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中国在量子通信领域研发起步早,已走在世界前列!

传感器技术 2020-11-12 15:04 次阅读

一百年前量子革命,国人正在革自己的命,基本没挨上边;五十年前量子力学结出硕果计算机,兔子正在革列强的命,基本没得空闲;如今,量子理论步履蹒跚难得寸进,兔子却如火如荼搞起了量子通信!国人大多已经习惯“某某领域,中国虽进步快,但起步晚,仍落后”这种句式,这回大家得学习一个新句式:中国在量子通信领域研发起步早,技术积淀较深,已走在世界前列!

量子纠缠起源

复习一下量子力学的八卦往事。当年薛定谔为德布罗意凑了个波动方程,提出粒子随机出现在各位置上,以玻尔为代表的“哥本哈根学派”觉着很有创意,于是大旗一挥:上帝在掷骰子,世界是随机。以爱因斯坦为代表的“经典物理学派”觉着,小薛步子太大,扯到蛋了,没本事发现隐藏变量,非说上帝在掷骰子,于是振臂一呼:上帝不掷骰子!既然物理学家喜欢摇骰子,咱继续拿骰子做比喻。骰子落定之后,点数便确定了,如果现在开,是大,那么以后开,也还是大,无论什么时候开,大就是大。虽然摇骰子的变量非常复杂,但如果把所有变量都确定,比如碰撞角度、骰子弹性、空气阻力、月球引力、地球自转、分子振动……理论上可以预测骰子点数。这就是普罗大众的认知,也是经典物理学派的主张。哥本哈根学派的意思是,骰子落定之后,点数仍不确定,现在开是大,待会开就可能是小,不同时间开,大小不一样,所以没开之前就叫“叠加态”,点数是随机的,开大开小的概率按照小薛波动方程计算。把“骰子大小”换成“猫的生死”,就变成了大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。

前文说过,所谓衰变就是原子核的分裂,原子核之所以分裂,是因为粒子随机出现在不同位置上。比如,原子核由A和B两个粒子构成,A出现在客厅的概率是50%,出现在卧室的概率是50%,B亦然。AB同时出现在客厅就代表原子核没分裂,AB出现在不同房间就代表原子核分裂,发生了衰变。在某装置中,如果原子核衰变就触动开关打破毒药,弄死猫;如果原子核不衰变,猫就没事。因为衰变是叠加态,延伸到宏观世界就把猫的生死也描述成了叠加态。当年咱自主研发的物理系衫,就把这猫纹在了胸前,很帅(sha)有木有?

薛定谔的猫还原回物理表述就是:如果只有一个放射性原子,它是否发生了衰变?哥本哈根学派认为粒子的行为是随机的,所以衰变也是随机的。但是,几百年的牛爷理论认为,事物都是在规则支配下精密运行的,随机论让人无法接受,就好比勤勤恳恳的学生突然发现考试“及格”和“不及格”是随机的。爱因斯坦觉得分分钟就能终结这个话题,于是提出了量子纠缠:假设有2个处于纠缠态的骰子,分别在不同的地方摇,如果两边都不开,那么骰子就处于大和小的叠加态,即点数是随机的,一旦其中一个开出的结果是大,那么另一个就算还没开,也会瞬间变成小。也就是说,观察其中一个骰子,会决定另一个骰子的大小,这种瞬间的信息传递不符合相对论。爱因斯坦呵呵道:你们总不至于认为世界会这么荒唐吧?好在那个年代的物理学已经习惯荒腔走板,再出什么奇葩,大家至少不会惊掉下巴。量子纠缠原本是爱因斯坦为经典派请来的打手,结果却帮着哥本哈根派把经典派揍得鼻青脸肿。薛定谔的猫一路高歌猛进,最终形成了量子信息论!喜欢专业术语的同学,可以搜索关键词,咱就不显摆这些半懂不懂的冷僻知识了:薛定谔的猫->EPR佯谬->隐变量理论->贝尔不等式->GHZ定理->Mermin->Cabello定理->量子信息论。2000年开始量子信息理论形成独立的学科,标志着量子纠缠开始走向应用。

