未來新科技的革命之作，量子信息技術

（文章來源：好嘿科技）

美國芝加哥大學的科學家最近宣布：量子態(tài)可被集成在由碳化硅制成的常用電子設備內并被很好地控制。最新研究讓利用光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)量子信息傳輸更近了一步。什么是量子信息？在量子力學中，量子信息(quantum information)是關于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。通過量子系統(tǒng)的各種相干特性（如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等），進行計算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/p>

美國芝加哥大學的科學家最近宣布：量子態(tài)可被集成在由碳化硅制成的常用電子設備內并被很好地控制。最新研究讓利用光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)量子信息傳輸更近了一步。碳化硅，是一種自然產(chǎn)生的半導體，用于制造各種電子產(chǎn)品，包括發(fā)光二極管(led)和電路板。它還被用于火箭技術，因為它可以承受高溫，我們興奮的是它作為控制量子態(tài)的管道的潛力。

今天的量子計算機——在IBM/谷歌/MIT范式下——是巨大而笨拙的東西，它們需要激光和零度以下的溫度才能工作。但芝加哥大學研究小組突破了這個難題。他們使用老式的電，在碳化硅中啟動和引導量子態(tài)。這意味著他們不需要花哨的激光，超級冷的環(huán)境，或者任何大型機大小的東西來產(chǎn)生量子結果。這個實驗結果包含了兩個重大突破。

第一，在碳化硅中控制量子態(tài)的能力，有可能解決量子計算的“奇異材料”問題。碳化硅儲量豐富，而且與物理學家們使用的標準材料(包括懸浮的原子、可激光加工的金屬和有完美缺陷的鉆石)相比，使用起來相對容易。這很酷，可以從根本上改變大多數(shù)量子計算研究在2020年及以后的方向。

第二，根據(jù)芝加哥大學的一份新聞稿，該團隊的方法解決了量子計算的“噪音”問題。該團隊論文的作者之一Per Chris Anderson說:雜質在所有半導體器件中都很常見，在量子級別，這些雜質可以通過制造一個嘈雜的電子環(huán)境來擾亂量子信息。對于量子技術來說，這是一個近乎普遍的問題。

在實驗中需要使用激光，但激光會使周圍的電子相互碰撞。這就像電子椅游戲;當燈光熄滅時，一切都停止了，只是形式不同。問題是電子的這種隨機構型會影響量子態(tài)。但我們發(fā)現(xiàn)，施加電場會把電子從系統(tǒng)中移除，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。這項工作仍處于早期階段，但它對量子計算領域有著不可思議的影響。稍微調整一下，這種基于硅碳棒的量子態(tài)辯論方法似乎可以比許多專家認為的更早地把我們引向“不可攻破的”量子通信網(wǎng)絡。

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注，與經(jīng)典通信相比，量子通信安全性比較高。當量子態(tài)在不被破壞的情況下，在傳輸信息的過程中是不會被竊聽，也不會被復制的。而在無障礙的傳輸中，兩個分離的量子，無論分離得有多遠，當一個量子變化的時候，另一個也會產(chǎn)生相應的變化。所以嚴格意義上來看，它是絕對安全的。

由于量子通信屬于超光速通信，不僅是“最快的通信”，而且有穿越大氣層的可能，從而為基于衛(wèi)星量子中繼的全球化通信網(wǎng)奠定了可靠基礎。采用衛(wèi)星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環(huán)境中，光子基本無損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。據(jù)測算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒有問題。

量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡。日前，德國物理學家就正在利用量子糾纏效應打造量子互聯(lián)網(wǎng)，其研究人員稱：“我們已經(jīng)實現(xiàn)了第一個量子網(wǎng)絡原型，在節(jié)點之間完成了量子信息的可逆交換。此外，還可以在兩個節(jié)點之間產(chǎn)生遠程糾纏，并保持約100微秒……未來人們通過它不僅可以進行遠距離的量子信息溝通，而且還將使大型量子互聯(lián)網(wǎng)完全實現(xiàn)成為可能?！?/p>

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統(tǒng)計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統(tǒng)的通用計算機。

經(jīng)典計算機使用0和1來存儲數(shù)據(jù)，這些數(shù)字可以是電路中不同點上的電壓。而量子計算機依靠量子比特(也被稱為量子位)來工作，量子位有非常特殊的性質：它們可以以疊加的形式存在，它們可以同時是0和1，它們可以發(fā)生量子糾纏，因此，即使它們之間相隔很遠，它們也會具有相同的物理性質。由于疊加狀態(tài)，一個有100個量子位的量子計算機可以同時表示2100個解。對于某些問題，這種指數(shù)并行性還可以創(chuàng)造巨大的速度優(yōu)勢。

量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規(guī)模量子計算所存在重要的問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段之內做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。

但無論如何，谷歌、IBM，包括英特爾和微軟在內的許多公司都在努力建造量子計算機。據(jù)報道，Intel發(fā)布首款低溫控制量子計算芯片：22nm工藝、原子幾乎不動。Intel研究院推出的代號為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，實現(xiàn)了對多個量子位的控制，可加快全棧量子計算系統(tǒng)的開發(fā)步伐，堪稱量子實用性道路上的一個重要里程碑。據(jù)介紹，Horse Ridge從根本上簡化了運行量子系統(tǒng)所需的控制電子設備，通過用高度集成的SoC系統(tǒng)芯片代替龐大的儀器，并允許使用復雜的信號處理技術來加快設置時間、改善量子位性能，能夠高效擴展到更多的量子位。

量子計算機有望解決傳統(tǒng)計算機無法處理的問題，因為量子位可以同時以多種狀態(tài)存在。借助這一量子物理學現(xiàn)象，量子位能夠同時進行大量計算，從而大大加快了解決復雜問題的速度。
（責任編輯：fqj）