量子领域的“较量”(1)
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2016年8月16日，我国成功发射了世界上第一颗量子卫星。在这之前，中国科技大学的量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术，宣告了我国对量子计算机的研究取得了突破性进展。而美国谷歌公司则宣称，有望在2017年底前建成一台完全可超越目前全球最好的超级计算机的量子计算机。可以说，量子通信和量子计算机这两项量子领域的前沿项目正在“比翼齐飞”;中、美两个在量子领域研究中领先的国家也在开展一番“较量”。
量子卫星与量子计算机“血脉相通”
“墨子”号量子卫星的成功发射，把量子实验从地面搬上太空，从而构建一个天地一体化的量子保密通信和科学实验体系。这不仅会开创安全通信的新时代，还将促进量子计算机的研发。因为量子卫星和量子计算机都要依靠量子传输这一关键技术进行信息传输，就像亲哥俩“血脉相通”一样。
量子卫星之所以能保障通信安全可靠，是因为量子卫星让信息传递者和接收者交换令信息无法被破解的量子密钥，而这个密钥是利用量子的奇异特性实现的，它就是“量子纠缠”。
20世纪80年代初，法国科学家阿兰·阿斯佩首次用实验证实了“量子纠缠”现象的存在。这里所说的量子纠缠，是指在两个处于“纠缠态”的微观粒子中，无论它们相距多么远，若对其中一个的特性进行任何修改，那么就像孙悟空和其分身“心有灵犀”一样，都会立即在另一个粒子上出现反应并做出相应改变。利用这种特性产生的量子密钥，就可以保证任何外人都无法破解通信密码。因为量子密钥一旦被截获或被测试，其状态就会立即发生改变。有人对此进行了形象的比喻：如果有人尝试在信息传输中拦截，那就像碰到了肥皂泡，而肥皂
泡一碰就会破灭。
那么，天地之间是如何进行量子通信的呢？具体来说，先将量子信号从地面发射并穿透大气层，卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星，即量子卫星上;量子信号再从量子卫星上穿入大气层到达地球某个角落的指定接收地点。由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果在技术上能实现纠缠光子在穿入大气层后仍然保持其纠缠特性，那么就可在量子卫星帮助下实现全球化量子通信。
“墨子”号量子卫星通过使用信息加密技术，使其可以在相距数千千米的通信者之间分发量子密钥。这颗卫星开始是在北京和乌鲁木齐之间分发量子密钥，然后还计划向奥地利发送量子密钥。它的预定目标是，在两年内利用卫星建立一个可靠、不会被破解的通信网络， 并为建立全球量子通信网络奠定基础。 在量子卫星未发射之前，我国多家企业已将量子密钥分发技术投入市场，并在银行之间或政府机构之间建立了这类网络。但是这些光纤网络只能在数十千米的距离内发挥作用， 再远就不行了。因为在地面传输信息时，光子通过空气和光纤时会被分散和吸收，从而对网络的干扰较大。有了量子卫星后，由于光子在太空中传播几乎没有损耗，因而量子卫星开展的量子通信实验距离为1200千米，远远超过了陆地上300千米的最远距离。
量子计算机显露希望曙光
就在量子卫星发射前不久，中国科技大学的量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术。众所周知，量子芯片可视为量子计算机的大脑，有了它，计算机的逻辑运算和信息处理才成为可能;有了量子存储技术，就能通过它实现超远距离的量子传输。因此，这一关键性的技术突破无疑将令性能高超的量子计算机的问世显露出希望的曙光。
说起量子计算机，人们可能会感到很深奥。这里需要先讲讲量子是什么？通俗地说，量子就是构成物质的基本单元，是能量不可再分割的携带者。例如，光子是光能量的最小单元， 也称光的微粒，不存在半个光子。量子有两个特性，一个是前面所说的量子纠缠，利用它就可以远距离同步传递不会被破解的信息;另一个是量子叠加，是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。形象地说，就像著名的“薛定谔的猫”所描述的那样：裝在盒子里的猫，在盒子未打开时，猫可能是活的也有可能是死的。这表明，量子的状态随机变化，两种状态可叠加存在，这就是量子叠加态。
世界上大多数科技发明的问世都归因于社会发展的需要，量子计算机也不例外。20世纪80年代初，物理学家理查德·费曼从科研实践中认识到，如果要用传统的电子计算机模拟量子力学，那么微观粒子数量越多，计算量就越大，也就越不可能实现模拟。因此，要模拟量子力学，就必须用和它原理相同的方式。从此开始，量子力学便和计算机科学联系在一起。此后不久，科学家就提出了量子计算机的概念。量子计算机是一种遵循量子力学规律， 能进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置。
世界许多科学家都在全力以赴地研制量子计算机。美国IBM公司和加拿大D-Wave公司通过不同的方式各自创造出了功能计算机，但这些计算机无法扩展量子比特(Qubits，即量子位)，因而还不能称为量子计算机。目前，大多数量子计算机的研制还都处于实验阶段，而谷歌公司力争要在世界上第一个研制出量子计算机。
谷歌公司的最新研究成果表明，高性能量子计算机的开发难度比此前预期的要低。例如在某些计算方面，包含50个量子位的量子芯片已经比传统电子计算机在运算能力方面更强大，这更增加了人们研制量子计算机的信心。除谷歌外，美国微软公司、IBM公司和我国阿
里巴巴公司都在进行量子计算机的相关研究，并取得了一定的成果。
本领超强的量子计算机
与传统的电子计算机不同，量子计算机所用的量子计算是基于量子效应的新型计算方 式，其基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元，通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。 (崔金泰)