量子技術(shù)科普資料

量子技術(shù)科普資料第一篇量子究竟是什么1900年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的“紫外災(zāi)難”問題。普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。從此“量子論”就宣告誕生。然而當(dāng)時的物理界，包括普朗克本人，都討厭“量子”這個怪物，千方百計想要將它消化在經(jīng)典物理的世界之中，但卻屢試不果。唯有愛因斯坦獨(dú)具慧眼，他認(rèn)為光輻射不僅在于與物質(zhì)相互作用時的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小單元，后來稱之為“光量子”，或簡稱“光子”。法國年輕的博士生德布羅意在愛因斯坦“光子”概念的啟發(fā)下提出：既然看似波動的光輻射，具有“粒子”特性，那么像電子這類看似“粒子”的物質(zhì)，也應(yīng)具有波動性。這就是“德布羅意物質(zhì)波”的概念，由此引發(fā)后繼大量理論與實驗研究，證實所有微觀粒子都同時具有波動性和粒子性二象性。這些奇異特性的微觀粒子構(gòu)成“量子世界”，遵從量子力學(xué)的運(yùn)動定律。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識到“量子世界”不僅限于微觀和單個粒子，某些宏觀尺度下的多粒子系統(tǒng)也遵從量子力學(xué)規(guī)律。例如玻色—愛因斯坦凝聚（BEC），當(dāng)原子聚合的溫度足夠低時，所有處于不同狀態(tài)的原子，會突然聚集在同一個盡可能低的能量狀態(tài)上，其行為就像一個“放大”的玻色子，遵從量子力學(xué)規(guī)律。我們按物理運(yùn)動規(guī)律的不同，將遵從經(jīng)典運(yùn)動規(guī)律（牛頓力學(xué)，電磁場理論）的那些物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“經(jīng)典世界”，將遵從量子力學(xué)規(guī)律的那類物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質(zhì)客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導(dǎo)體、“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，它們的共同特征就是必須遵從量子力學(xué)的規(guī)律。舉一個例子說明“量子”與“經(jīng)典”的本質(zhì)區(qū)別，經(jīng)典世界的特點是物體的物理量、狀態(tài)在某個時刻是完全確定的：晶體管要么導(dǎo)通，要么關(guān)閉，完全確定。即經(jīng)典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實驗技術(shù)無關(guān)，是量子世界的本質(zhì)特征，無法消除。這個特征體現(xiàn)在量子力學(xué)中重要的量子態(tài)疊加原理上。量子態(tài)記作|ψ?，是科學(xué)家引進(jìn)量子力學(xué)中用來描述量子系統(tǒng)的狀態(tài)，其運(yùn)動規(guī)律是薛定諤方程。量子態(tài)又稱波函數(shù)或幾率幅，它沒有任何經(jīng)典對應(yīng)。雖然人們并不喜歡量子世界的這種描述，因為它與我們所熟悉的經(jīng)典世界截然不同，但一百多年來所有實驗都證實了量子力學(xué)的所有預(yù)言，人們不得不承認(rèn)這種描述是正確的。著名物理學(xué)家費(fèi)曼說，“量子力學(xué)的奧妙之處就是引入幾率幅ψ”。假定量子客體有兩個確定的可能狀態(tài)0或者1，通常寫成|0?|0?、|1?，由于量子狀態(tài)（寫成|ψ?）是不確定的，它一般不會處于|0?或|1?的確定態(tài)上，只能處于這兩種確定態(tài)按某種權(quán)重疊加起來的狀態(tài)上，這就是量子世界獨(dú)有的量子態(tài)疊加原理，用數(shù)學(xué)表示為|ψ?=α|0?+β|1?，其中α，β為復(fù)數(shù)，且滿足|α|2+|β|2=1。量子信息以|ψ?為信息單元，稱為量子比特。這從根本上區(qū)別于經(jīng)典信息，后者以|0?或|1?為信息單元，俗稱比特。正是量子態(tài)|ψ?的種種奇異特性導(dǎo)致量子信息技術(shù)的性能可以突破經(jīng)典的物理極限，為人類開拓新一代的信息技術(shù)。事實上，量子力學(xué)的所有奇異特性正是源于這個幾率幅。當(dāng)然，近百年來對量子力學(xué)爭論不休也在于這個幾率幅（量子態(tài)）。目前，網(wǎng)絡(luò)上就在流傳什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的詞，將來還可能出現(xiàn)“量子炸彈”、“量子導(dǎo)彈”……這些忽悠大眾的名詞將本來應(yīng)是光輝純潔的學(xué)術(shù)領(lǐng)域炒作得烏煙瘴氣，真假不分，魚目混珠。其實，人們只要搞懂“量子比特”的本質(zhì)，就可以戳穿“假量子”的騙局。簡單的判據(jù)就是看它是否應(yīng)用到“量子比特”，即|0?和|1?的疊加態(tài)。例如，激光測距實驗，從目標(biāo)反射回來的光束，其強(qiáng)度隨距離不斷衰減，當(dāng)探測器無法探測到光時，就是最長的測量距離。當(dāng)然，如果采用單光子探測器，則測量距離必然增長。這里測到的是單個光子，是否可以稱它為“量子測距”呢？答案是否定的，因為它沒用到光子的量子態(tài)，這只是將激光測距提高到極限靈敏度而已，仍屬于經(jīng)典范疇。密立根當(dāng)年在實驗上測量單個電子的電荷，雖然采用單個電子，但這仍然屬經(jīng)典物理實驗，因為在該實驗中，“單電子”只是作為電荷最小單元，而未涉及到任何量子特性。第二篇愛因斯坦幽靈與超光速通信大家知道，愛因斯坦對量子力學(xué)的發(fā)展做出極其重要的貢獻(xiàn)。然而，愛因斯坦并不喜歡“量子世界的概率性”，他不相信上帝會以擲骰子的方式創(chuàng)造世界，尤其不能認(rèn)同以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的詮釋。因此，他多次與玻爾就量子力學(xué)基本問題發(fā)生激烈爭論，不過每次他都以失敗告終。后來，愛因斯坦便改變爭論的策略，即從量子力學(xué)原理出發(fā)，推演出一個十分荒謬的結(jié)果，以期來證明，量子力學(xué)用于描述世界是“不完備的”，這就是愛因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯謬”。設(shè)想有一個量子系統(tǒng)由兩個自旋為1/2的粒子構(gòu)成，每個粒子的自旋要么向上（↑），要么向下（↓），但兩個粒子的總自旋為零，這意味他們總是處于自旋相反的狀態(tài)。現(xiàn)在將粒子A和B分別配置于相距遙遠(yuǎn)的兩個地方，例如，A在地球上，B在月球上。按照量子力學(xué)的預(yù)言，每個粒子的自旋方向是不確定的，在任何方向上測量會有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被測量并發(fā)現(xiàn)其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不測量也能確定其自旋必定向上，因為AB自旋總是相反的?？梢姡厍蛏螦未測量時，月球上B只有一半概率向上，而地球上A一旦被測量，并發(fā)現(xiàn)自旋向下，那月球上的B立刻以百分之百概率處于自旋向上的狀態(tài)。月球上B的狀態(tài)似乎是瞬時被地球上A的測量所控制，這種控制行為以超光速方式發(fā)生。這就是從量子力學(xué)原理推演出來的必然結(jié)果。愛因斯坦由此斷定，“超光速”行為是絕對不可能發(fā)生，他稱之為“幽靈般的超距作用”。量子力學(xué)造就出這個不可能存在的“幽靈”，由此可見“量子力學(xué)是不完備的”，不足以正確地描述真實的世界，為正確地描述世界，必須從量子力學(xué)體系之外引進(jìn)新的參數(shù)（俗稱為隱參數(shù)），來消除“量子世界的概率性”，這個“幽靈”也自然就消失掉！這就是EPR佯謬的故事。那么量子力學(xué)如何應(yīng)對EPR佯謬？如何解釋這個神奇的幽靈呢？首先，在EPR實驗中，月球上B雖然測到自旋向上，但僅從這次測量的結(jié)果，無法推斷出它是以50%還是100%的概率獲得此結(jié)果的，換句話說，它根本不可能由此知道地球上A是否被測量這個信息，因此這里根本不存在“信息傳送”。即使“幽靈”超光速，也不違背狹義相對論“信息傳送不能超光速”的原理。上述EPR實驗中，似乎地球上A的測量是“因”，而月球上B的后測量是其“果”，而“幽靈”擔(dān)負(fù)著這個“因果”關(guān)聯(lián)的角色。但是，如果同時在地球上和月球上分別測量A和B，結(jié)果應(yīng)如何呢？量子力學(xué)預(yù)言，每次A和B的測量結(jié)果自旋總是相反的，而且多次重復(fù)這個實驗，單獨(dú)看每個粒子測量的結(jié)果系列則是完全隨機(jī)的，A和B兩個隨機(jī)序列則是完全關(guān)聯(lián)，自旋總是相反的，所以實驗結(jié)果是完全關(guān)聯(lián)的隨機(jī)數(shù)序列，這時不再存在“因”“果”之別了，“幽靈”并不從某處傳到另一處，而是扮演將兩個隨機(jī)序列關(guān)聯(lián)起來的角色！設(shè)想我們有100份EPR粒子對（AB）,其中所有A粒子都在地球上，而所有B粒子都在月球，重復(fù)前面的實驗，結(jié)果是地球上所測的100個A粒子自旋向上或向下是完全隨機(jī)的序列，而是大約一半向上，一半向下。同樣的，月球上B粒子的測量結(jié)果也是向上，向下完全隨機(jī)的序列，向上或向下的數(shù)量大約各占一半。但是最令人驚奇的是，地球和月球上分別測到的這兩個隨即序列是完全關(guān)聯(lián)的：第i對EPR粒子中Ai與Bi自旋總是相反的。每對EPR粒子都毫無例外是這個結(jié)果。我們知道，量子世界遵從量子態(tài)疊加原理。EPR中的量子系統(tǒng)，是由兩個總自旋為零的粒子構(gòu)成的，這個系統(tǒng)狀態(tài)同樣符合疊加原理?？傋孕秊榱愕臓顟B(tài)只有兩種可能：|↑?A|↓?B和|↓?A|↑?B，因此，AB系統(tǒng)的狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是|ψ?AB=α|↑?A|↓?B+β|↓?A+|↑?B|α|2+|β|2=1），這個特殊的狀態(tài)稱為“糾纏態(tài)”。處于糾纏態(tài)的粒子，即使空間上分離遙遠(yuǎn)，仍然存在內(nèi)在量子關(guān)聯(lián)，對其中一個粒子的任何操作都會瞬時地改變另一個粒子的狀態(tài)。所謂“幽靈”，就是這種糾纏！一旦兩個粒子存在糾纏，它們的量子關(guān)聯(lián)與粒子之間的距離無關(guān)，與空間環(huán)境無關(guān)，任何電磁屏蔽、引力屏蔽等都無法斬斷這種內(nèi)稟關(guān)聯(lián)。這種量子關(guān)聯(lián)源于量子世界的一種基本屬性，稱為“非局域性”，這便是“幽靈”的因源！因此，物理學(xué)界對EPR佯謬的解釋就出現(xiàn)兩種截然不同的觀點：愛因斯坦等人認(rèn)為：“幽靈”不存在，世界是局域的，量子力學(xué)不完備，必須以“隱參數(shù)理論”代之；玻爾等人認(rèn)為：量子世界是非局域的，“幽靈”理應(yīng)存在，量子力學(xué)是完備的，無需引入“隱參數(shù)”。世界究竟是“局域”還是“非局域”這是個哲學(xué)問題，難以斷定孰是孰非！多虧歐洲核子研究中心的理論物理專家貝爾（Bell）的貢獻(xiàn)才打破了這個僵局。貝爾本人實際上是愛因斯坦的鐵桿粉絲，他認(rèn)為愛因斯坦更聰明，“隱參數(shù)理論”應(yīng)當(dāng)是正確的。1964年，他推導(dǎo)出一個有關(guān)EPR實驗的不等式，即著名的“貝爾不等式”。如果能驗證這個不等式被違背，則“隱參數(shù)理論”就不成立。1982年，法國學(xué)者阿斯派克特首次在實驗上證實，貝爾不等式被違背。其后人們采用各種物理系統(tǒng)和實驗手段開展實驗研究，最終無漏洞地證實，貝爾不等式被違背，量子力學(xué)是完備的，非局域性是量子世界的重要基本性質(zhì)。因此，關(guān)于EPR佯謬這場經(jīng)歷了60多年精彩絕倫的學(xué)術(shù)爭論到了該謝幕的時刻了！愛因斯坦如果在天有靈，看到他質(zhì)疑量子力學(xué)完備性而提出的EPR佯謬，終被證明是“佯”而不“謬”，反而揭示出量子世界的非局域性這個最基本性質(zhì)，不知會有何感想？為便于理解量子世界的非局域性，我們舉個不太恰當(dāng)?shù)睦樱涸诤戏实哪赣H，當(dāng)她在深圳的女兒生下頭胎嬰兒的那一瞬間，她立刻升格為外婆，這就類似于EPR效應(yīng)。這件事并不需要時間就發(fā)生了，盡管母親并不知道關(guān)于她女兒生下嬰兒的任何信息。原因在于母女之間的身份關(guān)聯(lián)，女兒成為母親的瞬間就必然導(dǎo)致自己的母親變成外婆。既然“量子世界”確實存在“超光速”的“幽靈”，那么人們自然會問，能否將這個“幽靈”引到我們的經(jīng)典世界中來，開發(fā)出“超光速通信”？許多科學(xué)家進(jìn)行了不懈努力，最終的結(jié)論是，這是絕對不會成功的。量子力學(xué)的基本原理業(yè)已證明，不可能利用糾纏態(tài)來實現(xiàn)超光速通信。第三篇量子技術(shù)能將人“瞬間”轉(zhuǎn)移到別的星球上嗎？經(jīng)常聽到有人議論，“‘量子技術(shù)’太神奇，可以實現(xiàn)時空穿越，將人‘瞬間’轉(zhuǎn)移到別的星球上！”果真如此嗎？這一問我們就稍微仔細(xì)得討論這個問題。這些說法主要依據(jù)所謂“量子隱形傳態(tài)”這個經(jīng)典物理無法做到的神奇過程。量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)的英文是“QuantumTeleportation”。先說一下，“Teleportation”的含義是“遠(yuǎn)距傳物”，通常在科幻電影或神話小說中出現(xiàn)，人或物在某地突然消失，瞬間在遠(yuǎn)處重現(xiàn)。現(xiàn)實中當(dāng)然無法做到，但“量子糾纏”出現(xiàn)后，科學(xué)家提出“量子隱形傳態(tài)”的方案，可以使量子信息或者稱量子態(tài)在某處消失，隨后在遠(yuǎn)處重現(xiàn)，有點像上述神話中的“遠(yuǎn)距傳物”。具體過程如下：

