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“混沌”量子孕育清晰未来
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文/杨书卷 提到量子理论，就没法绕过那只让人头疼不已的“薛定谔的猫”：“不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另外还有一个原子衰变装置，而在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的。”
这只挑战着人类智力上限的猫的确让人抓狂。就连拥有“当世最聪明头脑”的霍金也常常忍不住想把这只非死非活的猫“一把掐死”。但是，尽管量子理论如此不可理喻，但它还是被认为是科学史上最成功的、与实验结果符合最好的理论，过去，它直接导致了原子弹、核电的出现，而现在，它又在量子计算机、信息加密、高精度测量等方面大显身手，虽然现在我们只能从“混沌”的量子理论中理解很浅的一小部分，但仅仅这一小部分就足以掀起巨大的科学风暴。
目前，量子计算机是量子理论最激动人心的应用，因为相对于传统计算机，量子计算机的计算速度有着成千上万倍的提高。但是，由于对微观量子态的操纵实在太过困难，虽然各种解决方案层出不穷，但一直难以走入真正实用的阶段。不过，科学家付出的心血正使研究取得快速进展。
最近，IBM的科学家就有了骄人的成绩：在量子计算中良好地保持了“机械特性完整性”，大大减少了基本运算的误差。
阻碍量子计算机发展的最大障碍之一，就是难以控制“量子脱散”，即要努力消除热量、电磁辐射和材料缺陷等干扰因子导致的计算误差。为了解决这个问题，科学家们苦苦追寻了多年。而IBM将目光聚焦于一个独特的三维超导量子比特装置，使延长量子比特保持量子态的时间达到100微秒，这是此前纪录的2到4倍，而如果能够在足够长的时间内保持这种机械特性，就能找到有效的纠错手段，量子计算机便可长时间地进行稳定的复杂运算。正如IBM的科学家和研究小组负责人Matthias Steffen表示，“我们不仅仅只是做了一次引人注目的物理学实验，而是在实用化方面将量子计算带到了一个全新的疆界。”
“IBM的装置已经非常接近满足实用量子计算机最低的要求，使可靠的逻辑量子比特运算能够成为现实。”德国亚琛大学量子信息研究所的David DiVincenzo高度评价这一成果，而IBM研究性突
破，也使未来研制量子计算机的乐观情
绪快速高涨（３月１日美国物理学家组
织网）。
量子计算机中，另一个超重量级的概念是“量子比特”。传统计算机数据处理的基础单元是“0”和“1”两种比特，而量子计算机是“量子比特”，它超越了“0”和“1”，是一个矢量，可以处于各种正交态的叠加态上，正是这些特殊的量子态，提供了量子并行计算的可能，计算速度之快令传统计算机为之“汗颜”。
但是，以前量子比特存在于既大又笨重的真空腔中，就连上述IBM的超导量子比特装置也不例外。而一个国际研究团队通过单个电子，使量子比特可在普通的半导体中生产出来，
研究人员使用外加电压，允许单个的电子的飞行轨迹先分叉，再重新结合，使每个电子可同时飞过两个可能的路径，当两个路径重聚在一起，两束电子波就会发生重叠态，产生出具有明确状态且适合信息编码的量子比特。而如果量子比特能如此简单方便地产生，意味着量子计算机又向实用化迈进了重要的一步。相关研究发表在３月出版的Nature Nanotechnology。
而在量子信息加密领域，最近也有令人兴奋的进展。加拿大多伦多大学罗海光领导的研究小组发现，一种新的量子加密方法或可挫败那些“最老练”的黑客。
基于量子物理的测不准原理，美国科学家Wiesner于 1970年首先提出将量子理论用于密码术——当窃取者偷看光子束时、即在测量量子态的某个性质时，会使另一个性质受到扰动，从而就被探测到。量子加密原则上是一种阻止黑客的万无一失的方法，但是，接收量子密钥的光子探测器却是其“阿喀琉斯之踵”：它会在不经意间受到“量子黑客”的难以捉摸的“旁门左道”式攻击。
现在，罗海光想出了一个简单的量子计算解决方案，被称为“与测量设备无关的密钥分配系统”，即虽然黑客也能操作光子探测器并发布数据，但用户之间不再信任这些数据；相反，他们仅需简单地测量和比较自己的数据即可验证黑客的存在。目前，罗海光科研团队已完成概念验证测试，预计在5年内开发出一套“与测量设备无关的密钥分配系统”原型，以便牢牢关住这扇为黑客留下的“后门”（4月5日《科技日报》）。
而在不久前，美国匹兹堡大学的研究人员也为量子理论的实际应用做出了贡献：被誉为计算“动力”的量子计算或许也可应用于高精度测量领域中。
传统的磁共振成像技术由于有“共振”的技术限制，在扫描“分子”层面时便会失效，科研人员利用量子计算的方法避开了硬件上的不足，研发出纳米级的磁共振设备，可将场强和精度之间的比例提升10%。更让人惊异的是，它能够以“非侵入”的方式，研究分子、材料和细胞等的属性，而之前类似研究所采用的方法都会破坏样本。作为研究者之一，Guludefu Dart兴奋地表示，“这对于我们理解分子或活体细胞等具有直接影响。我们的工作显示量子计算也可以超越纯电子设备领域。”（2月20日《科技日报》）
尽管已经走过百年历史，解释“微观世界”的量子理论还有无数的谜尚待解开，很多实验物理学家至今还在验证这一理论在80年前所做的基本假设，但是，它在实践中获得的成就却令人吃惊，迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性。作为现代物理学两大基石之一的量子理论，已被历史推上了锐不可当的开路先锋的位置，期待着风生水起的远大前景。■
