【澳洲留学】如何抗衡量子霸权？一篇文章带你了解理工科最前沿的量子技术
2022/10/12/周三 10:06
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最近在网络上盛传一句名人名言：在19世纪中物理学取得了伟大成就，物理学的大厦已经落成，上面只有两朵乌云——威廉·汤姆森
经考证，这句话实际上是后人编纂的。
威廉·汤姆森，即开尔文男爵，并没有说过类似关于物理学大厦的言论，但两朵乌云的言论确实出自他口。这两朵乌云，指的是热力学和电动力学领域的两个难题。在后人的研究中，这两朵乌云分别发展出了相对论和量子力学两个学科。而经过物理学家两百多年的不懈努力与研究，之前物理学大厦上空飘着的两朵乌云，现在已经变成乌云满天了。
今天，启德留学就带大家了解一下由其中一朵乌云发展出来的量子学科。
01
起源与发展
量子是组成物质的最小单位，爱因斯坦和他的老师普朗克在20世纪初提出的量子假说直接推动了这个学科的发展。到了20世界30年代，量子科学已经被广泛地应用在多个行业，包括物理、化学、微电子、芯片、医学、半导体等领域。著名的“薛定谔的猫”思想实验也是在这一时期提出的。
二战结束后，第一次量子技术革命直接或间接地推动了其他行业的发展，并催生了一大批跨时代的新发明，包括晶体管、激光、X射线、核磁共振、硬盘、GPS等。量子技术也让世界在这个时间段进入了信息时代。
02
第二次量子技术革命
虽然没有官方定义，但今天的科学界普遍认为我们已经进入了第二次量子技术革命时代。目前，量子技术领域的研究主要集中在三个方向：量子通信、量子计算和量子测量。
量子通信
与传统通信相比，量子通信最大的优势是，它可以保证通信绝对不会被窃听或破解，因此可以保证通信加密的绝对安全。这一优势是由量子的测量坍缩、不可克隆、不确定性的三个特性决定的。
现在我们用通俗的话（人话）来尝试解释这个原理。量子通信就好比两个人之间在传纸条，由于量子具有测量坍缩性质，任何监视或监测传纸条的行为都会导致纸条“破损”，而一旦看到纸条破损，收发信息的两个人就可以立刻停止传纸条的行为。虽然在传统通信中，传接纸条的人也是有几率侦测到别人的窃听行为的，但现在的技术手段只能让我们试图不断增加这个几率，而无法像量子通信一样保证100%能检测到监视行为。
量子计算
传统计算机的基本单位是比特，而量子计算机的基本单位是量子比特。它们的区别是，比特是二进制的，一个比特只有两个状态，即0或1；但量子比特却可以同时表示0、1和0与1的叠加态。这就好比说，我的邻居今天出门带不带伞，完全取决于下早上下不下雨。如果早上下雨了他就会带伞出门，如果没下雨就不带。今天早上是晴天，邻居是空手出门的，但走到半路的时候突然下了一场暴雨，这时他手里赫然出现了一把雨伞。邻居还笑嘻嘻得对我说：他处于带了伞和没带伞的叠加态。
《吕氏春秋》记载，墨子见练丝而泣之，杨子见歧道而哭之。意思是墨子见到别人染丝就会哭，杨子(即杨朱)见到岔路就会哭。因为他们知道，丝，可染黄也可染黑；路，可通南也可通北，因为两种选择截然不同，人做出选择太难而哭泣。可在量子计算的世界里，这种问题就不复存在了。因为在量子计算机中，丝既是黄色也是黑色的，人既在往北走，也是同时在往南走。这看似不通的逻辑，恰恰就是量子比特的特性。也正是因为这个特性，量子计算机的数据处理速度远超于传统计算机。
早在2019年，谷歌就宣布自己研发出的量子计算机实现了量子霸权——他们的量子计算机仅用了200秒的时间就执行了一个计算，这个计算量等于全球最强大的超级计算机Summit花费10,000年才能完成的计算量。也就是说，在这个计算任务中，量子计算机的计算速度比全球最快的传统计算机快了约15.77亿倍。
来自中国的研发团队也紧随其后，在2020年研发出“九章”量子计算机，使中国成为全球第二个实现量子霸权的国家。
03
国家级量子战略
正是意识到了量子科技的无限前景，世界科技强国纷纷推出了国家级量子战略规划。比如中国科技部在2011年发布的《国家“十二五”科技发展规划纲要》就把突破“光子信息处理、量子通信、量子计算等核心技术”设为中长期发展目标。澳大利亚也在2021年发布了国家研究基础设施(NRI)路线图（National Research Infrastructure Roadmap），并把量子技术列为八个战略级重点发展研究领域之一。
04
院校与专业推荐
量子技术作为理工方向的最前沿学科，开设该专业的院校并不算多。其中坐拥全澳第一工学院的UNSW Sydney 悉尼新南威尔士大学为较早开设了该专业的院校之一。来自UNSW Sydney悉尼新南威尔士大学的工程师在2021年在该领域实现重大突破，研发出了全世界第一款纯硅量子计算机芯片。
在这里要推荐的是UNSW Sydney悉尼新南威尔士大学的Bachelor of Engineering (Honours) (Quantum Engineering)? 工程学荣誉学士学位-量子工程方向，在这个专业中就可以学习量子计算、量子通信等科目。
在新南威尔士州政府的大力支持下，新南威尔士州的四所高校强强联合，成立了悉尼量子学院（Sydney Quantum Academy）。悉尼量子学院旨在培养量子技术专家，并鼓励四所院校之间的交流和合作。
针对学习量子技术专业的同学，如果在以下四所学校就读本科，就可以申请跨校学习（cross-institutional study），选择在不同的学校学习量子专业课，并获得本校学分（需提前申请并取得双方院校认可）。这四所学校是：
UNSW Sydney
悉尼新南威尔士大学
University of Technology Sydney
悉尼科技大学
Macquarie University
麦考瑞大学
University of Sydney
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