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新华网科普丨量子不神秘:零基础带你解锁微观高科技

量子科技,这几个字一出,有人觉得高深莫测,有人觉得自带科幻滤镜,甚至还被一些人跟玄学扯上了关系。其实,它没那么玄乎。简单说,量子科技就是基于量子力学原理发展起来的新一代碘伏性信息技术,并且已经是全球科技竞争的核心赛道。那么,量子到底是什么?它的哪些特性有如此大的能量,能被我们拿来用?不妨跟着北京航空

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    量子科技,这几个字一出,有人觉得高深莫测,有人觉得自带科幻滤镜,甚至还被一些人跟玄学扯上了关系。其实,它没那么玄乎。简单说,量子科技就是基于量子力学原理发展起来的新一代碘伏性信息技术,并且已经是全球科技竞争的核心赛道。那么,量子到底是什么?它的哪些特性有如此大的能量,能被我们拿来用?不妨跟着北京航空航天大学教授周苗的思路,把这些事捋一捋。

    量子到底是什么?

    我们生活在宏观世界里,水加热是逐渐升温,个子长高是慢慢拔高,距离拉远是连续拉长——所有变化都是平滑、连续的,没有一个固定的最小单位。但在微观世界里,能量和物质的变化却是跳跃式的、不连续的。量子,正是这些微观物理量里不可再分割的最小基本单元。光的最小单元是光子,而能量的最小单位就是量子。

    经典物理的规则管着我们看得见、摸得着的宏观世界,而量子力学,则是用来解释原子、光子、电子这些微观粒子运行规律的核心理论。它也是量子计算、量子通信、量子精密测量等所有量子技术的根基。

    三大量子核心特性

    量子叠加:同时存在的“双重状态”

    宏观世界里,事物的状态是唯一的:灯要么开要么关,开关状态非0即1。但量子不同,它可以同时处于多种状态的叠加。什么意思?就是它在被观测之前,可以同时具备0和1两种可能性。这正是量子计算的核心优势——传统计算机1个比特只能处于1种状态,而1个量子比特可以同时处于多种状态。利用这种叠加特性,由N个量子比特组成的系统,能够同时表征2的N次方个基态的组合状态,算力呈指数级增长。这是经典计算机永远无法突破的性能上限。

    量子纠缠:隔空联动的“微观默契”

    两个相互纠缠的量子,无论被分隔多远——哪怕相距数千公里乃至上万公里——只要其中一个量子的状态发生改变,另一个就会瞬间同步变化,不受距离和速度的限制。爱因斯坦把这种效应称为“幽灵般的超距作用”。这一特性彻底碘伏了传统信息传输的逻辑,它正是量子通信实现超远距离传输与高效联动的核心基础。

    量子不可克隆:天生的“安全护盾”

    量子世界有一条铁律:未知的量子态无法被精准复制。更关键的是,任何窃听或探测行为都会扰动量子态,导致传输信号发生改变。这条物理定律意味着:量子通信不存在“偷偷窃听”的可能。只要有人试图窃取信息,通信双方就能立刻察觉。这种能力,是传统加密技术无法比拟的。

    三大量子硬核赛道

    很多人听说过“量子”这个名词,但不一定清楚它到底能解决什么问题。其实,当前量子科技的落地应用,主要聚焦三大核心赛道:量子计算、量子通信与量子精密测量。这三项技术,恰好对应人类亟待突破的三大难题——实现更快的运算速度、更安全的信息传输,以及更精准的测量能力。

    量子计算:超级“并行大脑”

    普通电脑和手机,就像单线解题的学生,一次只能处理一个问题。面对复杂海量的数据,只能排队逐一计算;遇到超级难题,就要耗费难以想象的漫长时间。而量子计算机依托量子叠加与纠缠特性,可以在特定问题上实现计算加速。无论是新药分子模拟、极端天气预测、新材料研发,还是特定密码分析,它都为经典超算难以高效处理的问题,提供了新的解决思路。

    作为我国自主研发的光量子计算原型机,“九章四号”可精准操纵3050个光子。在执行高斯玻色取样任务时,生成一个样本仅需25微秒。而使用目前世界上最强大的超级计算机和最好的经典算法,完成同样任务需要超过10的42次方年——经典超算要亿亿亿亿亿亿年才能完成,量子优势比达到10的54次方量级。另一方面,祖冲之系列走的是超导量子路线。最新迭代的祖冲之3.2号搭载了107比特超导量子处理器,单、双比特门保真度(数值越高,运算出错率越低、稳定性越强)均达到全球领先水准,持续刷新着我国超导量子计算的性能纪录。


    4月10日拍摄的“九章四号”量子计算原型机局部。新华社记者 周牧 摄

    量子通信:自带“防窃听妙招”

    我们日常使用的手机通信、网络传输,都依赖代码加密。但再复杂的密码,只要算力足够、技术到位,就存在被破解、窃听的风险。量子通信则实现了物理层面的绝对安全,其核心依托量子纠缠与量子不可克隆特性。量子信号就像一架平衡很脆弱的精密天平,一旦有人试图探测、窃听或复制信号,哪怕只是极其微弱的干扰,都会瞬间打破这种平衡,改变量子的原有状态。此时,通信双方能第一时间察觉异常,从根源上杜绝信息泄露与篡改的风险。

    我国研制的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”,突破了地面光纤传输距离的限制,率先实现了千公里级星地量子密钥分发与量子隐形传态,真正打通了量子通信天地互通的全新链路。而作为全球首条2000公里级广域量子保密通信骨干网络,“京沪干线”串联北京、上海等二十余座城市,已稳定投入商用,为涉密传输、金融交易、电力调度等关键领域,筑牢了物理级安全的信息屏障。

    量子精密测量:微观“超级尺子”

    传统测量设备,就像普通卷尺、体温计,精度有限,难以捕捉细微变化。而量子作为高度敏感的微观单元,外界哪怕一丝温度、重力或磁场的微小变化,都会引发量子态的改变。基于这一特性研发的量子传感器与测量设备,堪称精度拉满的“微观超级尺子”。其测量精度较传统设备提升数百甚至数千倍,能捕捉到以往人类仪器完全无法感知的细微变化。

    我国国产量子陀螺仪精度领先,无需依托GPS卫星信号即可实现长时间、高精度自主导航;国产量子重力设备能精准捕捉地下重力的细微差异,无需钻探深挖就能“透视”地下结构;国产量子精密传感医疗设备,则可捕捉人体早期病变的微观信号,比传统体检手段更早、更精准地筛查潜在病变与疑难病症。

    说到底,量子科技不是噱头,更不是玄学。它是一套拥有严谨科学理论支撑、经得起实验验证的碘伏性硬核技术。当前,全球量子科技整体处于从实验室研发向产业化落地过渡的阶段,尚未全面普及民用,但核心技术突破与场景落地正在加速推进。未来,量子科技将逐步走进大众生活,彻底改变算力、通信、探测、医疗等诸多领域。

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