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地平线上的曙光——量子力学在新技术研发中的几项突破
2004/03/23

  


      近年来,人们对量子力学未来的应用前景进行了多种预测。加州理工学院物理学家普雷斯基尔说:“很多科学家已预言,未来的一些革命性技术将是基于对量子世界奇异特性的研究。”

    难以破译的密码

    这种量子密码可用于通信中的保密工作。目前,设在纽约的MagiQ技术公司及设在日内瓦的IdQuantique量子公司,已经成功地将量子密码理论转变成商业产品。使用量子“钥匙”编码的信息,能够安全地在网络上发送。这是因为任何试图“拦截”这种钥匙的行为,将立即被用户察觉,用户可以很方便地立即起用另一种“钥匙”。

    探询超导的真面目

    今年初,美国国家标准技术研究院的物理学家德博拉·金设法制出了被称为费米子的凝聚态物质,这种物质甚至比与之相关的“玻色-爱因斯坦”凝聚态物质更难找到,其原子处于同样一种低能状态。这位物理学家的工作,将引导人们更深入地了解超导体的超导电性,因为超导电性与类似的量子粒子对有关。

    成为更佳的研究工具

    以量子力学为基础的激光技术和磁共振成像仪在研究和生产中已成为非常有用的测量工具。现在科学家们正试验利用量子特性,来达到更清晰的观测分子的目的。IBM公司科学家就将发表文章揭示如何利用量子特性来更清晰地观测分子。实际上,目前人们对量子现象的利用,还仅处于早期阶段,美国国家标准技术研究院威廉姆斯说:“我们甚至还不清楚量子现象到底可能有哪些应用。”

    量子计算机的研发

    科学家10年前制出了“玻色-爱因斯坦”凝聚态物质。在这种物质形态下,几百万个原子的行为完全一致。目前全世界有几十个研究小组,正对这种物质进行实验研究。加州理工学院物理学家普雷斯基尔说:“过去,物理学家对这种物质的一些神秘特性感到奇怪,但现在我们已开始想办法利用这种神秘的特性。”这其中就包括世界各国竞相研发的量子计算机。

    位数多达400位的因式分解,就对数学提出了巨大的挑战。使用当今的超级计算机对这一问题进行计算,则要花100亿年时间,但若使用量子计算机的话,则可能仅需30秒。制造量子计算机有多种方法。而最近对“玻色-爱因斯坦”凝聚态物质的实验研究,为实现量子计算提供了新的途径。尽管人们对是否确实能制出量子计算机,还没有十分的把握,但像IBM和惠普这样的大公司都制定了详细的量子计算机研发计划。美国国防部高级计划研究局也开始研制量子信息处理器。

    1997年,美国国家标准技术研究院的菲利普斯因发明激光冷却原子技术而获得了当年的诺贝尔物理奖。他采用的方法就是将原子几乎冷却到了绝对零度。目前他正采用让“温度较高的原子蒸发的方法”,令铷原子冷却到了更低的温度。当菲利普斯等人用交叉激光束照射玻色-爱因斯坦原子团时,所有的原子奇迹般地几乎全部处于“波谷”状态。对于科学家来说,原子的这种整齐的排列是计算机的计算基础。能够对原子进行排列,让所有原子都处于可由“小量子跃迁”相互转换的两个能级之一,像普通计算机中的二进制数一样,处于不同能级的原子分别代表“0”或“1”。但这仅是传统意义上的“二进制数”。由于量子的神秘性,原子能同时为“0”和“1”。更为奇怪的是,尽管不存在实际上的联系,不同的量子位(qubits)却会彼此影响和纠缠。菲利普斯解释说:“正是由于‘纠缠’的神秘性,一个原子的状态将同另外一个原子的状态有关,似乎其相互间的关联性比紧密结合的两个原子还强。结果,对某些计算来说,量子计算机的计算能力,随量子位的数量呈指数增长,2量子位的计算机能拥有4倍的计算能力。300量子位的量子计算机,能存储的组合,比整个宇宙存在的原子还多。”目前,菲利普斯等人正试图采用激光束,让原子从一种状态跃升到另一种状态,从而实现量子位的信息传递。

 
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