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    成為諾獎“新寵”的量子糾纏,能否顛覆下一代工業革命?

    轉載 :  zaoche168.com   2022年10月11日

            近期,量子糾纏理論獲得2022年諾貝爾物理學獎的新聞鋪天蓋地,相比于以往的諾貝爾物理獎而言,覆蓋面更為廣泛。要知道量子領域已經從專業領域逐漸演變成當今社會各界最為熱門的調侃領域之一,因為“遇事不決,量子力學”的網絡梗已經深入人心。
            當然,本次諾貝爾物理學獎頒給量子糾纏的科學貢獻其實也是眾望所歸。從量子通信、量子計算等應用領域的發展來看,量子糾纏也為這些應用做好了堅實的理論鋪墊。

            首先,我們還是來簡單普及一下本次獲獎的重磅核心,即“鬼魅般的超距作用”。
            也就是說在微觀世界中(注意這里指的是微觀世界),有共同來源的兩個微觀粒子之間存在糾纏關系,這兩個糾纏在一起的粒子如同有心電感應一般,不論距離多遠,幾萬公里或者幾光年,只要當其中一個粒子的狀態發生變化時,另一個人的狀態也會瞬時跟著發生同樣的變化,也可以成為“超距作用”。
            此次獲得諾貝爾物理學獎的三位物理學家就是通過實驗驗證了這一理論。不過,諾貝爾獎一直以來都是偏向理論,但是由量子糾纏效應關聯出的應用技術也早已實現了相關應用。
            首先就是量子通信,量子通信正是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式。利用鏡像對稱性原理,把合成的兩個粒子人為的分開,并分發到兩地,然后通過改變一個粒子的運動狀態實現另一個粒子的瞬時改變,這種方式其實就是一對一的實現強加密通信。
            其實從目前的工業、物聯網等產業的通訊技術角度來看,幾乎都是光子類通訊,技術也相當成熟,無論是4G還是5G,這類的通信方式存在著容易破密的風險,保密性不高。正是針對這一痛點,量子通訊從理論上來說,無法破譯,具有一對一的高級保密性。

            這里需要重點指出的是,量子通信并不是替代傳統的有線和無線通信方式,因為量子通信并不能攜帶信息,所以量子通信主要是加密以及密鑰的傳送方式,傳遞生產、設備等信息的具體通信方式仍然目前的5G和有線等通信方式。
            2022年1月,中國創建了世界上第一個集成的光纖和衛星量子通信網絡:它跨越4600多公里,并集成了地面光纖網絡和“墨子號”衛星,能夠為全國150多個行業用戶提供服務,包括地方銀行、市政電網和政府網站。
            前不久的5月6日,中國科學技術大學利用“墨子號”量子科學實驗衛星,首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸,這一實現成功也是向構建讓全球通信產業向量子信息處理和量子通信網絡邁出重要一步。

            當然,說到通信產業,必然是離不開應用場景。前面我們提到,國內的量子通信技術已經應用于銀行、電網和政府網站等場景中,以電網為例,目前的電力系統涉及發、變、輸、配、用等多個流程,對安全、穩定、可靠方面有較高的要求,結合當下國內大力推動智能電網建設和輸配電改革的趨勢,量子通信對于電力系統安全穩定可靠運行可以發揮強大的安全作用。

             除此之外,在云存儲、數據中心、傳感網和云計算等領域,量子通信的前景依舊可觀。此前,中國科學技術部副部長黃衛表示,包括量子通信在內的量子力學技術,將很有可能成為顛覆目前的工業互聯網的技術之一,他認為,2G、3G、5G就差一個數字,但其實在很多問題上是顛覆性的,量子通信和量子計算能夠實現工業互聯網目前所不能的解決事情。
            說完量子通信,量子計算也是量子糾纏效應衍生出的一個十分重要的應用。無論是市面上計算機的理論極限還是從云計算算力的瓶頸來看,這其中存在著物理學導致的硬件和算法的軟件局限。這也就導致目前除了云計算市場外,邊緣計算的市場也在逐步擴大,但是邊緣計算硬件鋪設和算法依然存在極限值,所以量子計算對于運算量龐大的應用有著良好的破解能力。
            從理論上簡單來講,量子計算機的計算能力會比傳統計算機快億萬倍。我們都知道,傳統計算機的基礎算法是0或1,但是由于量子計算機的疊加態和糾纏態的特性,它則可以實現“既是1又是0”,可以實現指數級別遞增的運算強度。 
            總的來說,對于工業企業來說,越來越多的設備上云,大量復雜算法、數據的堆積以及通信技術的鋪設,對算力和安全性的需求不言而喻。
            經過本次諾獎,我們相信量子技術離產業化也將更近了一步。10月9日,IBM宣布將在未來10年投資量子計算等技術200億美元,聚焦于半導體技術、大型計算機、量子計算機和人工智能方面的突破。
            量子技術作為需要未雨綢繆的關鍵領域,在國內“十四五”規劃(2021-25年)中列出的優先技術中,量子信息也高居第二,僅次于AI。另外,深圳在今年6月發布了一項技術政策,稱量子技術是四個“未來產業”之一。 
            然而,目前量子技術在各大領域的應用道阻且艱。此前,一位國內匿名的量子科學家說,在過去幾年中,有很多地方機構和行業巨頭希望他將研究成果轉化為產品,但是他認為目前量子信息應該繼續在實驗室進行技術完善,從成本和技術生態來說仍然有很長的路要走。
            長期來看,量子技術有望帶領相關通信行業顛覆性發展,但在初期階段,量子信息更需要的是技術突破,需要在技術突破的基礎上進行業務探索。在信息應用活躍、產業鏈上下游完善后,量子技術作為重要的基礎設施建設或將成為第四次工業革命的源頭。

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