施郁:量子科技:从基础到应用

作者:施郁摄影: 视频: 来源:《光明日报》2020年10月22日发布时间:2020-10-26

中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。

正如习近平总书记强调,要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

要加快基础研究突破和关键核心技术攻关。量子科技发展取决于基础理论研究的突破,颠覆性技术的形成是个厚积薄发的过程。

量子科技的基础是量子力学

  量子力学最重要的特征,是它的描述是概率性的。在我们日常生活中,也使用概率的说法。比如扔骰子,每个面朝上都有可能,概率大概为1/6。但是这种概率是基于对细节的忽略。如果我们知道骰子运动的力学细节,原则上就可以预言每次扔骰子的结果。而在量子力学中,概率是实质性的。关键在于,我们使用的最基本的概念是“概率的开方”,称作波函数或者概率幅,比概率信息更丰富。德布罗意所说的物质波本质上就是波函数。因为是一种波,所以有干涉效应,两种可能性叠加的概率不一定是原先两个概率相加。

  量子力学建立以后,成为整个微观物理学的理论框架,取得一个又一个的成功。比如解释了化学中元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等等,都是在电子和原子核的电磁力作用下,由量子规律所导致。所以狄拉克在1929年就说:“整个化学所依赖的物理定律已经完全知道了。”

  量子力学也在帮助我们理解宇宙。宇宙跨越各种尺度,从最小、最微观的基本粒子到原子分子,再到可以看见的宏观世界,到天体,到整个宇宙。从光到基本粒子,到原子核,到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质,量子力学都起了重要的作用,也因此成为现代技术的基础。

  在微观的尺度上,电磁力和弱相互作用(主宰中子衰变为质子从而导致放射性)已经统一为电弱相互作用,这是量子场论(量子力学与相对论相结合)的成功。在更微观的尺度上,电弱相互作用可能与强相互作用(将夸克结合为核子的力量)统一,但是还没有成功。在更加微观的尺度上,它们还可能与引力统一。这些统一问题依赖于量子力学,都还没有解决。其他的未解之谜,比如暗物质和暗能量,答案可能也要依赖于量子力学。

  很多天体物理过程,例如太阳这样的恒星发光,白矮星和脉冲星的存在,以及宇宙背景辐射,都是因为量子力学规律。太阳发出的中微子到达地球时,一部分变成其他类型的中微子,这本质上就是量子概率幅的振荡。

  整个宇宙起源于大爆炸,然后一直膨胀。所以在宇宙诞生的早期,宇宙就像一锅基本粒子的汤,受量子力学支配,它决定了我们的宇宙中有多少氢和氦。后来重原子核在恒星中的合成也是量子力学决定的。大尺度上,我们的宇宙中有星系结构。追根溯源,宇宙结构的形成是因为最初量子力学导致的涨落,这是量子力学的概率本性决定的。我们常说的终结问题——为什么有宇宙存在,而不是什么也没有?这也需要用量子力学去寻找答案,不管能不能找到。

量子力学带来了丰富的科学技术

  各种材料的物理性质在很大程度上是材料中电子的量子力学行为决定的。比如导体和绝缘体的区别、磁性的起源、超导电性的原因等。

  量子力学带来了非常丰富的科学技术应用,也将深刻地改变了我们人类社会的文明进程。例如,它让我们拥有了新的能源——来自原子核的能量,也让我们能够更有效地利用太阳能。

  量子密码和量子隐形传态都属于量子信息,量子信息的另一个重要课题是量子计算。我们目前用的计算机虽然硬件上用到了半导体,用到了量子力学,但是它的计算逻辑没有用到量子力学,因此叫做经典计算机。如果量子计算机能造出来的话,它就能够有效地找到任何一个大数的因子,计算速度会比经典计算机要快得多。

  量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管,芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。

  从x射线到电子显微镜、正电子湮没、光学和核磁共振成像等等,量子力学为材料科学、医学和生物学提供了分析工具。

量子科学技术新领域

  近年来,基于对单个量子态的操控,量子科学技术又出现了新的方向和新的领域,正在迎来量子革命的第二次高潮,也可以说第二次量子革命。一个重要的例子就是量子信息和量子计算。

  量子计算机对于解决某些计算问题具有巨大威力。量子计算就是巧妙地操纵量子叠加态,用量子力学原理作为计算逻辑,超出了经典计算使用的布尔代数的范畴。我们目前用的计算机虽然硬件上用到了半导体、用到了量子力学,但是它的计算逻辑没有用到量子力学,因此叫做经典计算机。

  量子力学的基本原理显示,量子叠加态中的每一个基本状态都在演化。所以一种说法是,量子计算过程实现了量子并行。通过巧妙地设计操作叠加态的演化过程,能够快速解决某些计算问题,比如因子化问题——两个整数相乘,不论这两个整数多大,经典计算机很快找到乘积;但是如果反过来,只要这个乘积不是偶数,经典计算机就不能有效地找到它的因子。“有效”的意思是说,计算机花费的时间或者资源是这个整数的二进制位数的有限幂次(1次方,2次方,如此等等)的组合。如果量子计算机能造出来的话,它就能够有效地找到任何一个大数的因子。也就是说,在量子信息和量子计算中,软件也是由量子力学提供。

  量子力学中还存在尚未完全解决的基本问题。比如服从经典规律的系统都是由服从量子规律的微观粒子组成的。那么一个系统在什么情况下服从量子规律?什么情况下服从经典规律?二者边界在哪里?我们还不完全清楚。综上所述,从基础到应用,科学家需要继续量子革命,大力发展量子科技。

市场有不法商家乱用量子概念行骗

  最近几年,“量子”一词频繁出现在人们的生活中,近期更是火热。公众也经常听说量子科技的最新进展,一些研究领域在各方面也更突出量子元素。这体现了量子科技的重要。

  但是,因为量子之热,社会上也出现了乱用“量子”概念或名词,乃至用“量子”一词行骗的情况,不是真正的量子科技。

  有一些人胡乱联系宏观量子效应,是荒唐的,因为宏观量子效应需要特殊的条件,通常情况下不能满足。市场上还有商家假借量子科技来推销商品,消费者不要上当受骗,因为微观的量子规律与这些商品的特性没有直接关系。

  (作者:施郁,系复旦大学物理学系教授)

制图:实习编辑:金丽丽责任编辑:归彦斌

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