量子纠缠机理

一个字:瞎。

两个字:全瞎。

这就好像古人学会燧木取火时,完全不知道燃烧的化学反应式。

量子通信

虽然观察到了量子纠缠这种“心有灵犀”的关联,但对于本质机理的两眼一抹黑,应用肯定是浅层的。其中,量子通信相对靠谱一点点,不过也就是一点点而已。本小学僧就以“墨子号”为例,不负责任的胡扯一通。

用于通信的纠缠粒子通常是光子,光子比实物粒子更方便传播,电子在大气层里不可能乖乖跑出很远。首先在卫星上制造一对纠缠光子,未测量前,谁也不知道两个纠缠光子谁是1谁是0。我们称之为“未翻牌状态”,就好比骰子在打开之前,点数并不确定,处于大和小的叠加态。然后把这对光子分别发送给两个地面接收站。未翻牌的光子很敏感,只要被观察或测量,一言不合就翻牌。如果敌方监听了这个光子,那就等于翻了牌,另一个光子就会自动翻牌,同时接收方就接收不到光子,这对纠缠光子传送失败,属于无效信息。未翻牌的光子才是好光子,翻过牌就只能扔了,然后再制造一对纠缠光子,再发射,直至接收成功为止。确定双方都拿到牌了,接着,用特定方法测量纠缠光子,相当于“翻牌”,一旦测量得到一个状态,那么另一端的光子也会瞬间变成与之对应的状态。这样,一个信号就算传输完成了。比如这边测量得到1,那边就肯定是0。然后就不断发牌,不断翻牌,不断剔除无效牌。问题来了,因为翻牌前自己也不知道什么牌,所以翻牌后得到的是无规律的信息,比如“小、是、才、编、天”。那怎样才能把无意义的信息变成有意义的?需要一组编码!某一方根据自己翻牌的情况编码,再把编码规则用传统方法发送给另一方,比如“1、3、5、2、4”。注意,这是用传统方法发送的。接收方按照这个顺序,把原本没意义的信息按编码排列,得到一个惊人的事实:小编是天才!通信完成。整个过程中,“小是才编天”这个随即的信息是通过量子通信(即量子纠缠)完成的,无法截获破译,但编码“13524”通过传统通信完成,可以被监听,不过仅仅一个编码被截获是没有意义的。有规律的信息可以被截获,不能被截获的信息没有规律,但把这两者结合就能完成量子通信,没看明白的回头再捋一遍。

纠缠光子

量子卫星通信的难点在于“制造纠缠光子”和“探测纠缠光子”。光子的发射方向性很强,不像电磁波是巨大的扇形,所以需要对准接收器。说实话,我到现在都在疑惑,土共是如何做到的?你想想,墨子号卫星的速度大约8km/s,在500km高空,同时向相距1200km的青海德令哈站和云南丽江高美古站发射光子,卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,地面站以每秒一对的速度从中分辨出谁和谁是纠缠态。有人打了个比方:从万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的储蓄罐狭小的投币口中。另外,你还得在相距上千公里的两地,找出哪两个硬币属于纠缠对。科学史上有许多乌龙事件,意呆利曾在LHC上发现过超光速,美日德的科学家也曾宣称实现了“冷聚变”。不过,兔子这次量子通信怎么看都不像是乌龙……好吧,我认个怂:太过先进,无法描述。

相比来说,“制备纠缠光子”这事看起来就和燧木取火一样简单了。看过一篇潘建伟老师的博士的文章,关键词:非线性晶体BBO偏硼酸钡。当光子打在BBO晶体上,有一定比例的光子被劈成两半,这两个光子的极化方向是相互垂直的。

