量子信息技术——新科技革命_专栏

摘要

美国芝加哥大学的科学家最近宣布：量子态可被集成在由碳化硅制成的常用电子设备内并被很好地控制。最新研究让利用光纤网络实现量子信息传输更近了一步。

什么是量子信息？

在量子力学中，量子信息(quantum information)是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。通过量子系统的各种相干特性（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。

碳化硅，是一种自然产生的半导体，用于制造各种电子产品，包括发光二极管(led)和电路板。它还被用于火箭技术，因为它可以承受高温，我们兴奋的是它作为控制量子态的管道的潜力。

今天的量子计算机——在IBM/谷歌/MIT范式下——是巨大而笨拙的东西，它们需要激光和零度以下的温度才能工作。但芝加哥大学研究小组突破了这个难题。他们使用老式的电，在碳化硅中启动和引导量子态。这意味着他们不需要花哨的激光，超级冷的环境，或者任何大型机大小的东西来产生量子结果。这个实验结果包含了两个重大突破。

第一，在碳化硅中控制量子态的能力，有可能解决量子计算的“奇异材料”问题。碳化硅储量丰富，而且与物理学家们使用的标准材料(包括悬浮的原子、可激光加工的金属和有完美缺陷的钻石)相比，使用起来相对容易。这很酷，可以从根本上改变大多数量子计算研究在2020年及以后的方向。

第二，根据芝加哥大学的一份新闻稿，该团队的方法解决了量子计算的“噪音”问题。该团队论文的作者之一Per Chris Anderson说:杂质在所有半导体器件中都很常见，在量子级别，这些杂质可以通过制造一个嘈杂的电子环境来扰乱量子信息。对于量子技术来说，这是一个近乎普遍的问题。

在实验中需要使用激光，但激光会使周围的电子相互碰撞。这就像电子椅游戏;当灯光熄灭时，一切都停止了，只是形式不同。问题是电子的这种随机构型会影响量子态。但我们发现，施加电场会把电子从系统中移除，使系统更加稳定。

这项工作仍处于早期阶段，但它对量子计算领域有着不可思议的影响。稍微调整一下，这种基于硅碳棒的量子态辩论方法似乎可以比许多专家认为的更早地把我们引向“不可攻破的”量子通信网络。

量子应用领域？

量子通信

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。高效安全的信息传输日益受到人们的关注，与经典通信相比，量子通信安全性比较高。当量子态在不被破坏的情况下，在传输信息的过程中是不会被窃听，也不会被复制的。而在无障碍的传输中，两个分离的量子，无论分离得有多远，当一个量子变化的时候，另一个也会产生相应的变化。所以严格意义上来看，它是绝对安全的。

采用量子中继技术，扩大通信距离

由于量子通信属于超光速通信，不仅是“最快的通信”，而且有穿越大气层的可能，从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。

采用星地通信方式，实现远程传输

采用卫星通信后，两地之间的量子通信更加方便快捷。在真空环境中，光子基本无损耗，损耗主要发生在距地面较低的大气中。据测算，只要在地面大气中能通信十几千米，星地之间通信就没有问题。

建立量子通信网络，实现多地相互通信

量子通信要想实用化，必须覆盖多地形成网络。日前，德国物理学家就正在利用量子纠缠效应打造量子互联网，其研究人员称：“我们已经实现了第一个量子网络原型，在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外，还可以在两个节点之间产生远程纠缠，并保持约100微秒……未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通，而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。”

量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。

量子计算

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

经典计算机使用0和1来存储数据，这些数字可以是电路中不同点上的电压。而量子计算机依靠量子比特(也被称为量子位)来工作，量子位有非常特殊的性质：它们可以以叠加的形式存在，它们可以同时是0和1，它们可以发生量子纠缠，因此，即使它们之间相隔很远，它们也会具有相同的物理性质。由于叠加状态，一个有100个量子位的量子计算机可以同时表示2100个解。对于某些问题，这种指数并行性还可以创造巨大的速度优势。

量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机，但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在重要的问题是，如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性，同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑操作。

但无论如何，谷歌、IBM，包括英特尔和微软在内的许多公司都在努力建造量子计算机。据报道，Intel发布首款低温控制量子计算芯片：22nm工艺、原子几乎不动。Intel研究院推出的代号为“Horse Ridge”的首款低温控制芯片，实现了对多个量子位的控制，可加快全栈量子计算系统的开发步伐，堪称量子实用性道路上的一个重要里程碑。据介绍，Horse Ridge从根本上简化了运行量子系统所需的控制电子设备，通过用高度集成的SoC系统芯片代替庞大的仪器，并允许使用复杂的信号处理技术来加快设置时间、改善量子位性能，能够高效扩展到更多的量子位。

量子计算机有望解决传统计算机无法处理的问题，因为量子位可以同时以多种状态存在。借助这一量子物理学现象，量子位能够同时进行大量计算，从而大大加快了解决复杂问题的速度。

总结

科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”今天，倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”？对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，利用量子理论来变革信息技术，有望实现对信息处理能力的革命性突破。

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