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郭光灿:量子技术会改变我们的创新创业模式
郭光灿:量子技术会改变我们的创新创业模式
2016/7/31 15:37:18 | 浏览:1501 | 评论:0

郭光灿:量子技术会改变我们的创新创业模式

  现在我们已经离不开电脑、手机、互联网。这些技术也是现在创新创业的技术基础,这个技术已经造就了近50年来人类社会的繁荣。所有的这些技术都叫做经典技术,因为它们的物理定义符合牛顿力学和经典物理,所以我们把这些统称为经典技术。创新创业的基础就是经典技术,各种相关的应用、产业也随着经典技术的不断普及被开拓出来。21世纪人类社会将迎来另一种新的技术,就是量子技术。它跟经典技术完全不同,它的性能远远超过经典技术的性能和极限。量子技术一旦到来,我们可以根据它进行很多创新创业活动。我今天讲的这个内容,跟现在做的可能不太一样。但是未来很可能就发展成为产业。所以我今天要告诉大家,量子技术都有哪些?究竟做到了什么地步?哪些可以很快的开发出我们的产业?

 

量子世界的最大特点:不确定性

 

  经典世界,这是大家熟悉的世界,我刚才说互联网,电脑,手机都是经典世界的经典技术。这个技术的特点就是它所有的状态,物理量都是确定的。我们说黑的就是黑的,我们说白的就是白的,这个世界的特点就是确定性。如果这个世界小到分子、原子,那就出现毛病了,它的任何量都是不确定的、概率的,所以性质完全不同,我们就叫它微观世界或者量子世界。微观世界或者是量子世界,跟经典世界最大的不同,就是什么都不确定:位置不确定,轨迹不确定,状态不确定,什么量都不确定。我们都认为确定的,黑是黑的,白是白的,对于它来说也是不确定的,就这么奇怪,这是另外一个世界。

  量子有什么不同?如果这个世界里面有一个经典的粒子,我问这个时间他在哪儿?牛顿力学会告诉你它在哪一个确定位置,状态就确定了。同样这个空间有一个量子的粒子,你问这个时间这个粒子在这个空间哪一个位置?量子会先告诉你不确定,空间的哪个位置都可以找到它。它的位置不确定,你不相信,它就这样,我们世界上都可以看到它不确定的,这是它本质上的特点。举一个例子,从一个地方运动到另一个地方,有几条轨道一块走,比如从青岛到北京,我可以从这一条路,从海陆走,从好几条路走。一旦从青岛到了北京就只有一条路,这叫做运动轨迹确定了。同样量子的,一个量子从青岛到北京也有几条路,然后一旦到了北京,你就问他走哪一条路。量子会告诉你它哪一条路都不走,哪一个都走。路不确定,路径不确定。奇怪吧!量子世界就非常奇怪。

  比如这样一个光子,通过一个干涉仪,到了第一个分数产生两条路,有波动性,做试验的都知道。如果一个光子也走过去了,它会产生干涉,然后问“从上面走,从下面走?”量子说,它两条路一块走,不走一条路。你说“我不相信”,测量它是走哪一条路,一测量就破坏它的状态了。只要保持量子性它就会两条路一起走,这就是它奇怪的地方。所以量子时代的特点是状态不确定。就是我们楼上好几层,有一个人,你说他现在在哪儿。我说在第四层,一会可能在第三层,现在第一层。如果这个人是量子的,你问这个时间它在哪一层,量子会告诉你哪一层都有它。这几种层都有它存在,所以量子很难想象。所以量子就符合了不确定性带来的叠加原理。这种性质虽然很奇怪,但是很有用。两个光子就更有用了,我们从一个激光打到一个非线性晶体产生两个光子,会出现一种非常独特的状态,叫做纠缠态。

