摘要：美國(guó)芝加哥大學(xué)的科學(xué)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(shè)備內(nèi)并被很好地控制。最新研究讓利用光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(xué)中，量子信息(quantum information)是關(guān)于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。通過(guò)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(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/strong>

美國(guó)芝加哥大學(xué)的科學(xué)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(shè)備內(nèi)并被很好地控制。最新研究讓利用光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(dǎo)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(shù)，因?yàn)樗梢猿惺芨邷兀覀兣d奮的是它作為控制量子態(tài)的管道的潛力。

今天的量子計(jì)算機(jī)——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(xué)研究小組突破了這個(gè)難題。他們使用老式的電，在碳化硅中啟動(dòng)和引導(dǎo)量子態(tài)。這意味著他們不需要花哨的激光，超級(jí)冷的環(huán)境，或者任何大型機(jī)大小的東西來(lái)產(chǎn)生量子結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果包含了兩個(gè)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(jì)算的“奇異材料”問(wèn)題。碳化硅儲(chǔ)量豐富，而且與物理學(xué)家們使用的標(biāo)準(zhǔn)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(lái)相對(duì)容易。這很酷，可以從根本上改變大多數(shù)量子計(jì)算研究在2020年及以后的方向。

第二，根據(jù)芝加哥大學(xué)的一份新聞稿，該團(tuán)隊(duì)的方法解決了量子計(jì)算的“噪音”問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)論文的作者之一Per Chris Anderson說(shuō):雜質(zhì)在所有半導(dǎo)體器件中都很常見(jiàn)，在量子級(jí)別，這些雜質(zhì)可以通過(guò)制造一個(gè)嘈雜的電子環(huán)境來(lái)擾亂量子信息。對(duì)于量子技術(shù)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)近乎普遍的問(wèn)題。

在實(shí)驗(yàn)中需要使用激光，但激光會(huì)使周圍的電子相互碰撞。這就像電子椅游戲;當(dāng)燈光熄滅時(shí)，一切都停止了，只是形式不同。問(wèn)題是電子的這種隨機(jī)構(gòu)型會(huì)影響量子態(tài)。但我們發(fā)現(xiàn)，施加電場(chǎng)會(huì)把電子從系統(tǒng)中移除，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

這項(xiàng)工作仍處于早期階段，但它對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域有著不可思議的影響。稍微調(diào)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(rèn)為的更早地把我們引向“不可攻破的”量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子應(yīng)用領(lǐng)域？

量子通信

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)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(yuǎn)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(guān)注，與經(jīng)典通信相比，量子通信安全性比較高。當(dāng)量子態(tài)在不被破壞的情況下，在傳輸信息的過(guò)程中是不會(huì)被竊聽(tīng)，也不會(huì)被復(fù)制的。而在無(wú)障礙的傳輸中，兩個(gè)分離的量子，無(wú)論分離得有多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子變化的時(shí)候，另一個(gè)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。所以嚴(yán)格意義上來(lái)看，它是絕對(duì)安全的。

1.采用量子中繼技術(shù)，擴(kuò)大通信距離

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(chǔ)。

2.采用星地通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸

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(wú)損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。據(jù)測(cè)算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒(méi)有問(wèn)題。

3.建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多地相互通信

量子通信要想實(shí)用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡(luò)。日前，德國(guó)物理學(xué)家就正在利用量子糾纏效應(yīng)打造量子互聯(lián)網(wǎng)，其研究人員稱：“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)原型，在節(jié)點(diǎn)之間完成了量子信息的可逆交換。此外，還可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏，并保持約100微秒……未來(lái)人們通過(guò)它不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)成為可能。”

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性，不但在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。

量子計(jì)算

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。從可計(jì)算的問(wèn)題來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問(wèn)題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問(wèn)題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用0和1來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)字可以是電路中不同點(diǎn)上的電壓。而量子計(jì)算機(jī)依靠量子比特(也被稱為量子位)來(lái)工作，量子位有非常特殊的性質(zhì)：它們可以以疊加的形式存在，它們可以同時(shí)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(yuǎn)，它們也會(huì)具有相同的物理性質(zhì)。由于疊加狀態(tài)，一個(gè)有100個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)表示2100個(gè)解。對(duì)于某些問(wèn)題，這種指數(shù)并行性還可以創(chuàng)造巨大的速度優(yōu)勢(shì)。

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

但無(wú)論如何，谷歌、IBM，包括英特爾和微軟在內(nèi)的許多公司都在努力建造量子計(jì)算機(jī)。據(jù)報(bào)道，Intel發(fā)布首款低溫控制量子計(jì)算芯片：22nm工藝、原子幾乎不動(dòng)。Intel研究院推出的代號(hào)為“Horse Ridge”的首款低溫控制芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)量子位的控制，可加快全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步伐，堪稱量子實(shí)用性道路上的一個(gè)重要里程碑。據(jù)介紹，Horse Ridge從根本上簡(jiǎn)化了運(yùn)行量子系統(tǒng)所需的控制電子設(shè)備，通過(guò)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(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)加快設(shè)置時(shí)間、改善量子位性能，能夠高效擴(kuò)展到更多的量子位。

量子計(jì)算機(jī)有望解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的問(wèn)題，因?yàn)榱孔游豢梢酝瑫r(shí)以多種狀態(tài)存在。借助這一量子物理學(xué)現(xiàn)象，量子位能夠同時(shí)進(jìn)行大量計(jì)算，從而大大加快了解決復(fù)雜問(wèn)題的速度。

總結(jié)

科學(xué)社會(huì)學(xué)的奠基人貝爾納曾說(shuō)：“科學(xué)與戰(zhàn)爭(zhēng)一直是極其密切地聯(lián)系著的?！苯裉?，倘若我們要追溯風(fēng)靡全球的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)之科技源頭的話，無(wú)疑是1946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“ENIAC”誕生所開(kāi)啟的電子信息科技革命。然而，這一曾徹底顛覆機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)圖景的電子信息科技，在遵循“摩爾定律”飛速前行了數(shù)十年之后，制約其進(jìn)一步發(fā)展的系列問(wèn)題日漸凸顯：電子計(jì)算機(jī)的極限運(yùn)算速度是否存在？越來(lái)越一體化的電子信息網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對(duì)“網(wǎng)電空間戰(zhàn)”？對(duì)此，近年來(lái)不斷突破的量子信息科技正在開(kāi)啟新的機(jī)遇之門，利用量子理論來(lái)變革信息技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)信息處理能力的革命性突破。