Alice有個粒子C，處于量子態(tài)|ψ?

c

|ψ?c她希望將此量子信息|ψ?

c

|ψ?c傳送給遠(yuǎn)處的Bob，但信息載體C本身仍保留在Alice處。設(shè)A、B是來自于糾纏源的兩個例子，分別傳送給Alice和Bob，由于A和B處于糾纏態(tài)，因此Alice和Bob就有了一個量子關(guān)聯(lián)的通道，只要一方被測量，另一方的量子態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)的變化，此時，Alice處擁有兩個彼此獨(dú)立的粒子A和C，她對A、C進(jìn)行一種所謂的Bell態(tài)測量，這種測量可能有四種結(jié)果（即四個不同的Bell態(tài)），各自概率為1/4。Alice做一次測量，獲得其中一個結(jié)果（即某個Bell態(tài)），隨后，它將測量結(jié)果經(jīng)由一個經(jīng)典通道傳送給Bob，Bob獲取此經(jīng)典信息后，對粒子B實施相應(yīng)的操作，結(jié)果粒子B便處于量子態(tài)|ψ?

c

|ψ?c上，亦即量子態(tài)從C傳給了B，這就是所謂的“量子隱形傳態(tài)”。這個過程中，Alice和Bob可以完全不知|ψ?

c

|ψ?c是什么態(tài)，C和B也可以不是同一類的量子客體。

Alice對A、C實施Bell態(tài)測量后，ABC整個量子系統(tǒng)究竟發(fā)生了什么改變？

1.C的量子態(tài)改變了，亦即原來量子態(tài)|ψ?

c

|ψ?c消失了，C處于別的量子態(tài)；

2.A、B不再處于糾纏態(tài)，AB之間量子關(guān)聯(lián)中斷了；

3.B處于四種可能的量子態(tài)之一，究竟是哪個量子態(tài)取決于A、C的Bell態(tài)測量的具體結(jié)果；

4.A與C處于四種可能的糾纏態(tài)，各自概率為1/4。

量子隱形傳態(tài)

在“量子隱形傳態(tài)”過程中，量子態(tài)|ψ?

c

|ψ?c究竟是怎么被傳送到B上呢？我們無法按通常的傳送信息方式來想象這個過程，正因為如此，故采用“隱形”來描述這種狀況。一般理解說，|ψ?

c

|ψ?c的信息被分成兩部分，一部分經(jīng)由AB的糾纏量子通道傳到B，另一部分是測量所得的經(jīng)典信息經(jīng)由經(jīng)典通道傳送給B。Bob實質(zhì)上是將兩部分糾結(jié)起來，使量子態(tài)|ψ?

c

|ψ?c精確地賦予B粒子。單獨(dú)從量子通道或經(jīng)典通道獲得信息都無法實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，因此在這個過程中，兩個通道是必不可少的。既然必須采用經(jīng)典通道傳輸信息，這個過程的實現(xiàn)決不可能超光速。所以，量子隱形傳態(tài)決不可能是“瞬時”的，不會發(fā)生超光速現(xiàn)象。

另一點特別要強(qiáng)調(diào)的是，A、B、C都應(yīng)當(dāng)是量子客體，它們可以不屬同一類，可以分別是光子、原子、電子等，但都遵從量子力學(xué)規(guī)律。結(jié)論是，量子隱形傳態(tài)是量子客體之間的一種“非瞬時的”量子信息傳送的過程。