  纠缠态光子有一个非常奇怪功能。如果这两个光子,一个送到地球,一个送到月球,按照量子力学规律如果我对地球上这个光子进行作用,月球上面光子不需要时间,就会马上就发生变化。超光速的,就这么变了,这是量子力学推导出来的。按理说不可能超光速,除非幽灵才不符合物理定律存在,这就叫做幽灵般的超距作用。可量子力学观点说“我的这个是对的”。幽灵存在的,就是量子世界一个性质。于是两派人争吵不休,最后试验决定,试验结果表明幽灵是存在的,量子世界有超光速的东西也确实存在,而且已经被试验证明。EPR效应,现在非常重要的量子力学基础。两个粒子空间分的很开,对着作用打一下那边马上感到疼。只要量子世界存在就一定会有这样的现象。

  做一个比喻,比如一个人,母亲在青岛,她女儿在深圳,女儿在深圳结婚生孩子,一瞬间青岛母亲自动变成外婆,这是EPR效应,不需要告诉她,马上她变成外婆。这个例子中两个人有先天关联,所以ERP效应是一种关联,一种没有办法中断的关联。所以量子世界就很多很多。“量子纠缠”这一幽灵般的超距作用可以做很多有趣应用。举个例子,比如一个女同学的名字叫Alice,她的名字有一个顺序,载体是C。她想把这一个C传到Bob那里,但是载体不送过去。C需要载体,载体是无限的量波。她提出一个载体C,我要把这一个信息传到远方男同学Bob那里,相当于这个信息在Alice传到Bob,要想这里死亡那里起来是做不到的,但有“纠缠”就可以做到。我们先搞两个,A和B能够处在纠缠的状态。A和B有幽灵般相互作用,利用这个相互作用物理学上就能完成。有人形象地比喻说这叫做“借尸还魂”。C不过去,但是灵魂跑到B,在B尸体上把灵魂重塑,这是纯粹的物理现象的比喻。量子世界非常奇怪,我们现在没有搞清楚为什么这么奇怪,但是我们可以开发这个奇怪的性质为人类服务,这是我们追求的。所以现在开发出了各种各样技术:量子计算机、量子模拟机、专用计算机、量子密码、量子通信网络、量子传感等等,所有的技术都可能会逐步的开发,这就是我说的21世纪量子技术时代将会到来。

 

量子计算机的优势:能耗低,存储量大

 

  量子计算机,跟我们电脑相似,都是解问题,算问题。我们的电脑、微电子发展地非常快,快到有一个摩尔定律。摩尔定律说电子计算机的速度每18个月就会翻一番。几十年来计算机的发展就是按照这个摩尔定律指数上升。所以我们手机的功能越来越强大,芯片越来越小。在上世纪80年代的时候,就在摩尔定律正在兴盛的时候,有一帮物理学家就想一个问题:摩尔定律会不会无限发展下去?会不会死亡?有没有终结的时候?他们的研究结果得出结论,摩尔定律一定会死亡,会终结。原因在两个:第一,芯片越来越小,但是耗能非常大,芯片烧掉,发展不下去。第二,如果想晶体管做越来越小,小到最后剩下一个电子,一个电子是微观世界,微观世界就是量子力学,那不确定的,所以所有的计算机的模式全部是失败这两个原因导致摩尔定律一会终结。但是当时IT产业正兴旺发达,所有的搞计算机的人都不理物理学家的说法,认为杞人忧天。但是如今摩尔定律发展不下去了,三十年前物理学家就预言过。那么下一代替代电子计算机发展高速度运算的是什么工具?提法是各种各样的。其实物理学家80年代还提出了第二个问题:如果摩尔定律终结有什么能够替代它?他们就研究出一个量子计算机。说量子计算机就可以取代它,性能比它还好得多。事实证明果然如此,因为量子计算机的运算过程是可逆的,所以耗能特别少。现在的超算计算机,最大的问题就是能量耗散太严重,根本没有办法做下去,所以我们需要研究耗能低的量子计算机。