所谓的极化方向可以理解为光子振动的方向。我们知道光是一种电磁波,是波就有振动,有振动就有方向,所谓纠缠光子,就是一个竖着振动,一个横着振动,一个代表1,一个代表0。“翻牌”前,不知道谁是横的,谁是竖的,翻牌之后发现自己是竖的,那么对方就是横的,以此代表信息里的1和0。材料制备才是真正的核心科技,这个晶体貌似土共最拿手,这也是量子通信领先各国的根本保障。光子劈开前是这样的:

劈开后形成纠缠光子:

“光子”可以理解为“光束”,光束就是一堆堆的光子,量子通信在形式上和手电筒打信号差不多,你在太空亮手电筒,我在地面数几长几短。所以量子通信的弊端非常明显,比如,光信号的损失,此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。再比如,白天背景光线强烈,只能在晚上打信号,遇到雨天雾霾也不行,必须在晴天打信号。还比如,卫星与各地面站距离很讲究,打信号的时间窗口目前只有300秒。总的看来,量子通信离成熟应用还是有点距离。

量子光纤

光子可以用卫星传播,也可以用光纤传播,这方面的应用其实已经很多了。2004年,奥地利银行利用量子通讯技术,把一张重要支票被从市长处传至银行,2007年,瑞士全国大选的选票结果也采用了量子通信技术。虽然有点扯蛋,但也说明量子通信并没有想象中那么科幻,可以搜索《量子通信网络发展概述》这篇文章,把各国情况罗列了一遍。

量子光纤的问题在于传输衰减更严重,纠缠光子信号又无法复制放大,导致传输距离和容量都有限,常年停留在百公里量级。不过光纤好歹不受天气影响,比卫星更有实用性。

突破距离限制的核心技术在于可信任量子密钥中继站。目前为止,世界上最长的量子通信光纤网络全长为307公里,由欧洲日内瓦大学和康宁玻璃公司合作建造。英国计划(是计划)在布里斯托尔大学和剑桥大学之间建立一条连结8个大学的量子通信干线,全长大约500多公里。美帝也计划(还是计划)在哥伦比亚和华盛顿地区建立长达650公里的量子通信线路。这回兔子终于如愿以偿坐上了头把交椅,刚刚建成的“京沪干线”光纤量子通信网络,总长2000余公里,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海,用于金融、国防、政府等机构之间的保密通信。这里的核心技术是量子中继站。

无论是卫星还是光纤,从量子通信的原理上看,实质上就是量子密钥分配技术,并不传输实质内容。中国量子通信领军人潘建伟院士(上图)认为密钥分配可以统称为通信,而郭光灿院士则认为通信务必要传输内容,量子通信其实有不小的争议。

其他量子应用

量子是个好东西,大家都想来沾边。日前有个新闻说:全球首个量子区块链系统在莫斯科测试成功,其本质上也是把一束光劈成两半,然后分配量子密钥,提高安全性。

更高端一点就玩量子存储,用来实现量子中继,比如京沪干线有2000公里,光子不可能一口气跑完,一共分布了32个中继站。站点以量子存储技术将纠缠对储存,转换操作后与近邻站点实现共享纠缠。具体原理太过先进,无法描述。

量子计算机

再高端一点就玩量子计算机,原理太过先进,点到即止。传统计算机用0和1记录信息状态,每一步只能做2次运算。量子计算机,用量子叠加态描述信息,所以2个量子态每一步可做到2的2次方、4次运算,3个量子态每一步可做到2的3次方、8次运算,以此类推。指数增长是非常惊人的,10个量子态的运算速度就超过了人类第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机,50个量子态就达到了当前最快的超级计算机,100个量子态就可以达到现在全世界计算能力总和的100万倍(潘院士夸下海口要在10年内实现)。

量子态的操作数量就代表了量子计算机的运算水平。2015年,谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。2017年5月中科院宣布中国科技大学潘建伟教授等,联合浙江大学王浩华研究组,利用高品质量子点单光源,实现了10个量子态的纠缠和测量,运算速度比美帝快了24000倍,第一次超越早期经典计算机。

