【量子科技懶人包】一隻貓可又生又死?中國力推量子科技是甚麼

國情動向 14:48 2020/10/20

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【量子科技懶人包】一隻貓可又生又死?中國力推量子科技是甚麼

中美科技戰,中國力推量子科技嘗試「彎道超車」反先美國。中共總書記習近平形容,量子科技發展具重要性、緊迫性,要充分認識量子科技,加强量子科技發展戰略謀劃及系統佈局。量子科技「出名難懂」,說起量子大家可能首先想起占士邦《量子殺機》,或許也聽說過真正與量子力學有關,那隻可以同時生存和死亡的「薛定諤貓」。事實上,量子力學與半導體、電腦、醫療、核能等日常科技息息相關,甚至可以說是我們生存在地球上的基礎。

  • 量子科技是甚麼?

簡單地說,量子科技(quantum technology)是以量子力學(量子物理學)為基礎的技術,而量子科學是研究微觀世界的科學,描述宇宙之中最細小的物質。

  • 微觀世界?

這是我們肉眼看不見,但就在萬物之中的世界。看看你的手,想像如果一直放大,超過了毛髮,超過了細胞,再放大就會到了分子、原子,以及組成原子的亞原子粒子,亦即質子、中子、電子、介子、夸克等等。世上任何物質,不論是一塊石頭、一滴水以至空氣,放大到最後都是這樣。

量子力學就是質子、中子、電子等亞原子粒子層面的物理學,研究他們如何運作、如何互動。

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  • 量子力學為何「出名難」?

因為微觀世界之中事物的運作,往往是我們日常生活覺得是異想天開,「不合邏輯」的,然而微觀世界卻又的確是這樣。

量子力學的不少東西都是抽象的,科學家平常都用數學予以描述,但我們還是可以用比喻來說得形象化一點,例如那隻「又生又死」的「薛定諤貓」。

  • 薛定諤貓是甚麼?

這是一個假設性的思想實驗,要大家開個腦洞。薛定諤貓(Schrödinger's cat)是一隻藏在外人看不到裏面情況盒子裏的貓,假設盒裏有足夠空氣和糧水,但設有機關,在一段時間後有50%機會放出毒氣。

那麼在一段時間以後,根據量子力學,這隻貓會同時處於還在生存,以及已經死亡的疊加態(superposition),而不是50%機會存活、50%機會已死。

更離奇的是,同時生存及死亡這疊加態,是我們無法觀察到的,如果打開盒子,就只會見到一隻在生或已死的貓。

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  • 這跟量子力學有何關係?

量子力學所研究的亞原子粒子,性質就是處於疊加狀態,同時有多種看似矛盾的設定,但外界一旦「打開盒子」觀察,疊加態就會塌縮,只剩其中一種狀態。

  • 開玩笑嗎?

說過了,量子力學運作,與我們日常生活面對的牛頓力學截然不同,在我們的日常世界是「不合邏輯」的,只適用於微觀世界。

  • 好吧,那又怎樣?

量子力學當中,粒子都具有波(wave)的特性,但不同於具象的聲波或光波,粒子的波要用數學抽象表達出來,這個性質稱為「波粒二象性」(wave–particle duality)

若形象地說,就是若粒子是個圓球,把圓球投入水,就會產生漣漪向外擴散,而漣漪就是波。

現在想像一下,在水中插一枝木棍,漣漪到達木棍時,所有漣漪都會消失,而圓球會從木棍上方「變」回來。

  • 我好像開始明了...

對的。圓球的最終位置,就好比粒子的位置、動能等特性。在我們觀察(插木棍)前,圓球同時在漣漪內的任何一處,粒子的特性處於疊加態,我們一旦觀察,疊加態就會萎縮,隨機變成其中一種狀態。

量子力學就是要研究粒子特性的隨機性質,而這微觀世界中的隨機,事關日常世界一切物質,科學家也認為隨機似乎是宇宙的基本性質之一。

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  • 量子力學有何應用例子?

太陽發光。太陽光是地球生物能量來源,沒有太陽光地球絕大部分生物,包括人類都活不成,而太陽發光背後其實也涉及量子力學。

太陽實際上是個核聚變反應堆,不斷將兩個氫原子結合為一個氦原子,過程中釋放能量。在日常(非微觀)世界中,兩個原子中的質子接近時會相斥,無法結合。

但在微觀世界之中,有些質子根據量子力學原理,性質有所不同,使兩個氫順利變成一個氦,核聚變得以發生,太陽能夠發光,我們也方能活着。

此外,量子力學也影響着矽(silicon)的性質,這是製造半導體、芯片(晶片)必須材料,是為電腦科技與現代社會的基礎。

醫療診斷的核磁共振技術(MRI),就是利用人體水份之中的氫原子共振來形成影像,背後特性也少不了量子力學。類似例子其實還有很多,包括激光LED燈相機感光元件等等。

  • 量子電腦是甚麼?

傳統電腦的數據,不論是文字聲音或影象,歸根究底全部由「0」和「1」的位元(bit)組成,這也是電腦運算的基礎。

量子電腦數據的基本單位則是「量子位元」(qubit),這會同時處於「0」和「1」的疊加態。由於量子位元同時有不同「身份」,因此量子電腦的運算速度要比傳統電腦高得多,能做到傳統電腦不可能在合理時間內完成的工作。

量子電腦在短時間之內,就能完成傳統電腦理論上需要工作多年的運算,這種速度意味現存的加密技術會馬上喪失功能,並會改寫所有電腦相關領域的遊戲規則。

  • 中美量子電腦技術現況如何?

全球量子電腦研究目前還在實驗層面,未足夠真正應用。

Google、微軟、英特爾等美國科企有先發優勢。Goole去年10月公佈,一個54個量子位元的計算系統,只需200秒,就能完成傳統超級電腦要1萬年方能完成的工作,實現了「量子霸權」(quantum supremacy)。

中國有意在量子電腦方面急起直追,2016年發射了世界首枚量子實驗衛星「墨子號」。中國科學技術大學、清華大學等高校近年來都在量子計算領域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出台了量子計算研究計劃。今年9月,百度、本源量子先後發布了自己的最新量子計算雲平台,使普通用戶也能通過雲技術使用量子計算。

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責任編輯:連兆鋒

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