改变另一个存储器中存储的信息，这将使量子通信或量子计算机技术进一步走向现实。”
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此外，在2010年6月24日出版的《自然》杂志上，澳大利亚国立大学领导的研究小组宣布研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术，该技术通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子，可大大减少激光穿越过程中光子的损失，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率最高不超过45%。这一系统具有史无前例的高效率和高精准度，可使激光精妙的量子特性被存储和操控。其研究人员马修·塞拉斯表示：“该技术可更好地在两种晶体存储器间实现‘量子纠缠’，无论双方相距多远都能保持特殊的关联性，读取一个存储器内的信息，可立刻改变另一个存储器中存储的信息，这将使量子通信或量子计算机技术进一步走向现实。”
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