如此科幻的设备,该是长啥样?首先还是选粒子,兔子擅长用光子,这次也还是用光子。不过光子传播方便,但操作上不如原子,所以美帝量子计算机的量子态通常用原子实现。原子在常温下基本处于超音速状态,只有让原子保持在极地温度,速度才能降到可控。

把超冷原子囚禁在光晶格中,一般情况下,原子温度在0.0000001K左右,就可以进入量子态。这是凝聚态物理,不展开。最后用激光对量子态原子进行操作。整个过程中,最大的技术瓶颈是如何保持原子长时间的量子态。其实吧,现在说成量子计算机为时过早,甚至连CPU都算不上。

后记

量子力学对人类科技的贡献主要体现在材料制备上,材料再支撑着行行业业的发展。量子通信、量子计算机,算是人类尝试用新方法消化量子力学,而量子力学本身并没有丝毫变化。在欣欣向荣的技术爆发中,我们也得时刻紧绷一颗心:基础物理的突破仍遥遥无期。

责任编辑:lq

原文标题:独领风骚:再话量子世界

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的头像 lhl545545 发表于 02-22 09:07 386次 阅读
Zen4 EPYC处理器或将达到96核之巨

CPU到底是什么?

当我们在选购电脑、手机的时候,销售人员都会告诉我们电脑、手机的配置,都会提到CPU,朋友也会提醒注意下CPU。那么CPU...
发表于 02-22 07:05 0次 阅读
CPU到底是什么?

深度学习框架只为GPU?

CPU优化深度学习框架和函数库 机器学习加速器 ...
发表于 02-22 06:01 0次 阅读
深度学习框架只为GPU?

Redmi K40系列或将首发全新设计X1超大核

Redmi K40系列微博发布会正在进行中,关于这款旗舰的细节陆续揭开。
的头像 lhl545545 发表于 02-21 09:51 658次 阅读
Redmi K40系列或将首发全新设计X1超大核

如何制作一个简单的16位CPU?

如何制作一个简单的16位CPU
发表于 02-04 06:58 0次 阅读
如何制作一个简单的16位CPU?

单片机和嵌入式的区别

ARM概念 单片机和嵌入式的区别 CPU设计原理和总线 ...
发表于 02-04 06:49 0次 阅读
单片机和嵌入式的区别

HSA----CPU+GPU异构系统架构详解

解析HSA----CPU+GPU异构系统架构
发表于 02-03 07:07 0次 阅读
HSA----CPU+GPU异构系统架构详解

关于光学互联网络的子波长硅光量子器件(附图续IV)

关于光学互联网络的子波长硅光量子器件(附图续IV.) ieee计算机测量与设计 2013         &nb...
发表于 02-02 16:33 0次 阅读
关于光学互联网络的子波长硅光量子器件(附图续IV)

TMS320VC5501 定点数字信号处理器

TMS320VC5501(5501)定点数字信号处理器(DSP)基于TMS320C55x™DSP生成CPU处理器内核。 C55x™DSP架构通过增加并行性和全面关注降低功耗来实现高性能和低功耗。 CPU支持内部总线结构,该结构由一个程序总线,三个数据读总线,两个数据写总线以及专用于外设和DMA活动的附加总线组成。这些总线能够在一个周期内执行最多三次数据读取和两次数据写入。并行,DMA控制器可以独立于CPU活动执行数据传输。 C55x™CPU提供两个乘法累加(MAC)单元,每个单元能够进行17位×17位乘法运算。单循环。额外的16位ALU支持中央40位算术/逻辑单元(ALU)。 ALU的使用受指令集控制,提供优化并行活动和功耗的能力。这些资源在C55x CPU的地址单元(AU)和数据单元(DU)中进行管理。 C55x DSP代支持可变字节宽度指令集,以提高代码密度。指令单元(IU)从内部或外部存储器执行32位程序提取,并为程序单元(PU)排队指令。程序单元解码指令,将任务指向AU和DU资源,并管理完全受保护的管道。预测分支功能可避免执行条件指令时的管道刷新。 5501外设...
发表于 10-09 14:55 299次 阅读
TMS320VC5501 定点数字信号处理器