這個結(jié)論否定了經(jīng)典客體之間實現(xiàn)這種隱形傳送信息的可能性。經(jīng)典信息的傳送必須有物理載體的攜帶才能實現(xiàn)，這種物理載體可以是聲波、電磁波（包括光波）、引力波等。

當(dāng)然，如果C不是單個粒子，而是由許多粒子構(gòu)成的復(fù)雜量子客體，而量子態(tài)可以表達(dá)為|ψ?

c

|ψ?c，我們同樣可以經(jīng)由量子隱形傳態(tài)將|ψ?

c

|ψ?c傳送給B。

如果C不是量子客體而是無法用量子態(tài)描述的經(jīng)典客體，而A、B是量子客體，那么C所攜帶的經(jīng)典里的經(jīng)典信息仍然無法用此方式傳送到Bob處而保持C仍留在原處。此外，量子隱形傳態(tài)僅僅傳送量子客體C所攜帶的量子信息（即量子態(tài)），量子客體C并未消失，因此不能說，如果B與C是同類物質(zhì)就可實現(xiàn)量子客體從某處傳送到另處。自然客體具有“物質(zhì)、能量、信息”三要素，只有這三個要素都消失才可以說該客體被消失了。

至此，我們就可很容易地回答本文的命題了，答案是量子技術(shù)不可能將人“瞬間”地轉(zhuǎn)移到別的星球！即使是非瞬時地采用此過程也不能將僵尸、棉衣之類的傳送到別的星球！

“量子隱形傳態(tài)”是量子糾纏的一種奇妙應(yīng)用，并被實驗所驗證。這個過程已成為量子通信等的重要物理基礎(chǔ)，已開辟出具有潛在應(yīng)用價值的新技術(shù)。量子糾纏

量子糾纏是量子技術(shù)的重要資源，是量子計算機(jī)、量子模擬等重大應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。那么，如何產(chǎn)生量子糾纏呢？現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)掌握許多制備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是將一束激光照射到非線性晶體上便能產(chǎn)生糾纏光子對。當(dāng)然，這種糾纏光子源屬概率性的。這種參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的許許多多光子對中才會有一對光子是糾纏的，人們甚至無法預(yù)先知道哪一對是糾纏光子，只能采用能確定糾纏的探測裝置來加以識別，但一旦確認(rèn)該光子對是糾纏的，糾纏也會因此測量而消失。這種后測量制備的糾纏應(yīng)用是有限的。理想的應(yīng)當(dāng)是確定性糾纏源，即每次僅產(chǎn)生一對光子，而且他們必定處于糾纏態(tài)。例如，具有合適能級結(jié)構(gòu)的單個量子點，將其激發(fā)到某個特定上等級，它會躍遷到某個中間能級，伴隨著發(fā)射出一個光子，隨后又從中間能級躍遷到下能級，發(fā)射出另一個光子，而且兩個光子處于糾纏態(tài)。

量子糾纏

兩個獨(dú)立的粒子不糾纏，通過某種非線性相互作用，兩個粒子可以處在糾纏態(tài)上，這種非線性作用的途徑有許多：

兩個糾纏光子分別入射到兩個獨(dú)立量子客體（例如，冷原子系綜、固態(tài)量子存儲器等），可以使這兩個量子客體變成量子糾纏；

在上述量子隱形傳態(tài)中，Alice對相互獨(dú)立的粒子A和C實施Bell態(tài)測量，便使A和C成為糾纏態(tài)；量子處理器中的量子受控非門可以使輸入的兩個量子比特在輸出端成為糾纏態(tài)，等等。

量子糾纏盡管奇妙無比，用途廣泛，但它卻有天然的致命傷——量子糾纏十分脆弱，環(huán)境會不可避免地破壞其量子特性而使“糾纏”消失掉，即兩個糾纏的量子客體最終會演化為不糾纏的狀態(tài)，非局域關(guān)聯(lián)完全斷開。所謂環(huán)境不僅包括經(jīng)典噪聲，諸如熱運(yùn)動、吸收、散射等，還包括量子噪聲，即真空起伏，即使我們有辦法將經(jīng)典噪聲完全隔絕，量子噪聲仍無法消除，而且無處不在。這種環(huán)境引起的量子性消失，被稱為“消相干”（或“退相干”）?！跋喔伞笔恰傲孔酉喔尚浴钡奶鞌?！

量子器件是一種人造的量子系統(tǒng)，“消相干”是實際量子器件應(yīng)用的主要障礙，必須采取措施加以克服。例如通用量子計算機(jī)必須采用量子糾錯和容錯來克服消相干的影響，遠(yuǎn)程量子通信必須采用量子中繼來建立遠(yuǎn)距離的糾纏通道等等。第四篇“薛定諤貓”為什么會自然死亡？凡是學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》的學(xué)生，都必須學(xué)會求解薛定諤方程，人類一百多年來也一直在求解各種各樣的薛定諤方程，并開發(fā)出激光、半導(dǎo)體、核能等新技術(shù)，造福人類近一個世紀(jì)。薛定諤正是因為在創(chuàng)建量子力學(xué)時所作的巨大貢獻(xiàn)榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎。但薛定諤本人后來如同愛因斯坦一樣，對量子力學(xué)有諸多質(zhì)疑，1935年他發(fā)表了著名的薛定諤貓佯謬，質(zhì)問客觀世界是否存在可以區(qū)分的量子態(tài)的疊加。

如圖所示，小盒子裝有放射性源，設(shè)其半衰期為一個小時，即一小時后有一半概率放射出一個粒子，根據(jù)量子力學(xué)疊加原理，一小時后空間將處于有一個粒子（記為|1?

|1?），和沒粒子（記為|0?

|0?）的疊加態(tài)|ψ?=12

√

(|0?+|1?)

|ψ?=12(|0?+|1?))。

如果有粒子，盒子的機(jī)關(guān)會被打開，于是鐵錘就會掉落下去，打破裝有毒氣的瓶子，此時毒氣會將密封于籠子里的貓毒死，當(dāng)然如果小盒子未放出粒子，那么這只貓仍然活著。那么，一個小時后，這只貓究竟是活的還是死的？按照量子態(tài)疊加原理推演下來，貓也應(yīng)當(dāng)處在一半概率是活，一半概率是死的疊加態(tài)上，這只半死半活的貓就是歷史上著名的“薛定諤貓”。盡管它已有八十多歲，迄今依然是人們津津樂道的話題。

薛定諤提出這個佯謬本意是想問，宏觀世界是否存在與微觀世界一樣可區(qū)分態(tài)的疊加態(tài)？現(xiàn)實世界上為何看到的要么死，要么活的貓，從未看到這只半死半活的貓？可見這里的關(guān)鍵詞是“死”和“活”這兩種可區(qū)分狀態(tài)，“貓”只是用于形象地表征這個物理命題而已，采用貓呀狗呀都一樣。

興許貓恰好是薛定諤本人的寵物，他便拿它來說事，或許薛定諤討厭貓，故意使它處在半死半活的難堪狀態(tài)上處罰它，但無論怎樣，他不經(jīng)意地就讓這只貓揚(yáng)名天下！所以不要太在意“貓”，只關(guān)注“死”“活”。

談到宏觀可區(qū)分的量子態(tài)，人們自然會想到《量子光學(xué)》中的相干態(tài)|α?

|α?，相干態(tài)是最接近于經(jīng)典的量子態(tài)，理想的激光就是相干態(tài)，而且當(dāng)其平均光子數(shù)很大時，相干態(tài)的量子效應(yīng)便可忽略不計，可被視為經(jīng)典電磁波。因此在尋找“薛定諤貓”制備的方案，人們多數(shù)采用相位差為π

π的兩個相干態(tài)的疊加作為“貓態(tài)”的候選者。這類方案已被實驗所驗證，最先是在原子尺度上制備這類“貓態(tài)”，其后又在宏觀尺度上也制備成功。因此“薛定諤貓”確實如量子力學(xué)所預(yù)言的那樣，在宏觀世界里是存在的。

“薛定諤貓”可以生存，但是在現(xiàn)實世界中我們卻觀察不到這種疊加態(tài)，只能觀察到確定的狀態(tài)——“貓”要么死，要么活，僅有一種狀態(tài)。這就是所謂的宏觀實在性，即自然客體的宏觀可區(qū)分狀態(tài)總是確定的。

玻爾

以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派反對此說法，作了如下傳統(tǒng)的詮釋：我們只能通過測量才能確知“貓”處在什么狀態(tài)，而測量會破壞被測的量子態(tài)，其結(jié)果是“活貓”和“死貓”的疊加態(tài)會塌縮到活貓或死貓兩者之一的確定態(tài)。換句話講，現(xiàn)實自然界的宏觀實在性是人類對量子客體測量引起的所謂“波包塌縮”所造成的。

玻爾認(rèn)為，只有測量之后看到的才是真實存在的，測量之前的量子世界是虛擬的，不真實的。正是測量決定了薛定諤貓是死還是活的命運(yùn)?！皽y量”究竟發(fā)生了什么？迄今人們還還遠(yuǎn)未搞清楚！