https://m.sciencenet.cn/blog-336909-563084.html
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这只挑战着人类智力上限的猫的确让人抓狂。就连拥有“当世最聪明头脑”的霍金也常常忍不住想把这只非死非活的猫“一把掐死”。但是，尽管量子理论如此不可理喻，但它还是被认为是科学史上最成功的、与实验结果符合最好的理论，过去，它直接导致了原子弹、核电的出现，而现在，它又在量子计算机、信息加密、高精度测量等方面大显身手，虽然现在我们只能从“混沌”的量子理论中理解很浅的一小部分，但仅仅这一小部分就足以掀起巨大的科学风暴。
目前，量子计算机是量子理论最激动人心的应用，因为相对于传统计算机，量子计算机的计算速度有着成千上万倍的提高。但是，由于对微观量子态的操纵实在太过困难，虽然各种解决方案层出不穷，但一直难以走入真正实用的阶段。不过，科学家付出的心血正使研究取得快速进展。
最近，IBM的科学家就有了骄人的成绩：在量子计算中良好地保持了“机械特性完整性”，大大减少了基本运算的误差。
阻碍量子计算机发展的最大障碍之一，就是难以控制“量子脱散”，即要努力消除热量、电磁辐射和材料缺陷等干扰因子导致的计算误差。为了解决这个问题，科学家们苦苦追寻了多年。而IBM将目光聚焦于一个独特的三维超导量子比特装置，使延长量子比特保持量子态的时间达到100微秒，这是此前纪录的2到4倍，而如果能够在足够长的时间内保持这种机械特性，就能找到有效的纠错手段，量子计算机便可长时间地进行稳定的复杂运算。正如IBM的科学家和研究小组负责人Matthias Steffen表示，“我们不仅仅只是做了一次引人注目的物理学实验，而是在实用化方面将量子计算带到了一个全新的疆界。”
“IBM的装置已经非常接近满足实用量子计算机最低的要求，使可靠的逻辑量子比特运算能够成为现实。”德国亚琛大学量子信息研究所的David DiVincenzo高度评价这一成果，而IBM研究性突
破，也使未来研制量子计算机的乐观情
绪快速高涨（３月１日美国物理学家组
织网）。
量子计算机中，另一个超重量级的概念是“量子比特”。传统计算机数据处理的基础单元是“0”和“1”两种比特，而量子计算机是“量子比特”，它超越了“0”和“1”，是一个矢量，可以处于各种正交态的叠加态上，正是这些特殊的量子态，提供了量子并行计算的可能，计算速度之快令传统计算机为之“汗颜”。
但是，以前量子比特存在于既大又笨重的真空腔中，就连上述IBM的超导量子比特装置也不例外。而一个国际研究团队通过单个电子，使量子比特可在普通的半导体中生产出来，
研究人员使用外加电压，允许单个的电子的飞行轨迹先分叉，再重新结合，使每个电子可同时飞过两个可能的路径，当两个路径重聚在一起，两束电子波就会发生重叠态，产生出具有明确状态且适合信息编码的量子比特。而如果量子比特能如此简单方便地产生，意味着量子计算机又向实用化迈进了重要的一步。相关研究发表在３月出版的Nature Nanotechnology。
而在量子信息加密领域，最近也有令人兴奋的进展。加拿大多伦多大学罗海光领导的研究小组发现，一种新的量子加密方法或可挫败那些“最老练”的黑客。
基于量子物理的测不准原理，美国科学家Wiesner于 1970年首先提出将量子理论用于密码术——当窃取者偷看光子束时、即在测量量子态的某个性质时，会使另一个性质受到扰动，从而就被探测到。量子加密原则上是一种阻止黑客的万无一失的方法，但是，接收量子密钥的光子探测器却是其“阿喀琉斯之踵”：它会在不经意间受到“量子黑客”的难以捉摸的“旁门左道”式攻击。
现在，罗海光想出了一个简单的量子计算解决方案，被称为“与测量设备无关的密钥分配系统”，即虽然黑客也能操作光子探测器并发布数据，但用户之间不再信任这些数据；相反，他们仅需简单地测量和比较自己的数据即可验证黑客的存在。目前，罗海光科研团队已完成概念验证测试，预计在5年内开发出一套“与测量设备无关的密钥分配系统”原型，以便牢牢关住这扇为黑客留下的“后门”（4月5日《科技日报》）。
而在不久前，美国匹兹堡大学的研究人员也为量子理论的实际应用做出了贡献：被誉为计算“动力”的量子计算或许也可应用于高精度测量领域中。
传统的磁共振成像技术由于有“共振”的技术限制，在扫描“分子”层面时便会失效，科研人员利用量子计算的方法避开了硬件上的不足，研发出纳米级的磁共振设备，可将场强和精度之间的比例提升10%。更让人惊异的是，它能够以“非侵入”的方式，研究分子、材料和细胞等的属性，而之前类似研究所采用的方法都会破坏样本。作为研究者之一，Guludefu Dart兴奋地表示，“这对于我们理解分子或活体细胞等具有直接影响。我们的工作显示量子计算也可以超越纯电子设备领域。”（2月20日《科技日报》）
尽管已经走过百年历史，解释“微观世界”的量子理论还有无数的谜尚待解开，很多实验物理学家至今还在验证这一理论在80年前所做的基本假设，但是，它在实践中获得的成就却令人吃惊，迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性。作为现代物理学两大基石之一的量子理论，已被历史推上了锐不可当的开路先锋的位置，期待着风生水起的远大前景。■
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