从顶层设计、战略投资再到人才培养等,全球多国近年来在量子科技领域持续投入。那么什么是量子科技?在现实生活中有何应用前景?
量子科技将是新的技术革命
上世纪五十年代晶体管和半导体等技术的发展催生了信息时代。如今量子计算、量子通信、量子精密测量和传感技术的兴起和发展,也正在推动信息技术向量子信息技术跨越,将可能导致新的技术革命。自从它问世以来,量子科学已经先后孕育出原子弹、激光、核磁共振等新技术,成为20世纪最重要的科学发现之一。
量子计算在特定算法上的效率比现有计算机快一亿倍。量子计算机能轻易破译所有密码,会迫使一切现有密码学全部重新改写。现有计算机要60万年才能破译的密钥,量子计算机只要3小时。与传统通信方式相比,量子通信是唯一绝对安全的通信方式。
因此量子科技研究和应用前景正在成为中国前沿科技的发展重点。量子科技的发展具有重大的科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,并将引领新一轮科技革命和产业变革的方向。
量子计算是未来计算技术的“心脏”
量子计算是各国优先发展的另一重点科技领域。与传统计算机相比,量子计算机有独特优势。传统计算机中1个比特在某个时间只能是0或1中的一个状态,而在量子计算机里,由于量子叠加态的存在,1个量子比特可同时记录0和1两个状态。因此,量子计算机拥有计算能力远超传统计算机的潜力。
在量子计算赛道,谷歌、微软、英特尔等西方科技企业拥有先发优势,通过不同技术路径不断实现对更多量子比特的操纵。去年10月,谷歌研究人员在英国《自然》杂志发表论文称,基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子计算系统,它花费约200秒完成的任务,传统超级计算机要1万年才能完成。
量子全息将要来临
在传统全息照相术中,胶片可以用非散射光的参考光束记录从被成像物体散射出单色光的干涉图样。然后,科学家可以用参考光束复制品来照亮所生成的图像,从而创建出原始物体的虚拟图像。全息术最初是由物理学家丹尼斯·加伯于1948年提出,目的是提高电子显微镜的分辨率,并通过光学演示。全息图可以通过将信号的相位和振幅分布与已知的基准叠加而形成。最初的概念是电子全息术,激光光学全息术发明后成为一种流行的三维成像宏观物体、信息加密和显微成像技术。
然而,将全息图扩展到超快领域目前仍然是电子领域的一个挑战,尽管发展这项技术将为凝聚态物理的高级成像应用提供尽可能高的时空分辨率。在表在《科学进展》上研究中,伊万·马丹Ivan Madan和一个跨学科研究团队,在瑞士、英国和西班牙的超快显微镜和电子散射、物理、科学和技术部门,详细描述了利用局部电磁场制作全息图的过程。科学家们用超快透射电子显微镜UEM获得了阿秒/纳米分辨率的电磁全息图。在新方法中,科学家们依靠电磁场在不同能量状态的量子相干叠加中分裂电子波函数。
该技术与传统方法不同,将感兴趣的信号和参考信号在空间上分离并重新组合,重建感兴趣信号的振幅和相位,从而形成全息图。该原理可以扩展到任何类型的探测结构,包括声波、x射线或飞秒脉冲波形等周期信号能够受到干扰。随着全息技术研究的进一步发展,时间分辨光学全息技术得到了进一步的发展。由于利用飞秒激光产生超快电子脉冲的超快透射电子显微镜的最新发展,达到超快领域也可以成为现实。这些发展使得实时拍摄集体电子模式、应变场和磁性纹理的分辨率达到几百飞秒。
在超快透射电子显微镜UEM中展示了一种时域全息成像技术。他们的技术基于电子波包与多个光场的量子相干相互作用。在等离子体结构中捕获阿秒/纳米分辨的相位敏感电影,快速演变的电磁场。科学家们在研究中实现了两种关键的实验方法,即并行获取通用电子态的量子相干性。这项工作将与进一步的电子量子光学应用相关。
科学家的最新研究可强化科学家对量子力学的理解,赋予他们一种看待量子现象的新方式,有望开启一个全新的量子全息术时代。
全息成像与摄影术不同,可以重现物体的空间结构,让人们看清其三维形状。全息术利用了经典的干涉现象——两束波相遇会形成一束新波,但由于光子的相位波的一种属性一直在波动,经典干涉无法用光子做实验。
研究人员表示,最新实验对理解量子力学的基本法则有重要意义,也有助于更好地理解波函数的本质。他们希望,借用这一方法制造出更复杂量子物体的全息图。
科学家们表示,该工作提供了一个独特视角,以实现原子和亚飞秒的联合决议在透射显微镜。该方法将使电子量子态相干的空间分辨检测方法成为可能,在电子量子全息和其他应用领域具有巨大潜力。
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