如果自然界的宏觀實在客體果真如玻爾所言是人類實施測量所造成的后果，那就意味著“人類”誕生在自然界之先，這怎么可能呢？人類只不過是自然界演化中在特殊時間和特殊空間中的特定產(chǎn)物而已，玻爾的詮釋顯然本末倒置。此外，任何客觀實在客體都是由分子，原子，電子，基本粒子等微觀粒子構(gòu)成的，那么虛擬、不真實的微觀世界怎么構(gòu)造出真實的宏觀世界呢？哥本哈根學(xué)派也無法自圓其說！

宏觀世界存在的“薛定諤貓”是人們在實驗室里采用特殊方法制備出來的，這種人造的“薛定諤貓”壽命不長，環(huán)境的消相干效應(yīng)會最終使它因量子相干性消失而自動衰變?yōu)榻?jīng)典的貓，即要么死要么活的確定狀態(tài)。“消相干”會殺死薛定諤貓，這是否表明，宏觀實在性就是環(huán)境的消相干造成的？不完全對！

所有人為制備的量子系統(tǒng)都會飽受環(huán)境的消相干效應(yīng)的破壞，如不采取有效的措施抵制這種消相干的影響，這些量子系統(tǒng)最后都會演化成經(jīng)典系統(tǒng)。那么自然界是否存在有環(huán)境消相干效應(yīng)無法摧毀的量子系統(tǒng)呢？確實有。我們知道，任何宏觀客體都是由分子、原子、電子等微觀粒子構(gòu)成的，這些遵從量子力學(xué)規(guī)律的微觀粒子是真實的，絕不是如哥本哈根學(xué)派所說的那樣是虛擬的。宏觀客體中的這些微觀粒子組份是量子系統(tǒng)，它們在環(huán)境中依然保持著量子特性，并不會因消相干被破壞掉，原因何在？其根源在于這些微觀量子系統(tǒng)中存在著很強(qiáng)的內(nèi)在相互作用，粒子之間的強(qiáng)耦合遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境的消相干作用（即退耦合作用），因此微觀量子系統(tǒng)的量子性能夠牢固地保持住。

人造的量子系統(tǒng)會死亡，而自然生成的量子系統(tǒng)卻能永存。這就是自然界本來的狀況。宏觀客體遵從經(jīng)典理論，具有宏觀實在性，其結(jié)構(gòu)單元卻是量子客體，遵從量子理論，兩者和諧地融合為自然客體。人們迄今已成功建立經(jīng)典理論和量子理論，能分別正確地描述經(jīng)典世界和量子世界，但還無法完整地描述自然世界（量子力學(xué)與相對論并不融合），原因在于我們還沒有研究清楚量子世界與經(jīng)典世界之間的界限、究竟是什么物理機(jī)制使得量子世界能自動地演化為經(jīng)典世界。AnupamGarg教授

如何判斷一個物理客體是經(jīng)典的還是量子的？2003年諾貝爾物理獎獲得者AnthonyLeggett教授和合作者AnupamGarg教授為此提出所謂“Leggett–Garg不等式”（下稱LG不等式），凡是滿足此不等式的物理客體屬于經(jīng)典世界，具有處于確定狀態(tài)的宏觀實在性；若違背LG不等式，則屬于量子世界，遵從量子態(tài)疊加原理。

為研究這個問題，我們可以借用“薛定諤貓”來幫忙。首先采用量子光學(xué)相干態(tài)人為地制造出一只“薛定諤貓”，并采取措施保護(hù)這只“貓”不被環(huán)境消相干殺死，當(dāng)然，我們在實驗上可以運(yùn)用LG不等式來識別這只“貓”確實是“量子”的（即實驗結(jié)果若違背LG不等式，就證實它是量子疊加態(tài)）。然后，在實驗上設(shè)法使“貓”逐漸胖起來（及增大相干態(tài)的平均光子數(shù)），一直胖到LG不等式不再被違背，這時“薛定諤貓”便死掉了，變?yōu)榻?jīng)典貓，它處在死或活的確定狀態(tài)上。這便找到了經(jīng)典與量子的界限。特別要強(qiáng)調(diào)，實驗中“薛定諤貓”之死，既不是環(huán)境的他殺，也不是測量引起波包塌縮導(dǎo)致，而是“貓”變胖后的自然死亡。

當(dāng)然我們還需設(shè)計更多的這類使薛定諤貓自然死亡的實驗，最終從實驗上搞清量子世界自發(fā)演化到經(jīng)典世界究竟有哪些機(jī)制。一個可能采取的實驗方案是，采用質(zhì)量很小的客體來制備薛定諤貓，然后逐漸增大質(zhì)量，直至貓自然死亡為止。從而確認(rèn)質(zhì)量、引力是否是量子過渡到經(jīng)典的機(jī)制。一旦我們能在實驗上搞清楚“量子—經(jīng)典”過渡的機(jī)制，就可以在薛定諤方程中加上體現(xiàn)這個機(jī)制的相互作用項，從而可能將量子理論與經(jīng)典理論融合起來。因此，研究“薛定諤貓”為什么會自然死亡成為探索量子世界奧秘的重要抓手之一。第四篇量子密碼就是量子通信嗎？密碼學(xué)是內(nèi)容極其豐富的學(xué)科，目前量子信息技術(shù)僅僅在“密鑰分配”這個具體分支上可望發(fā)揮獨(dú)特的作用。保密通信是密碼學(xué)的重要內(nèi)容，其基本原理是采用密鑰K

