科技日報訊 量子信息科學(xué)(QIS)基于獨特的量子現(xiàn)象，如疊加、糾纏、壓縮等，以經(jīng)典理論無法實現(xiàn)的方式來獲取和處理信息，技術(shù)應(yīng)用包括量子傳感與計量、量子通信、量子模擬及量子計算等方面，它將在傳感與測量、通信、仿真、高性能計算等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，并有望在物理、化學(xué)、生物與材料科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域帶來突破，未來可能顛覆包括人工智能領(lǐng)域在內(nèi)的眾多科學(xué)領(lǐng)域。

　　量子傳感與計量：用途多多

　　QIS在傳感與計量領(lǐng)域有多種用途。

　　利用糾纏現(xiàn)象，可將不同的量子系統(tǒng)彼此相連，對一個系統(tǒng)的測量會影響另一個系統(tǒng)的結(jié)果——即使這些系統(tǒng)在物理上是分開的。兩個量子系統(tǒng)處于略有不同的環(huán)境中，可通過彼此干涉提供有關(guān)環(huán)境的信息，從理論上講，這種原子干涉儀提供的感知性能要比傳統(tǒng)技術(shù)高出幾個數(shù)量級。原子干涉儀除用于慣導(dǎo)外，還可改裝為重力儀，以及用于地球系統(tǒng)監(jiān)測、礦物質(zhì)精確定位等。量子授時裝置，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)研制的量子邏輯鐘，是目前世界上精度最高的授時裝置之一。光子源及單光子探測技術(shù)可提高光敏探測器的校準(zhǔn)精度，用于微量元素的探測。

　　量子加密通信：安全性更高

　　傳統(tǒng)加密技術(shù)使用密鑰：發(fā)送方使用一個密鑰對信息進行編碼，接收方使用另一個密鑰對信息進行解碼，但這樣的密鑰有可能被泄露，從而不可避免地遭到竊聽。不過，信息可以通過量子密鑰分布(QKD)進行加密。在QKD中，關(guān)于密鑰的信息通過隨機偏振的光子發(fā)送，這限制了光子，使其僅在一個平面中振動。如果此時竊聽者測量信息，量子狀態(tài)就會坍塌！只有擁有確切量子密鑰的人，才能夠解密信息。

　　量子通信還可能應(yīng)用于虛擬貨幣防偽和量子指紋鑒定等等。未來，量子網(wǎng)絡(luò)將連接分布式量子傳感器，用于全球的地震監(jiān)測。而在5年—10年內(nèi)，有望開發(fā)出可靠的光子源及相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)遠距離量子信息傳輸，并推動量子處理器之間數(shù)據(jù)共享協(xié)議的相關(guān)理論研究。

　　量子模擬：建模材料最可能

　　量子模擬器使用易操控的量子系統(tǒng)，來研究其他難以直接研究的量子系統(tǒng)屬性。對化學(xué)反應(yīng)和材料進行建模是量子模擬最有可能的一個應(yīng)用。研究者可以在計算機中研究數(shù)百萬美元的候選材料，而無需再花費數(shù)年、投入數(shù)億美元，卻只能制造和定性少量材料。不管目標(biāo)是更強的飛機用高分子材料、更有效的車用觸媒轉(zhuǎn)化器、更好的太陽能電池材料和醫(yī)學(xué)品，還是更透氣的纖維等，開發(fā)環(huán)節(jié)加快將會帶來巨大價值。

　　基于不同技術(shù)的量子模擬器原型已在實驗室環(huán)境得到了驗證。

　　量子計算：未來研究顯神通

　　量子計算是通過疊加原理和量子糾纏等次原子粒子的特性來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼和操縱。在過去的幾十年里，量子計算只存在于理論上，但近些年的研究已經(jīng)開始出現(xiàn)有意義的結(jié)果，開發(fā)并驗證了多種量子算法，研制出了量子計算機實驗原型機，未來的5年—15年里，我們很有可能制造出一款有實用意義的量子計算機。

　　量子計算機的出現(xiàn)將給氣候模擬、藥物研究、材料科學(xué)等其他科研領(lǐng)域帶來巨大的進步。不過，最令人期待的還是量子密碼學(xué)。一臺量子計算機將可以破解目前所有的加密方式，而量子加密也將真正無懈可擊。

責(zé)編：王月