三分钟了解量子信息科学的基础知识
2022年诺贝尔物理学奖获得者名单在瑞典首都斯德哥尔摩揭晓。瑞典皇家科学院宣布，法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格荣膺2022年诺贝尔物理学奖，以表彰他们“用纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式的反例，并开创了量子信息科学”。
关于这次评奖中涉及到的“量子信息科学”，正巧我最近在为参加“未来科技大赛”的同学们，做一个关于量子信息技术进展的报告。因此，下面我尝试用尽量简短、简洁（放心，没有公式）的方式，介绍量子信息的一些基础知识：
1、量子是一个数学概念，而不是一个物理概念，并没有一个实际的粒子叫做量子。例如，光的最小离散粒子是光子，所以光子就是光的“量子”。
2、虽然量子力学比起相对论知名度要小得多，但实际上就与我们日常生活所在尺度的关联度而言，量子力学更为密切，我们今天用的电脑、手机、通信，都是量子力学的成果。
3、量子力学起源于1900年，由德国科学家普朗克提出，之后由波尔、爱因斯坦、狄拉克等人发扬光大。最近刚刚度过100周岁生日的杨振宁先生提出的“杨-米尔斯理论”里面是近七十年来量子力学领域的最重要成果。
1927年的第五届索尔维会议，集中了17位诺贝尔奖获得者
4、量子力学和信息技术的交叉学科叫做量子信息，它的核心原理包括叠加、测量和纠缠（此次获奖成果就是与“纠缠”有关）。主要应用包括量子计算、量子加密通信和量子测量。
5、量子计算并不适用于普通问题甚至大多数问题，而只适合一些特定的问题例如加密学中常用的大数分解。用量子计算解决加减乘除问题，不是用杀鸡用牛刀，而是效率还不如普通计算机。两者之间的关系是一个互相补充的关系，而不是替代关系。（可以参见我之前的文章《五分钟读懂量子计算》）
6、我们今天所用的大部分国际计量标准，例如秒和距离，都采用了量子测量的结果。例如，世界上最精准的原子钟——锶原子光晶格钟，其稳定度已达10-18次量级，这相当于160亿年不差一秒。
中科院国家授时中心的锶光钟实验室
7、量子加密通信可以实现香农所谓“绝对安全”的通信，即结合了对称密码机制和非对称密码机制的优点，又可以发现中间有无窃听。我国的量子通信卫星“墨子号”就是用于远距离的量子加密通信，负责人是潘建伟院士，他也是此次获奖的奥地利塞林格教授的学生。
8、关于“量子纠缠”，有很多神话，例如可以把一个人、物体瞬间转移到另外一个地点，这些（至少目前）是不符合量子纠缠原理的。量子纠缠的直接应用叫做“量子隐形传态”：以不高于光速的速度、破坏性地把一个体系的未知状态传输给另一个体系。注意，速度不能高于光速。第二，状态是未知的，已知的状态、形体是不可能传输的。第三，是破坏性的，即只能移动，不能复制。 简单来说，就像送快递，不知道送的是什么东西，但保证原原本本地送到。
9、相对于大家比较熟悉的计算机网络信息技术，以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术，可能引发信息技术体系的颠覆性创新与重构，诞生改变游戏规则的变革性应用。因此，量子信息技术已经成为世界科技的前沿，更是信息时代各国发展战略的竞争焦点。
总而言之，量子力学与我们的生活并不遥远，值得我们每个人都学习和了解。量子信息在未来有可能会产生颠覆性的应用成果，让我们拭目以待。
近期文章：