1

K1(0，1的隨機(jī)數(shù)列）通過加密算法將甲方要發(fā)送的信息（明文）變換成密文，在公開信道上發(fā)送到合法用戶乙方處，乙方采用密鑰K

2

K2從密文中提取所要的明文。如果甲乙雙方采用相同的密鑰（即K

1

=K

2

K1=K2）則稱為對稱密碼或私密密碼。如果K

1

≠K

2

K1≠K2，則稱為非對稱密碼或公開密碼，其中是公開的密鑰，只為乙方私人擁有。量子密碼如果任何竊聽者在不知曉密鑰的情況下，可以從秘文提取出明文，則這種密碼體系是不安全的。事實上，每個國家，無時無刻都在收集其他國家所發(fā)出的秘文，許許多多極其聰明的破譯專家日以繼夜地企圖從各種秘文中提取有用的機(jī)密信息，這種精彩的情報戰(zhàn)早已成為大眾百姓津津樂道的公開秘密。人們要問，有沒有一種令所有專家都無法破解的密碼？確實有！早在上世紀(jì)四十年代，著名的信息論鼻祖香農(nóng)采用信息論證明，如果密鑰長度與明文長度一樣長，而且用過后不再重復(fù)使用，則這種密文是絕對無法破譯的，俗稱為“一次一密”。太妙了吧！那么為何這種“一次一密”的密碼迄今未被廣泛推廣使用呢？主要原因是，“一次一密”要大量消耗“密鑰”，需要甲乙雙方不斷地更新密碼本，而“密碼本”的傳送（稱為“密鑰分配”）本質(zhì)上是不安全的。采用不安全的密鑰來實施“一次一密”加密仍然是不安全的。那么是否有什么辦法可以確保密鑰分配是安全的？有，這就是“量子密鑰分配”（縮寫為“QKD”）！量子密鑰分配“量子密鑰分配”應(yīng)用到量子力學(xué)的基本特性（如量子不可克隆性，量子不確定性等）來確保任何企圖竊取傳送中的密鑰都會被合法用戶所發(fā)現(xiàn)，這是QKD比傳統(tǒng)密鑰分配所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，后者原則上難于判斷手頭的密碼本是否已被竊聽者復(fù)制過。QKD的另一個優(yōu)點是無需保存“密碼本”，只是在甲乙雙方需要實施保密通信時，實時地進(jìn)行量子密鑰分配，然后使用這個被確認(rèn)是安全的密鑰實現(xiàn)“一次一密”的經(jīng)典保密通信，這樣可避開保存密碼本的安全隱患。量子密鑰分配的過程大致如下：單個光子通常作為偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲傳遞的0，1隨機(jī)數(shù)編碼到這個量子疊加態(tài)上，比如，事先約定，光子的圓偏振代表1，線偏振代表0。光源發(fā)出一個光子，甲方隨機(jī)地將每個光子分別制備成圓偏振態(tài)或線偏振態(tài)，然后發(fā)給合法用戶乙方，乙方接收到光子，為確認(rèn)它的偏振態(tài)（即0或1），便隨機(jī)地采用圓偏光或線偏光的檢偏器測量。如果檢偏器的類型恰好與被測的光子偏振態(tài)一致，則測出的隨機(jī)數(shù)與甲所編碼的隨機(jī)數(shù)必然相同，否則，乙所測得的隨機(jī)數(shù)就可能與甲方發(fā)射的不同。乙方把甲方發(fā)射來的光子逐一測量，記錄下測量的結(jié)果。然后乙方經(jīng)由公開信道告訴甲方他所采用的檢偏器類型。這時甲方便能知道乙方檢測時哪些光子被正確地檢測，哪些未被正確地檢測，可能出錯，于是他告訴乙方僅留下正確檢測的結(jié)果作為密鑰，這樣雙方就擁有完全一致的0，1隨機(jī)數(shù)序列。如果有竊聽者在此過程中企圖騙取這個密鑰，他有兩種策略：一是將甲發(fā)來的量子比特進(jìn)行克隆，然后再發(fā)給乙方。但量子不可克隆性確保竊聽者無法克隆出正確的量子比特序列，因而也無法獲得最終的密鑰；另一種是竊聽者隨機(jī)地選擇檢偏器，測量每個量子比特所編碼的隨機(jī)數(shù)，然后將測量后的量子比特冒充甲方的量子比特發(fā)送給乙方。按照量子力學(xué)的假定，測量必然會干擾量子態(tài)，因此這個“冒充”的量子比特與原始的量子比特可能不一樣，這將導(dǎo)致甲乙雙方最終形成的隨機(jī)數(shù)序列出現(xiàn)誤差，他們經(jīng)由隨機(jī)比對，只要發(fā)現(xiàn)誤碼率異常地高，便知有竊聽者存在，這樣的密鑰不安全，棄之不用。只有當(dāng)他們確認(rèn)無竊聽者存在，其密鑰才是安全的。接下來便可用此安全密鑰進(jìn)行“一次一密”的經(jīng)典保密通信。上述這種保密通信，實質(zhì)上是“一次一密”的經(jīng)典通信，只是密鑰是由QKD生成的，通常也稱為量子保密通信。那么有兩個問題出現(xiàn)：一是，如果竊聽者不停地竊聽，甲乙雙方就無法獲得安全的密鑰，于是保密通信便無法進(jìn)行。確實如此，QKD對此無能為力！它唯一的優(yōu)勢功能就是斷定是否有竊聽者存在，所分配的密鑰是否安全而已。這點在傳統(tǒng)密鑰分配原則上做不到。QKD只能用來確保傳遞信息的安全性，無法抗擊“破壞信息傳送”的行為。在這種場合只有借助于其他辦法進(jìn)行保密通信，比如，采用網(wǎng)絡(luò)QKD，若某一路中段，尋找不被竊聽的傳輸路徑實現(xiàn)安全的密鑰分配。如果QKD網(wǎng)絡(luò)都處于被竊聽的狀態(tài)，那只好采用傳統(tǒng)的保密通信辦法了。二是采用量子比特所生成的安全密鑰比起用傳統(tǒng)方法所得到的安全密鑰（假定存在這種辦法）有優(yōu)越性嗎？回答是否定的。只要密鑰是安全的，不管是用何種辦法生成的，兩者性能完全一樣。特別是，如果達(dá)不到“一次一密”的加密程度，即使QKD的密鑰是絕對安全的。這種密碼體系同樣可能被聰明的破譯者所攻破。現(xiàn)在我們可以回答標(biāo)題所問的第一個問題：量子密碼是量子通信嗎？答案是否定的！所謂“通信”簡單地說就是傳遞信息（即“明文”）。量子密碼只是傳送經(jīng)典隨機(jī)數(shù)而已，不包含有任何信息內(nèi)容，因此，與“通信”無關(guān)。量子保密通信實際上包括由QKD生成的安全密碼和“一次一密”經(jīng)典通信兩個部分，本質(zhì)上仍然是經(jīng)典通信?，F(xiàn)在媒體、學(xué)術(shù)界所說的“量子通信”就是量子密碼或者量子保密通信，是某些人概念不清的誤導(dǎo)，再由媒體炒作放大而形成的。真正的“量子通信”有其確切的內(nèi)涵，即將信息編碼在量子比特上，在量子通道上將量子比特從甲方傳給乙方，直接實現(xiàn)信息的傳遞。這種真正的“量子通信”目前仍處于基礎(chǔ)研究階段，離實際應(yīng)用還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。量子密碼是絕對安全的嗎？下面我們來回答第二部分問題，即量子密碼是絕對安全的嗎？或者問，量子保密通信果真能做到不可竊聽、不可破譯的絕對安全嗎？保密通信的安全性同時受到兩個因素制約：密鑰的安全性和“一次一密”的真實性。量子密碼在理想狀態(tài)下可以確保密鑰的安全性，但實際上，量子密碼系統(tǒng)絕對達(dá)不到理想狀態(tài)，例如單粒子探測效率不是百分百的，它會產(chǎn)生傳輸損耗，各種器件不完善等等問題，這些非理想漏洞就可能被竊聽者用來竊取密鑰，但卻不會被合法用戶發(fā)現(xiàn)。就算人們能設(shè)計出與設(shè)備完全無關(guān)的量子密碼協(xié)議，但因隨機(jī)數(shù)的真?zhèn)巍⒑戏ㄓ脩舻淖R別等問題仍然難以做到密鑰的絕對安全。只能是“相對安全”。另一方面，量子密碼體系必須確保安全密鑰的生成率足夠高，以達(dá)到視頻信息“一次一密”加密的需求，否則，即使密鑰是安全的，保密通信仍然是不安全的。量子密碼的研究已有30多年歷程，目前達(dá)到的實際水平是：在百公里范圍的城域網(wǎng)，量子密碼體系可以做到密鑰分配在現(xiàn)有技術(shù)保證的各種攻擊下是安全的，安全密鑰生成率在25公里可確保高清視頻“一次一密”，在100公里內(nèi)能確保音頻、文字、圖片等的“一次一密”。因此可以制定“量子密碼標(biāo)準(zhǔn)”，推廣應(yīng)用。隨著攻擊技術(shù)水平的提高，現(xiàn)有相對安全的量子密碼可能會被攻擊，到那時將會隨之更新“量子密碼標(biāo)準(zhǔn)”。因此，結(jié)論是：實際上，量子密碼是相對安全的！至于，超過城域而筑建的任何城際量子密碼網(wǎng)絡(luò)，目前仍無法確保其安全性?，F(xiàn)在通常使用的是“可信中繼”，其安全性依賴于人的因素，所以安全程度不會超越現(xiàn)有的傳統(tǒng)加密。遠(yuǎn)程量子密碼只有采用“量子中繼”才能確保其安全性，而“量子中繼”的研制受到可實用的量子存儲器和確定性糾纏光子源的限制，目前仍然處于基礎(chǔ)研究階段。說得更遠(yuǎn)些，能否通過衛(wèi)星等實現(xiàn)“天地一體化”的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)呢？理論上可行，但實際上難以做到。而且，是否非這樣做不可也值得探討。暫不說覆蓋地面的網(wǎng)絡(luò)有多難，就說“地空之間”的量子密碼，必須確保在各種惡劣條件下全天候?qū)崿F(xiàn)安全的密鑰分配，而且它的密鑰分配要達(dá)到“一次一密”的需求，就目前人類所達(dá)到的技術(shù)而言，這些條件都是可望不可及的。通過衛(wèi)星實現(xiàn)“天地一體化”的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)？上面所述的有關(guān)量子密碼是在私密密碼體系中，至于另種公鑰密碼體系在量子信息技術(shù)時代處境如何呢？現(xiàn)有公鑰體系的安全性是基于難求解的數(shù)學(xué)難題，如大數(shù)因子分解等。業(yè)已證明，量子計算機(jī)的并行運(yùn)算能力可以攻破RSA，DSA和ECDSA密碼。因此，現(xiàn)有的公鑰體系將面臨巨大的挑戰(zhàn)。但是量子計算機(jī)并不能解決電子計算機(jī)難于求解的所有數(shù)學(xué)問題，這也意味著，量子計算機(jī)并不能攻破所有密碼體系，特別是10年前密碼學(xué)界就開始著手研究“抗量子計算攻擊的新型密碼”，而且不斷取得進(jìn)展。一旦這種新型的安全密碼體系的研究得以成功，量子時代的信息安全將得到保證，而且這種抗量子計算密碼顯然比起目前研究的量子密碼無論從造價上還是使用上都具有更大優(yōu)勢，相信會獲得更廣泛應(yīng)用。第六篇量子計算，這可是一個顛覆性的新技術(shù)量子計算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息、運(yùn)行的是量子算法時，它就是量子計算機(jī)?，F(xiàn)在或許還無法準(zhǔn)確預(yù)測“量子計算機(jī)時代”何時到來，但在科學(xué)家看來，已經(jīng)沒有什么原理性的困難可以阻擋這種革命性、顛覆性產(chǎn)品的誕生。量子計算機(jī)研制以半導(dǎo)體芯片為核心的計算機(jī)的發(fā)明成就了現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)（硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、通信等）的高速發(fā)展，深刻改變了人類的社會活動形式，甚至是國防安全和國家核心競爭力。半導(dǎo)體集成電路芯片幾十年以來一直沿著“摩爾定律”發(fā)展，單位芯片上晶體管數(shù)目越來越多，集成度越來越高。截止到目前，集成電路芯片制造工藝處于14&10nm技術(shù)代量產(chǎn)階段，更小尺寸的技術(shù)代（7nm和5nm）處于研發(fā)階段。在可預(yù)見的未來將達(dá)到控制電子的物理極限，當(dāng)單個晶體管縮小到只能容納一個或幾個電子時，就會出現(xiàn)單電子晶體管（量子點），量子隧穿效應(yīng)將不可避免的影響電子元器件的正常工作。盡管科研人員正在努力通過各種手段進(jìn)一步延續(xù)晶體管的制程尺寸并同時開發(fā)多核芯片技術(shù)，但相關(guān)技術(shù)只能在有限范圍內(nèi)優(yōu)化傳統(tǒng)芯片性能，無法阻止“摩爾定律”必將被打破的歷史趨勢。集成電路芯片當(dāng)現(xiàn)代計算機(jī)芯片在經(jīng)典物理領(lǐng)域內(nèi)無法進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)性能時，可以研究探索有別于當(dāng)前計算機(jī)架構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)和多核芯片，或者研究量子力學(xué)規(guī)律開發(fā)量子計算。新型結(jié)構(gòu)需要拋棄當(dāng)前計算機(jī)所遵循的馮·諾依曼架構(gòu)，而量子計算則需要改變現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片的基本結(jié)構(gòu)，利用量子疊加和量子糾纏來實現(xiàn)邏輯運(yùn)算。國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖認(rèn)為多核芯片等技術(shù)只能短期延續(xù)摩爾定律，中長期必然要發(fā)展以量子物理為基礎(chǔ)的量子計算等顛覆性、革命性新型器件來超越摩爾定律，信息的量子化趨勢將不可避免。量子計算是芯片尺寸突破經(jīng)典物理極限的必然產(chǎn)物，是后摩爾時代具有標(biāo)志性的技術(shù)。對于現(xiàn)代計算機(jī)而言，通過控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個數(shù)據(jù)到底是“1”還是“0”，采用“1”或“0”的二進(jìn)制數(shù)據(jù)模式，俗稱經(jīng)典比特，其在工作時將所有數(shù)據(jù)排列為一個比特序列，對其進(jìn)行串行處理。而量子計算機(jī)使用的是量子比特，量子計算機(jī)能秒殺傳統(tǒng)計算機(jī)得益于兩個獨(dú)特的量子效應(yīng)：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個量子比特同時具備0和1的兩種狀態(tài)，量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨(dú)立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級疊加，實現(xiàn)量子并行計算，其計算能力可隨著量子比特位數(shù)的增加呈指數(shù)增長。理論上，擁有50個量子比特的量子計算機(jī)性能就能超過目前世界上最先進(jìn)的超級計算機(jī)“天河二號”，擁有300個量子比特的量子計算機(jī)就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的并行計算，量子計算機(jī)能夠?qū)⒛承┙?jīng)典計算機(jī)需要數(shù)萬年來處理的復(fù)雜問題的運(yùn)行時間縮短至幾秒鐘。這一特性讓量子計算機(jī)擁有超強(qiáng)的計算能力，為密碼分析、氣象預(yù)報、石油勘探、藥物設(shè)計等所需的大規(guī)模計算難題提供了解決方案，并可揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造和新能源開發(fā)等奠定科學(xué)基礎(chǔ)。量子計算機(jī)工作原理此外，量子計算的信息處理過程是幺正變換，幺正變換的可逆性使得量子信息處理過程中的能耗較低，能夠從原理上解決現(xiàn)代信息處理的另一個關(guān)鍵技術(shù)--高能耗的問題。因此，量子計算技術(shù)是后摩爾時代的必然產(chǎn)物。量子計算技術(shù)不僅能克服現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝因為尺寸減小而引起的熱耗效應(yīng)，還能利用量子效應(yīng)實現(xiàn)功能強(qiáng)大的并行計算，極大地提高計算速度和信息處理能力。規(guī)?；ㄓ昧孔佑嬎銠C(jī)的誕生將極大地滿足現(xiàn)代信息的需求，在海量信息處理、重大科學(xué)問題研究等方面產(chǎn)生巨大影響，甚至對國家的國際地位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、國防軍事和信息安全等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵性作用。