  第二,虽然量子效应在电子计算时是障碍,但在量子计算方面却是优势,量子计算机可能是下一代后摩尔定律的超级运算的机器。量子计算机为什么比电子计算机好?因为它的不确定性,恰恰是我们讨厌的不确定发挥了作用。比如说我们现在经典顺序要么0,要么1,绝对不是0+1,但是量子叠加原理,就把0和1加起来构成量子态。这就是量子比特,我们把这个量子比特作为整体进行处理,到这里我们需要把它变成量子器件,那么它的载体是什么?载体也是电子。电子计算机的晶体管是它的处理单元。晶体管通了,我用1代表;晶体管不通,用0代表。经典的电子计算机,要么1,要么0,非常准确,是确定的。但量子不确定,它利用量子态,向上叫做1,向下叫做0,不确定就体现0和1叠加的不同状态上,有个箭头可以操纵它,它叠加的权重不同表明顺序不同、载体不一样。你想一下如果有一个存储器,电子计算机存的数有多少?要么0,要么1,是一个确定的数。但量子计算机呢?它不确定,把0,1都存起来了。所以可以同时存两个数,0和1。要两个存储器呢,电子计算机还乘一个数,00,01,10,11,这四个数当中任意一个数,还是一个数。那量子计算机呢?可以同时存四个数。所以如果有N个存储器,这一个芯片上面有N个存储器,电子计算机还是乘一个数。量子计算机可以存2的N次方个数,而且指数上升。随着处理器的数目N指数上升,我们可以想象这个数据量多大。假设N为250,量子存储器存的数据,比现在宇宙当中所有原子数还要多,有人说一台量子计算机可以模拟整个宇宙的氧化情况,可见它的数据处理能力是非常强的。

 

量子计算的功能:进行预算,保密信息

 

  量子计算机有什么功能?首先是并行预算。相比电子计算机的串行预算,它的性能上有大大的提高。电脑时代的到来使整个世界发生天翻地覆的变化,使用量子顺序的量子计算机会带来另外一次天翻地覆的变化。一些大公司要把这个用到大数据的安全问题上,他们已经知道量子计算机在将来是先进的技术产品,谁都想占这个市场的制高点,这是整个的国际状态。 量子计算机是一个可能颠覆人类社会的新未来的技术,但不能马上应用,它的应用还比较遥远,但是并不是遥不可及的。这是未来量子技术的一个发展重要方面。

  第二个功能是可以实际应用量子密码。量子密码是用来保护信息安全的。信息的安全性,以前靠大数一类的数学难题保证。现在数据难题破了,安全性就受到威胁了。后来还是搞量子技术的人造出了量子密码,绝对安全。用量子的办法实现密钥分配,实现量子性,要有人偷听一定会被发现,量子保证它一定会露原形,可以让用户知道有没有人窃听所以我用量子协议搞一个密钥传输,传完比对,有人接听这个密钥误码率很高,我就知道这个不安全,如果没有这个误码率很低,我就知道这是安全的。量子密码是最简单的解决持续密钥分配不安全性的步骤,不要把量子想的那么神奇,解决一个问题,还要靠加密办法,两个加起来才能实现一个绝对安全的保密工作,这是密码追求的地方。我们现在可以使量子密码达到实用化水平,这里面好多技术问题也都解决了,在一百多米内光纤网络基本上可以实际应用。所以现在正在试用阶段,试用了很多年,也非常稳定,一旦得到认可就变成正式的密码的装置。而现在已经走到这一步。

  原则上利用这种技术可以实现全球保密通信网的形成,一百公里做成了,两个城市呢,再连起来。陆地上搞一个保密通信网络,远处靠人造卫星,就上去了。所以理论上说这种保密通信可以全球化的。但是现在离全球化保密通信有多远?在一百公里的城域内,现在已经可以用了,并且好多公司已经开始做。实现智能网,智能城市,这个网里加一个保密网络,智能城市网络会更安全,可以提高这个智慧城市健康水平。虽然这样理论上可以实现,但实际没有做到,因为它需要一个量子中继器件。量子千人计划,第一个五年要把量子中继做成,十年以后整个欧洲搞保密通信网,这是一步步走。第三个是地空,现在问题更多,因为一个光子要从天上三百公里移动到地面上是很难的。因为气侯条件和阳光的因素都会让信道非常低,会不会找到那个光子?这里面两个问题,第一个全天后条件下必须要实现量子分配,第二个速度要快。快到一次一幂才能安全、高速。这两个都很难。所以说,量子技术会到来,但不是同时到来,可能分期分批到来,会改变我们创新创业模式,基于技术给人类带来更大的福利。谢谢大家。

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