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星期日, 一月 07, 2007

量子科学:新时代的到来

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量子信息科学还是“婴儿”

首次提出量子隐形传态思想、首次提出第一个量子密钥分配协议的 IBM研究机构科学家Chair C.H.Bennett接受采访时说:“新事物出现时,人们总是期待它能对人类有所帮助。当年有记者问法拉利,电有什么用?据说有两种回答:一种是反问 ‘婴儿’有什么用,另一种是,不管怎么着,你总能从中获得税收。如果人们问我量子信息科学会给人类带来什么,我只能说,量子信息现在还是一名‘婴儿’。”

他还引用量子学说创建者之一Neil's Bor说过的话,“量子力学如果没有让你的脑袋疼痛,说明你没有懂量子力学。”他说:“量子信息相当复杂,当前大部分人认为不需要理解它,很多人难以意识 到它的存在。对量子信息的理解目前只对专家有要求,这是量子力学创始人的‘过错’。也许你知道,信息革命的结果是大家都习惯了摩尔定律,即计算机的处理能 力每18个月提高一倍,但它肯定不是一个很严格的定律,10年之后也许就不成立了。今后,传统计算机的研究也会像其他研究一样,可能只有小的进展,而很难 像现在这样快速推进。虽然我不认为量子信息一定会像电的发现那样带来翻天覆地的变化,量子计算机也不一定完全改变人们现在的生活方式,但它一定会使现在的 一些东西变得更容易。它的重要性不是技术上的革命,而是人们思维方式的革命。”

Chair C.H.Bennett相信,当一些小的量子产品出现后,人们便会对量子感兴趣。

在量子信息和量子密码领域作出杰出贡献、获得过Matsuo科学奖等多项奖项的美国斯坦福大学教授、日本国立情报学研究所研究员Yoshihisa Yamamoto介绍,对量子信息的研究,科学家已经在很多方面有了理论和工具,有的接近应用,但还需要商业化。就广义而言,研究者不仅要做量子密钥分 配,而且要做更广泛的网络。比如,通过量子隐态传送可以形成庞大的计算机,庞大的计算机需要量子中继器,而量子中继器需要三个基本元素——处理器、存储器 以及与量子传输结合的界面,但科学家目前还不知如何去构造它,这是极具挑战性的工作。

Yoshihisa Yamamoto认为,量子信息研究中最困难的是量子计算机,因为量子计算机的实现需要量子算法、量子计算模型、量子纠错机制和硬件等各个方面的突破性进展。尽管科学家在实验和理论上都取得了一些成果,但这些研究仍然处于非常早期的阶段。

量子信息产品在哪里?

在量子信息领域,量子密码通信产品具有标志性。因为量子通信密码无法破译,量子通信与传统密码相比具有明显的优越性。不过,这些产品目前还没有与人们的日 常生活产生直接联系,而是主要应用于国家安全部门。据中国科学院院士、中国科技大学教授郭光灿介绍,国际上第一条试验性光纤量子通信密码线路建在瑞士日内 瓦湖底,长67公里。继瑞士之后,2004年中国也建了一条从北京到天津长125公里的试验性光纤量子通信密码线路。

除了量 子通信密码,在日内瓦湖底建设第一条光纤量子通信密码线路的瑞士日内瓦大学的Nicolas Gisin教授,在计算机上给《科学时报》记者展示了他的另一个正推向应用的产品——量子随机数据产生器。他说,美国拉斯维加斯赌场就买了不少该产品,其 他方面也有一些应用。

在谈到量子科学的应用时,Yoshihisa Yamamoto给记者作了详细回答。他说,量子信息领域中产生的量子密钥分配器、精确测量仪、量子模拟器等都是最接近应用的产品。

量子密钥分配器是量子科学研究产生的第一个产品,但它必须克服通信距离的限制。为了破除限制,还需要高效低噪的单光子计数器。量子科学研究第二个可能使用 的产品是量子精确测量仪。它可以用来改进GPS的测量精度,提高基础物理实验的精度等。第三个接近于使用的系统可能是量子模拟器,它可以用来解决天气、气 候、交通管制、凝聚态物理中的多体复杂问题,而这是传统计算机不能解决的。第四个可能应用的产品是量子中继器,如果在全球范围内建立量子密钥分配网络,中 继器是必要的。

他说,前面三种产品的基本原理已经得到实验验证,剩下的只是工程问题,但量子中继器还没有被验证,也不知是否可以做出来。如果实现,量子信息领域的前景将非常好;如果不能实现,量子信息研究的应用将受到限制。

关于量子计算机,大多数与会者都认为,研究工作目前还处于非常初级的阶段。Nicolas Gisin说,量子计算机的最后应用肯定不是一般的打字机,而是被用来解决现在计算机解决不了的问题。它不可能一步完成,更多的可能是像传统计算机那样一 步步升级——起步时可能是比较简单的元件,然后进入模拟器阶段,最后达到最终目标。

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