（一）國家影響力信息是當(dāng)今世界最為重要的戰(zhàn)略資源，計算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，信息處理能力是信息時代的基本生產(chǎn)力，是國家的核心競爭力，體現(xiàn)國家綜合實力的重要標(biāo)志。二戰(zhàn)結(jié)束以來，美國一直占據(jù)超級計算機(jī)研發(fā)的尖端，最初主要用于計算導(dǎo)彈彈道以及核武器模擬計算等軍事活動當(dāng)中，后來逐步應(yīng)用到科研、產(chǎn)品研發(fā)、金融等各個領(lǐng)域。隨后，計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在美國迅速發(fā)展壯大，并在世界范圍內(nèi)擴(kuò)展和加速全球化進(jìn)程，美國在此過程中積累了其強(qiáng)大的國際影響力。量子計算科技革命給了我國一個從經(jīng)典信息技術(shù)時代的跟蹤者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)的引領(lǐng)者的、不可錯過的偉大機(jī)遇。量子計算技術(shù)是一種顛覆性技術(shù)，關(guān)系到一個國家未來發(fā)展的基礎(chǔ)計算能力，一旦形成突破，會使掌握這種能力的國家迅速建立起全方位戰(zhàn)略優(yōu)勢，引領(lǐng)量子信息時代的國際發(fā)展。

（二）經(jīng)濟(jì)影響力量子計算機(jī)能克服現(xiàn)代計算機(jī)發(fā)展所遇到的能耗和量子效應(yīng)問題，從而擺脫半導(dǎo)體行業(yè)面臨的摩爾定律失效的困境，同時突破經(jīng)典極限，利用量子加速、并行特性解決經(jīng)典計算機(jī)難以處理的相關(guān)問題。作為現(xiàn)代計算機(jī)的顛覆者，未來量子計算機(jī)會像經(jīng)典計算機(jī)一樣形成龐大的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，在國民經(jīng)濟(jì)生活中產(chǎn)生重大影響。其突破必將為信息和材料等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開辟廣闊的空間，成為后摩爾時代和后化石能源時代人類生活的技術(shù)依托。量子計算機(jī)的研制必將帶動包括材料，信息，技術(shù)，能源等一大批產(chǎn)業(yè)的飛躍式發(fā)展。量子計算機(jī)強(qiáng)大的并行計算和模擬能力，將為密碼分析、氣象預(yù)報、石油勘探、藥物設(shè)計等所需的大規(guī)模計算難題提供了解決方案，從而為提高國家整體經(jīng)濟(jì)競爭力創(chuàng)造條件。量子計算與氣象預(yù)報（三）科技影響力過去50年以來，半導(dǎo)體及信息行業(yè)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷過數(shù)次突破，從處理器的運(yùn)算速度到存儲器容量，再到網(wǎng)絡(luò)帶寬，每一次突破之后都能帶來巨大的社會進(jìn)步。目前，海量數(shù)據(jù)處理已成為急需攻克的壁壘。當(dāng)前計算機(jī)處理海量數(shù)據(jù)的能力非常薄弱，傳統(tǒng)計算機(jī)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足信息量爆炸式增長的需求，迫切需要從原理上突破超大信息容量和超快運(yùn)算速度的瓶頸，而量子計算機(jī)正好能有效滿足這一需求。量子計算機(jī)在科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。學(xué)術(shù)界認(rèn)為，在量子計算機(jī)達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的比特數(shù)之前，將首先用于對量子體系的模擬。量子計算機(jī)利用其特殊的量子力學(xué)原理，將為強(qiáng)關(guān)聯(lián)等物理學(xué)提供完美的檢驗平臺。同時量子計算對于生物制藥、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并對提高國家科技影響力起到積極作用。人工智能（四）軍事影響力量子物理與計算科學(xué)第一次大規(guī)模結(jié)合的直接原因就是研制核心武器的需求。在計算技術(shù)的發(fā)展歷程中，軍事應(yīng)用價值始終是其重要推動力之一。量子計算機(jī)的強(qiáng)大功能應(yīng)用到國防建設(shè)時，其強(qiáng)大的運(yùn)算、搜索、處理能力，將為未來武器研發(fā)提供計算、模擬平臺，縮短研發(fā)周期，提高武器研發(fā)效率。還將在未來戰(zhàn)場上破譯加密密文，為及時高效準(zhǔn)確的情報和戰(zhàn)況分析提供技術(shù)支撐，提升作戰(zhàn)能力，同時在戰(zhàn)場計劃、組織決策、后勤保障等方面發(fā)揮巨大作用，甚至有可能改變未來戰(zhàn)爭的形態(tài)，掌握其核心技術(shù)能夠極大地增強(qiáng)國防綜合實力。量子物理與軍事

