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如何抗衡量子霸权?带你了解理工科最前沿的量子技术

2022/10/10/周一 13:51

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入读本科入读硕士英国留学政策全国

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 

悉尼大学


如果同学们对量子技术这种前沿学科感兴趣,或者想知道这四所学校具体提供了哪些可支持跨校学习的专业课,欢迎联系启德留学的顾问老师为大家做规划。




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