量子力学将如何改变科技行业

理查德·费曼曾经说过，“如果你认为自己理解了量子力学，那么你就不理解量子力学。”虽然这可能是真的，但这并不意味着我们不能尝试去理解它。毕竟，我们的好奇心会带我们走向哪里呢？

为了理解未知的力量，我们将解开量子物理学背后的两个关键概念。这些概念相当抽象，但这对我们来说是好消息，因为你不需要成为诺贝尔奖获得者才能理解发生了什么。那么，到底发生了什么？让我们来看看。

打造基础

我们将从一个简短的思维实验开始。奥地利物理学家埃尔温·薛定谔希望你能想象一只猫在一个密封的盒子里。到目前为止，一切都很好。现在，想象盒子里有一小瓶致命物质。猫发生了什么事？我们无法确定。因此，直到我们观察到这种情况（即我们打开盒子），猫既死了又活着，或者用更科学的术语来说，它处于一种叠加状态。这著名的思维实验被称为薛定谔的猫悖论，它完美地解释了量子力学的两个主要现象之一。

叠加原理规定，像我们心爱的猫一样，一个粒子在被测量的那一刻之前存在于所有可能的状态中。“观察”粒子会立即破坏其量子特性，于是，它再次受到经典力学规律的支配。

事情即将变得更加棘手，但不要气馁——甚至爱因斯坦也被这个想法震惊了。爱因斯坦将其描述为“远距离的诡异作用”，量子纠缠是一种粒子之间的联系——一种物理相互作用，导致它们共享状态（或没有状态，如果我们遵循叠加原理）。

量子纠缠规定，当一个纠缠粒子的状态发生变化时，另一个纠缠粒子会立即做出可预测的反应。为了说明这一点，让我们抛两个纠缠的硬币到空中。然后，让我们观察结果。第一个硬币落在头面了吗？那么，测量另一个硬币的结果一定是尾面。换句话说，当观察到纠缠粒子时，它们会相互抵消对方的测量结果。没有必要害怕——纠缠并不常见。至少现在还没有。

可能的英雄

“所有这些知识有什么用，如果我不能使用它们？”，你可能会问。无论你的问题是什么，量子计算机可能都有答案。在数字计算机中，系统需要增加比特数量来提高处理能力。因此，要将处理能力加倍，你只需要加倍比特数量——这与量子计算机完全不同。

量子计算机使用量子比特（qubit）作为量子信息的基本单位，提供的处理能力甚至超过了世界上最强大的超级计算机。为什么？处于叠加状态的量子比特可以同时处理多个潜在结果（或状态，与我们之前的段落一致）。相比之下，数字计算机只能一次执行一个计算。此外，通过纠缠，我们可以指数级地放大量子计算机的力量，特别是与传统数字机中的比特效率相比。为了形象地描述这一点，考虑每个量子比特提供的巨大处理能力，然后将其加倍。

没有完美的东西

但是，有一个问题——即使是最轻微的振动和温度变化，科学家们称之为“噪音”，也会导致量子特性衰变，最后完全消失。虽然你无法实时观察到这一点，但你会经历计算错误。量子特性的衰变被称为退相干，这是依赖于量子力学的技术的最大障碍之一。

在理想情况下，量子处理器与其周围环境完全隔离。为此，科学家使用专门的冰箱，称为低温冰箱。这些低温冰箱比星际空间还要冷，它们使我们的量子处理器能够几乎没有电阻地传导电流。这被称为超导状态，使量子计算机非常高效。因此，我们的量子处理器只需要数字处理器的一小部分能量，产生的能量指数级增加，产生的热量也大大减少。在理想情况下，确实如此。

新的可能性世界

天气预报、金融和分子建模、粒子物理学……量子计算的应用前景是巨大而繁荣的。

然而，最诱人的前景可能是量子人工智能的前景。这是因为量子系统在计算多个可能选择的概率方面非常出色——它们为智能软件提供连续反馈的能力无人能及。估计的影响是不可估量的，跨越各个领域和行业——从汽车行业的人工智能到医学研究。美国航空航天巨头洛克希德·马丁很快意识到了量子计算的好处，并以其量子计算机为例，利用它进行自动驾驶软件测试。请注意。

量子力学的原理也用于解决网络安全问题。RSA（Rivest-Shamir-Adleman）加密，是世界上最常用的数据加密方法之一，依赖于对大素数的难以分解。虽然这在传统计算机中有效（传统计算机不擅长解决多因素问题），但量子计算机将容易破解这些加密，因为它们可以同时计算多个结果。

从理论上讲，量子密钥分发使用叠加原理的加密系统来解决这个问题。想象你正在尝试将敏感信息发送给朋友。为此，你使用量子比特创建一个加密密钥，然后通过光缆将其发送给接收者。如果编码的量子比特被第三方观察到，你和你的朋友都会收到一个意外的错误通知。然而，要最大限度地发挥QKD的优势，密钥必须始终保持量子特性。说起来容易做起来难。

值得思考的

这还不算完。全球最优秀的思想家不断尝试利用纠缠作为量子通信的一种方式。到目前为止，中国研究人员成功地通过他们的墨子卫星将纠缠的光子对传输了创纪录的745英里。那是好消息。坏消息是，在每秒发射的600万个纠缠光子中，只有一个对能够幸存这段旅程（感谢退相干）。尽管如此，这一壮举表明了我们可能在未来用来保护量子网络的基础设施。

量子竞赛也见证了QuTech的突破性进展，QuTech是荷兰代尔夫特理工大学的一个研究中心——他们的量子系统在绝对零度（-273摄氏度）以上一度的温度下运行。

虽然这些成就可能看起来微不足道，但事实是，尝试一次又一次，这些开创性的研究使我们更接近明天的科技。然而，有一件事仍然保持不变，那就是那些成功利用量子力学的人将在世界上占据主导地位。您认为他们会如何使用它？