（五）國家信息安全量子計算機(jī)最受關(guān)注的重要應(yīng)用之一是破譯現(xiàn)代密碼體系。理論研究表明，目前使用的RSA公開密鑰體系在量子計算機(jī)面前將不堪一擊。構(gòu)建于基于經(jīng)典保密系統(tǒng)之上的安全體系將變得無秘可言。此外，量子計算對于信息安全的威脅還具有前溯性，如果現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)流量遭到竊聽并被存儲下來，未來潛在的對手利用量子計算能力，就能對這些通常加密的信息進(jìn)行破解，從而在多年以后將威脅范圍追溯到當(dāng)前。量子計算機(jī)的研制已經(jīng)成為國際社會關(guān)注的焦點，其對國家安全體系的重大意義不言而喻。量子計算機(jī)縱然有無比強(qiáng)大的顛覆性功能，然而通用量子計算機(jī)的研制過程是相當(dāng)復(fù)雜的。研制量子計算機(jī)的關(guān)鍵在于量子比特的制備。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環(huán)境變化都可能對其造成破壞性影響。因此，量子計算機(jī)的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封極低溫環(huán)境中，防止受到其他環(huán)境因素的干擾。量子比特的制備方式存在多種方案，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，國際主流研究集中到了超導(dǎo)量子比特、半導(dǎo)體量子點、囚禁離子、鉆石空位和拓?fù)淞孔颖忍氐?。由于量子計算對于國家安全及?jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大影響，世界各國政府持續(xù)高強(qiáng)度資助量子計算機(jī)的研制。毫無疑問，美國在量子計算機(jī)研制上是國際最領(lǐng)先的，并且有著完整的布局。雖然量子計算研究的進(jìn)展低于十年前的預(yù)期，但還是讓人們看到了突破可集成化量子計算機(jī)技術(shù)瓶頸的希望。特別當(dāng)量子比特的保真度突破了容錯量子計算的閾值，使得一些基本量子算法得到演示。這些巨大的成就吸引了一些國際商業(yè)機(jī)構(gòu)和政府部門的極大關(guān)注。量子計算機(jī)研制已經(jīng)進(jìn)入一個十分關(guān)鍵的時刻，國際上超大計算機(jī)、信息企業(yè)都投入巨大人力、物力來研制量子計算機(jī)。主要包括：2012年微軟研究院（美國）成立了量子體系結(jié)構(gòu)與計算研究組，主要的目標(biāo)是實現(xiàn)量子計算機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu),包括量子程序設(shè)計語言及編譯系統(tǒng)。2013年谷歌公司與美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合成立了量子人工智能實驗室，研究如何將量子計算機(jī)應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)。2014年9月2日谷歌宣布美國UCSB大學(xué)的Martinis教授研究組加入谷歌公司研發(fā)量子計算機(jī)處理器。2014年IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片（五年計劃），主要是量子計算與神經(jīng)計算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨資與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)合作研發(fā)基于硅量子點的量子計算機(jī)，并于近日開發(fā)出了將量子計算機(jī)需要的超純硅附著在傳統(tǒng)微電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)晶圓上的技術(shù)，以期搶占半導(dǎo)體量子計算機(jī)研制的制高點。2015年5月，全球最大的國防工業(yè)企業(yè)洛克希德.馬丁(LockheedMartin)與馬里蘭大學(xué)合作研發(fā)集成量子計算平臺。2016年5月4日IBM公司發(fā)布了5個量子比特的量子計算云服務(wù)。2016年8月4日馬里蘭大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布5個量子比特的可編程量子計算機(jī)。美、日、歐等發(fā)達(dá)國家在前期已經(jīng)投入大量研發(fā)資金之后，2016年4月歐盟又宣布于2018年啟動總額10億歐元的量子技術(shù)項目，促進(jìn)包括通用量子計算機(jī)等在內(nèi)的多項量子技術(shù)的發(fā)展。同月，澳大利亞政府宣布在澳大利亞量子計算與通信技術(shù)中心成立量子計算實驗室，進(jìn)一步集中對半導(dǎo)體硅基量子芯片等研究加大投入，以期搶占半導(dǎo)體量子計算的制高點。我國政府也很重視量子信息技術(shù)的發(fā)展，在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中將“量子調(diào)控研究”列為四個重大科學(xué)研究計劃之一，給予量子信息技術(shù)穩(wěn)定的研究支持，做出了一系列創(chuàng)新性研究成果，在某些方面已經(jīng)處于國際領(lǐng)先地位，特別是基于量子物理的新型量子保密通信技術(shù)已逐步邁向?qū)嵱没a(chǎn)業(yè)化。然而實用化量子計算機(jī)的研制是一個系統(tǒng)工程，既要以量子物理為基礎(chǔ)進(jìn)行量子計算模型的原理性創(chuàng)新，又要從材料體系，結(jié)構(gòu)工藝，系統(tǒng)構(gòu)架和軟件控制等工程技術(shù)創(chuàng)新和積累，我國在現(xiàn)代工藝技術(shù)上的基礎(chǔ)薄弱，在核心電子器件、高端通用芯片、基礎(chǔ)軟件、極大規(guī)模集成電路制造裝備等長期落后，也導(dǎo)致我國量子計算的研究大都局限于原理驗證性和演示性層面，缺乏系統(tǒng)深入的實驗平臺和以實用化量子計算機(jī)為目標(biāo)的研究隊伍。特別是在可擴(kuò)展的固態(tài)量子比特研究體系上，國內(nèi)只有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所等少數(shù)單位開展相關(guān)研究。雖然經(jīng)過近幾年不懈努力，我們在半導(dǎo)體量子點和超導(dǎo)量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面達(dá)到了世界一流水平，但是與國際領(lǐng)先水平還有差距，特別是在人力和物力方面的投入與歐美國家相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。量子計算機(jī)的研制需要物理、材料、信息和計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的緊密協(xié)調(diào)和結(jié)合，從而實現(xiàn)從大規(guī)模器件的制備向微電子工程方面邁進(jìn)。通用量子計算機(jī)的研制還有很長的路需要走，量子計算機(jī)的研制將伴隨著經(jīng)典計算的發(fā)展一起前進(jìn)，相信隨著量子比特的保真度達(dá)到容錯量子計算的閾值，量子計算機(jī)的研究已經(jīng)從實驗室階段向工程技術(shù)化階段邁進(jìn)，越來越多的研究單位和大型公司企業(yè)將進(jìn)入，從而加速可實用化通用量子計算機(jī)研制的進(jìn)程。從先進(jìn)的發(fā)展模式而言，各大公司與研究機(jī)構(gòu)合作研制量子計算機(jī)是集科研機(jī)構(gòu)、公司、政府部門等于一體的研發(fā)模式，這可能是未來推進(jìn)量子計算機(jī)研制的一種有效模式。第七篇量子模擬到底是啥？隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人類利用計算機(jī)來模擬現(xiàn)實世界的能力越來越強(qiáng)大：現(xiàn)在飛機(jī)和汽車性能的測試、核試驗，都可以在超級計算機(jī)的賽博空間中進(jìn)行；甚至，當(dāng)前熱門的人工智能研究，也可以看成是計算機(jī)對人類行為的模擬。但是，用計算機(jī)模擬現(xiàn)實世界就總是這樣無往而不利嗎？人工智能

事實上并不是這樣，當(dāng)這些超級計算機(jī)來研究微觀世界的量子力學(xué)問題的時候，原來強(qiáng)大的計算能力馬上就變得捉襟見肘。在由量子力學(xué)規(guī)律所支配下的微觀世界中，物理系統(tǒng)的所有信息都包含在系統(tǒng)的波函數(shù)里，如果我們能夠精確地知道系統(tǒng)在某個時刻的波函數(shù)，原則上，我們也就知道了這個系統(tǒng)在該時刻的所有性質(zhì)。但是精確地描述波函數(shù)是一個浩大的工程。以我們所知道的最簡單的量子系統(tǒng)——兩能級系統(tǒng)（通常是一個電子或者一個光子所描述的系統(tǒng)）為例，要描述這個系統(tǒng)的一個量子態(tài)，需要2個自由參數(shù)；描述由兩個這樣的粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)，則需要14個自由參數(shù)；如果描述N個兩能級系統(tǒng)所構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)的量子態(tài)，則需要4

N

?2

4N?2個自由參數(shù)。如果N稍稍增加，這將是一個非常龐大的數(shù)字，于是，計算這樣一個由相互作用的粒子所構(gòu)成的量子系統(tǒng)的波函數(shù)隨時間的演化，則變得異常困難，以至于目前人類最強(qiáng)大的計算機(jī)只能計算30多個兩能級粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)。費(fèi)曼

美國物理學(xué)家費(fèi)曼最早認(rèn)識到這方面的困難，并給出了解決的方案。通常，如果想知道一個物理系統(tǒng)的運(yùn)行和演變，一種方式是：我們知道描述這個系統(tǒng)運(yùn)動的基本方程，然后通過數(shù)學(xué)計算出系統(tǒng)每個時刻的變化；第二種方式就是做實驗，創(chuàng)造一個和我們已知物理系統(tǒng)相同條件的系統(tǒng)，讓它在相同的規(guī)律下演進(jìn)、變化，我們通過對實驗結(jié)果的觀察來獲得我們想要的信息。費(fèi)曼猜想，既然世界的底層規(guī)律是符合量子力學(xué)的，如果我們沒有能力數(shù)值求解，我們可以創(chuàng)造一個人工的、符合量子規(guī)律的有效系統(tǒng)，使得這個有效系統(tǒng)所滿足的量子力學(xué)方程同我們的求解對象完全一致，于是，我們可以通過控制這個人工的量子力學(xué)系統(tǒng)，在這個人工系統(tǒng)上直接做實驗，讀出實驗結(jié)果即為我們所欲求得的解。費(fèi)曼的這個想法，進(jìn)一步演變?yōu)閿?shù)字式的量子模擬（即：建造一臺量子計算機(jī)，在量子計算機(jī)上，用量子比特來構(gòu)建模擬對象，模擬系統(tǒng)的性質(zhì)）和模擬式的量子模擬（即：直接在人工系統(tǒng)中構(gòu)建所模擬的有效量子系統(tǒng)，它與數(shù)字式量子模擬的區(qū)別雷同于數(shù)字電路與模擬電路的區(qū)別）。量子模擬實驗顯示時光旅行

