把光留?。?/h1>
2021-10-20 22:00:56季海
少年博覽·初中版 2021年10期
季海
20世紀(jì)初建立的量子力學(xué)，堪稱人類歷史上最重大的科學(xué)革命之一，它催生了半導(dǎo)體、激光、核能、超導(dǎo)體、核磁共振和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等重大的技術(shù)發(fā)明，使人類在信息、能源、材料和生命科學(xué)等領(lǐng)域獲得了空前的發(fā)展?？梢哉f(shuō)，量子力學(xué)從根本上改變了人類的生活方式和社會(huì)面貌，促進(jìn)了物質(zhì)文明的巨大進(jìn)步。
量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用，有望成為未來(lái)重大技術(shù)創(chuàng)新的動(dòng)力源和助推器。全球科技強(qiáng)國(guó)對(duì)此高度重視，紛紛開(kāi)展國(guó)家級(jí)量子科技戰(zhàn)略布局并大幅增加研發(fā)投入。
中國(guó)在量子通信領(lǐng)域走在了世界前列，2016 年發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，2017年建成了長(zhǎng)達(dá)2000多公里、安全等級(jí)很高的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”。
把“光”存起來(lái)
2021年4月，中國(guó)量子科學(xué)研究出現(xiàn)新突破——中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的李傳鋒、周宗權(quán)研究組在一次實(shí)驗(yàn)中，把光的存儲(chǔ)時(shí)間提升到了1小時(shí)，世界為之震驚！
這代表著什么？請(qǐng)往下看。
現(xiàn)代社會(huì)，隨著光纖的全面鋪開(kāi)使用，光已經(jīng)成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹匾d體。然而，光纖傳播也有缺點(diǎn)：如果要進(jìn)行長(zhǎng)距離的信息傳輸，光信號(hào)存在衰減以及失真的情況，影響傳輸效率。有的國(guó)家嘗試?yán)弥欣^衛(wèi)星來(lái)解決這一問(wèn)題，但成本過(guò)高且十分復(fù)雜，并不是最優(yōu)解。
把光存儲(chǔ)起來(lái)，則是解決光信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸衰減問(wèn)題的最好辦法。只要科學(xué)家建立一個(gè)光量子存儲(chǔ)系統(tǒng)，再將這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用到衛(wèi)星上，問(wèn)題不僅能迎刃而解，還能實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的量子通信。
為了建立起光量子存儲(chǔ)系統(tǒng)，從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，世界各國(guó)的科學(xué)家展開(kāi)了一系列研究。最先出成果的是美國(guó)，1999年，哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)嘗試把光變慢，從而將光禁錮起來(lái)，最終在2年后成功把光存儲(chǔ)了幾千分之一秒，但這與長(zhǎng)期存儲(chǔ)還相去甚遠(yuǎn)。
美國(guó)之后，德國(guó)也于 2013 年研究出了成果。德國(guó)科研團(tuán)隊(duì)利用電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，成功把光留住了1分鐘，但離建立光量子存儲(chǔ)系統(tǒng)的目標(biāo)仍然很遠(yuǎn)。
相比之下，中國(guó)的中科大團(tuán)隊(duì)把光成功留住 1 小時(shí)，顯然在量子通信領(lǐng)域向前跨了一大步。中國(guó)科學(xué)家這次采用了新方法，成功讓一束長(zhǎng)600米、秒速30萬(wàn)公里的光脈沖停了下來(lái)，將其存到5毫米厚的晶體中，過(guò)1小時(shí)后再取出。而1小時(shí)后放出來(lái)的光，還是“活”的！
突破了光存儲(chǔ)技術(shù)，在未來(lái)，中國(guó)還可能實(shí)現(xiàn)量子U盤(pán)的研發(fā)。相比較普通 U 盤(pán)，量子 U 盤(pán)無(wú)須擔(dān)心技術(shù)泄密，即使U盤(pán)丟失，丟的也只是外殼，里面的數(shù)據(jù)將被永久保存在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，外人無(wú)法破解和使用。
爭(zhēng)奪“墨子霸權(quán)”
2020年底，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)成功制造出量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，震驚整個(gè)科學(xué)界！國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了該項(xiàng)成果，評(píng)價(jià)這是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。
過(guò)去10年內(nèi)，美國(guó)憑借谷歌研制的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”建立了“量子霸權(quán)”，控制了53個(gè)量子，并且一直保持著領(lǐng)先地位。所謂的“量子霸權(quán)”，就是量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越現(xiàn)有的超級(jí)電子計(jì)算機(jī)，至少同時(shí)控制48個(gè)量子。
現(xiàn)在，中國(guó)的“九章”可以同時(shí)控制76個(gè)量子，遠(yuǎn)超他國(guó)量子計(jì)算機(jī)所能控制的量子數(shù)量，可見(jiàn)中國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位是多么穩(wěn)固！
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中國(guó)在量子通信領(lǐng)域走在了世界前列，2016 年發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，2017年建成了長(zhǎng)達(dá)2000多公里、安全等級(jí)很高的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”。
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為了建立起光量子存儲(chǔ)系統(tǒng)，從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，世界各國(guó)的科學(xué)家展開(kāi)了一系列研究。最先出成果的是美國(guó)，1999年，哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)嘗試把光變慢，從而將光禁錮起來(lái)，最終在2年后成功把光存儲(chǔ)了幾千分之一秒，但這與長(zhǎng)期存儲(chǔ)還相去甚遠(yuǎn)。
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過(guò)去10年內(nèi)，美國(guó)憑借谷歌研制的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”建立了“量子霸權(quán)”，控制了53個(gè)量子，并且一直保持著領(lǐng)先地位。所謂的“量子霸權(quán)”，就是量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越現(xiàn)有的超級(jí)電子計(jì)算機(jī)，至少同時(shí)控制48個(gè)量子。
現(xiàn)在，中國(guó)的“九章”可以同時(shí)控制76個(gè)量子，遠(yuǎn)超他國(guó)量子計(jì)算機(jī)所能控制的量子數(shù)量，可見(jiàn)中國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位是多么穩(wěn)固！
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