在量子计算机问世前,人们对量子的认识都停留在光速。即使有世界上最先进的光速加速器、能够实现千万光量子比特纠缠的量子计算机、能进行几千年历史的核磁共振成像等技术的发展,人类对量子世界的认知仍然停留在光速之外的光波世界,这也是量子力学的一个基本原理:任何一种现象的发生(无论是光和电),都必然会影响到它后面所包含的状态(称为量)的总和或变化速度,如果它们不受控制地发生变化(被称为量子纠缠或量子操纵),那么在同一时刻就有可能存在量子世界中的多个粒子被操纵,而其中一种现象又极有可能导致多个其他量子力学现象出现。比如:如果一对夫妻中一方处于“零”态,另一方不会产生“零”态;如果他们两个同时处于“零”态以及“多”态(即其中有一个为0的状态)之间的互动发生了变化——这个过程称之为量子纠缠(QUESTUp)。因此一旦量子出现了“纠缠”现象(可能是通过叠加等手段实现),那么这个效应就会对人类对原子甚至地球产生重大影响。

1、量子纠缠(QUEST)的基本概念

在量子力学中,一个粒子一旦具有纠缠状态就会在其周围形成不确定的二进制叠加态。这种现象叫做量子纠缠(QUEST)。简单来说,QUEST就是两个在状态的不同组合引起的相互作用。在这种情况下,如果其中一个作为“多点”叠加态存在,那么另一个作为“零点”叠加态也可以同时作为“多点”叠加态存在;同时如果其中一个作为“多点”叠加态存在时,另一个作为“零点”叠加态也可以同时作为“多点”叠加态存在;如果其中一个处于0态,另一个则处于0态或1态;如果其中一个作为“零点”叠加态存在,另外一个作为“多点”叠加态存在(0和1都为“0”),那么如果同时存在3个以上在0态或1态与0态之间的互动,就会出现具有相反作用特征的量子状态——这即是纠缠效应(QUEST)。

2、量子测量与纠缠的研究现状

纠缠是由量子中粒子的状态组成的不对称性。在任何情况下,当处于相同的质量或状态的粒子,同时处在同一时刻时,该不对称性是相互独立且相互无法被忽略。在这种情况下,一旦出现相应结果时,这种不对称性将被放大10-100倍之多,因而可以进行远距离无线通信。从理论上说,单个量子在不对称状态下出现纠缠时,如能被捕捉到,就可以进行远距离无线通信(如卫星之间)等通信中的量子纠缠(如图2)。在量子力学中建立两个或多个单独且可相互替换的量子纠缠状态,将有利于实现量子通信。在经典通信理论无法解释两个粒子之间非相干行为和联系过程时,基于量子纠缠效应而建立的通信体系将成为解决这些问题、扩大通信范围以及构建多个基于量子计算和量子精密测量所需功能器件体系必不可少[1]。由于目前对于纠缠效应的研究主要集中在物理上还很难解决实际问题和应用问题,因此在很多领域中都面临着没有办法克服或应用到实际应用中等一系列问题。

3、量子物理在计算和人工智能方面的应用前景

量子计算和人工智能正在改变人类未来的生活,但同时也面临着种种挑战,尤其是在算法方面。目前的量子算法主要依赖大量经典计算机经验所得出的结果,这些算法都是基于计算资源、数据处理能力、内存等计算资源所提出的理论假设。未来可实现更多的量子计算,如多光子量子计算、并行软件编程模型等。多光子量子计算机将为进一步提升量子计算机计算能力提供有力支撑。同时通过与经典计算机理论模型结合使用在量子芯片中,量子计算机也有望解决大规模并行计算能力问题。虽然在实际运用中还有许多挑战将继续存在于量子计算机的应用之中,但量子计算机完全有可能打破计算时间之巅。

4、与其他量子技术相比,测量量子密钥对技术优势特点

相比传统密钥对,量子计算和其他量子技术最大的优势是可以精确地测量和控制密钥,而传统的测量方法却无法精确地测量和控制单个粒子,因为它们各自拥有不同的态,如果一个粒子处于很高密度、或者处在很低密度状态之间变化,就会导致其状态变化速率的非常大,甚至导致量子系统不稳定。而量子密钥对不会出现这种情况。因此量子密钥对具有非常高的精度。同时还可以确保量子密钥对的质量和安全性。除此之外,由于量子密钥对被量子化以及被探测到后的状态不受干扰(例如检测器在传输过程中被干扰)等技术问题的影响,因此测量手段可以更广泛地应用于多个领域中。