人們通過研究發(fā)現(xiàn)，量子模擬除了擅長模擬量子多體系統(tǒng)隨時間的演化，還有可能模擬目前尚沒有辦法求解的強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)，而這兩類問題是困擾多個學(xué)科分支（如：凝聚態(tài)物理、量子統(tǒng)計力學(xué)、高能物理、原子物理、量子化學(xué)等）的攔路虎。除此之外，通過量子模擬還有可能構(gòu)建某些理論上預(yù)言、但是自然界尚未發(fā)現(xiàn)的新型的“虛擬”量子材料，來展現(xiàn)量子世界的神奇應(yīng)用（如拓?fù)淞孔佑嬎悖?；或是在量子模擬器中模擬目前真實物理設(shè)備所達(dá)不到的物理條件，演示已經(jīng)被理論預(yù)言，但是從未在真實世界中觀測到的物理現(xiàn)象；或是創(chuàng)建用于求解某些特殊類型的數(shù)學(xué)難題的專用機(jī)器（超越目前超級計算機(jī)所能達(dá)到的最快求解速度），等等。

目前，潛在的能夠?qū)嵤┥鲜龉δ艿牧孔幽M系統(tǒng)主要有：超冷原子氣體系統(tǒng)、離子阱系統(tǒng)、超導(dǎo)電路系統(tǒng)、光子系統(tǒng)等。第八篇量子也有存儲U盤？存儲器的功能就是把信息存儲起來，直到需要用到的時候再讀出。信息的存儲是是人類文明傳遞的重要手段，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的一個核心環(huán)節(jié)。伴隨著人類歷史的發(fā)展，信息存儲的介質(zhì)也在不斷變化。語言是人類最初的交流方式，大腦是信息存儲的最早介質(zhì)。它使得人類能夠持續(xù)生存與進(jìn)化。從語言到文字是人類文明進(jìn)步的一個轉(zhuǎn)折點，信息可以脫離人本身以文字等形式保存起來并傳遞下去。人們先后使用過石頭雕刻、繩子打結(jié)、書本、磁盤、光盤等各種形式的存儲器。電腦硬盤現(xiàn)代數(shù)字信息處理是基于二進(jìn)制計算機(jī)的，所以經(jīng)典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構(gòu)成我們所需要的信息。經(jīng)典存儲器隨處可見，包括電腦、手機(jī)內(nèi)的內(nèi)存、硬盤，以及便攜式U盤等。便攜式U盤由經(jīng)典信息走向量子信息的時代，量子存儲器是必不可少的基礎(chǔ)器件。對比經(jīng)典存儲器的功能，量子存儲器應(yīng)當(dāng)是可以存儲量子狀態(tài)的，也就是|0?

|0?和|1?

|1?的任意量子疊加狀態(tài)。|0?

|0?和|1?

|1?是兩種最基本的量子態(tài)，對應(yīng)經(jīng)典的0和1，其區(qū)別是量子態(tài)可以疊加，比如有|0?+|1?

|0?+|1?,|0??|1?

|0??|1?,|0?+i|1?

|0?+i|1?等各種狀態(tài)。量子存儲器在量子信息科學(xué)中具有許多重要的功能：（1）建立大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。量子網(wǎng)絡(luò)是長程量子通信和分布式量子計算的載體，它可以基于量子糾纏建立起來。單個光子是量子糾纏、量子信息的理想載體，然而單個光子在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸面臨指數(shù)級的損耗，單光子穿越100千米光纖的幾率是百分之一，而穿越500千米光纖的幾率則降至100億分之一。一個典型的解決方案是量子中繼，其基本思想是把大尺度網(wǎng)絡(luò)分割成多段小尺度網(wǎng)絡(luò)。比如500千米的量子糾纏傳輸可以分解為五段100千米的短程糾纏，在短程糾纏依次成功建立的條件下，再利用糾纏交換建立遠(yuǎn)程糾纏。這里的問題是，每個100千米的糾纏建立的時間一般是不同步的，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立，等等。這就需要量子存儲器去同步這個過程，每個節(jié)點的糾纏一旦成功建立則存儲起來，等到所有節(jié)點都成功建立時，存儲器之間進(jìn)行糾纏交換最終建立遠(yuǎn)程糾纏。所以大尺度量子網(wǎng)絡(luò)要解決的核心問題就是高性能量子存儲器的物理實現(xiàn)。量子網(wǎng)絡(luò)（2）構(gòu)建量子計算機(jī)。和經(jīng)典計算機(jī)一樣，通用量子計算機(jī)也需要量子存儲器（內(nèi)存）實現(xiàn)復(fù)雜的計算功能。依據(jù)具體計算芯片的不同，該存儲器要存儲相應(yīng)的量子信息載體。以線性光學(xué)量子計算為例，多光子是一種基本的計算資源，可是直接產(chǎn)生多光子非常困難：某時刻獲得一個光子的幾率是P，則同時獲得N個光子的的幾率是P的N次方。目前P值大約10%，故無法產(chǎn)生幾十個光子的糾纏態(tài)。利用量子存儲器可以把這種低效率的光子源轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性（即P接近100%）的光子源。比如存儲器的壽命是產(chǎn)生光子所需要一次操作時間的100倍，那么就可以在存儲器壽命范圍內(nèi)，做最大100次重復(fù)嘗試發(fā)射光子直到成功，從而把一個P=1%幾率的光子源轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性光子源，并進(jìn)一步獲得多光子源。（3）實現(xiàn)量子U盤。以上提到的應(yīng)用中量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個地點配合光子來實現(xiàn)諸多功能。2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)稀土離子摻雜晶體的自旋態(tài)量子相干壽命長達(dá)6小時。這是量子系統(tǒng)相干壽命的最高水平，并且有望進(jìn)一步提升至幾天的量級。該結(jié)果對量子信息科學(xué)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。比如我們可以把單個光子存儲進(jìn)存儲器中，并且在存儲壽命范圍內(nèi)，利用汽車、高鐵、飛機(jī)等運(yùn)輸工具把存儲器運(yùn)輸?shù)饺我庵付ǖ攸c，這就實現(xiàn)了量子U盤的功能。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實現(xiàn)對量子糾纏物體的經(jīng)典搬運(yùn)。量子通信將不再依賴光纖布網(wǎng)，任何經(jīng)典交通工具能到達(dá)的地方，量子U盤攜帶量子糾纏就能到達(dá)。它將是一種高靈活性且相對低成本的點對點量子通信方式，有望在身份認(rèn)證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領(lǐng)域取得應(yīng)用。值得一提的是量子存儲器的容量問題，經(jīng)典存儲器一般以比特為單位，現(xiàn)在的經(jīng)典存儲器可以達(dá)到TB（2的40次方）的量級。經(jīng)典存儲器一個存儲單元只存儲一個比特，所以存儲器的容量實際上就是經(jīng)典存儲單元的個數(shù)。量子存儲器由于量子相干性的特點，它的一個存儲單元可以一次性存儲N個量子比特，也就是N個模式。近期研究表明固態(tài)量子存儲器的存儲容量可達(dá)100個量子比特。這個容量已經(jīng)遠(yuǎn)大于地球上所有經(jīng)典存儲器之和。量子存儲器綜合來看，由于量子信息不可復(fù)制且不可放大，量子存儲器在量子信息中的地位比經(jīng)典存儲器在經(jīng)典信息中的地位更加重要。國際上有許多研究組在從事量子存儲器的研究，比較主流的物理系統(tǒng)是冷原子、熱原子以及稀土離子摻雜晶體。目前量子存儲器的各項獨(dú)立指標(biāo)都有比較好的結(jié)果，然而綜合指標(biāo)仍然距離量子中繼的要求相差較遠(yuǎn)。量子計算需求的量子存儲器綜合指標(biāo)相對低一些，但這種存儲器的實際應(yīng)用需要伴隨量子計算研究的突破。量子U盤研究當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)是如何把單個光子高效率地存儲進(jìn)長壽命的自旋態(tài)中以及提高實際系統(tǒng)運(yùn)輸中的抗環(huán)境噪聲能力。伴隨以上研究的逐步推進(jìn)，量子U盤有望率先進(jìn)入實用環(huán)節(jié)。第九篇量子傳感刷新測量技術(shù)極限人類社會的發(fā)展進(jìn)程從某種意義上就是測量技術(shù)不斷進(jìn)步的過程。測量技術(shù)的核心就是追求更高的精度。一般情況下可以通過兩種方式來提高測量精度。第一種是制備和利用分辨率更高的“尺子”。例如從早期的用手或者腳等的長度作為尺子，到目前人們通常使用的游標(biāo)卡尺甚至是激光尺子等，人類對空間尺度的測量精度得到了大大的提高；第二種方式是通過多次重復(fù)測量減少測量誤差，提高測量精度。例如重復(fù)N次獨(dú)立的測量，其精度就可以達(dá)到單次測量的，也就是我們經(jīng)常說的經(jīng)典力學(xué)框架下的測量極限——散粒噪聲極限。量子傳感器近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計等特性，可以實現(xiàn)更高精度的測量。因此，基于量