新华网科普丨量子不神秘:零基础带你解锁微观高科技

很多人觉得量子科技晦涩难懂、自带“科幻滤镜”,甚至将其与玄学画上等号。事实上,量子科技是基于量子力学原理发展而来的新一代颠覆性信息技术,已成为全球科技竞争的核心赛道。量子究竟是什么?它的哪些特性能为我们所用?国家级人才、国家重点研发计划首席科学家、北京航空航天大学教授周苗为我们解锁量子科技这些事儿。
量子到底是什么?
我们日常所处的宏观世界具有“连续变化”的特征,比如水温的升降、身高的增长、距离的远近,都能平滑增减,不存在固定的最小单位。但微观世界的能量与物质变化却是不连续的、跳跃式的,量子正是微观物理量中不可再分割的最小基本单元。简单来说,光的最小单元是光子,而能量的最小单位就是量子。
经典物理规则适用于我们看得见、摸得着的宏观世界,而量子力学,则是解释原子、光子、电子等微观粒子运行规律的核心理论,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,事物的状态具有唯一性:灯非开即关,开关状态非0即1。但量子可以同时处于多种状态的叠加,也就是说,它在被观测前可以同时具有0和1的可能性。这正是量子计算的核心优势所在——传统计算机1个比特只能处于1种状态,而1个量子比特可同时处于多种状态;量子计算正是利用这种叠加特性,使由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,另一个会瞬间同步变化,不受距离和速度限制。爱因斯坦将其称为“幽灵般的超距作用”。这一特性彻底颠覆了传统信息传输的逻辑,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。简单来说,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,这正是传统加密技术无法比拟的优势。
三大量子硬核赛道
很多人都听说过“量子”,却未必清楚量子技术究竟能解决哪些问题。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,它们只能排队逐一计算,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中,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,需要超过10的42次方年的时间——经典超算要亿亿亿亿亿亿年完成,量子优势比达到10的54次方量级;不同于光量子路线,祖冲之系列专注于超导量子领域。最新迭代的祖冲之3.2号搭载107比特超导量子处理器,单、双比特门保真度(衡量量子运算精准度的指标,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,均依赖代码加密。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”
传统测量设备如同普通卷尺、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。
量子科技并非噱头或玄学,而是一套拥有严谨科学理论支撑、经得起实验验证的颠覆性硬核技术。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。(林雨南 郭晓婷)
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