复联4量子领域是怎样实现的什么,量子领域在哪里?

  作为漫威影业的第13部作品,《奇异博士》开启了超级英雄宇宙的全新大门。这部由斯科特·德瑞克森执导,本尼迪克特·康伯巴奇、蒂尔达·斯文顿、麦斯·米克尔森、瑞秋·麦克亚当斯等人主演的超级英雄电影已经于11月4日在内地上映。影片不仅引出了奇异博士全新的银幕形象,还漫威宇宙中的其他作品拥有着紧密的联系。也欢迎资深影迷继续补充。

  注意!!!下文涉及剧透,请务必先看电影,再阅读本文!!!

  熟悉漫威电影的粉丝都知道在影片开场前银幕上会出现一个漫威影业的Logo,这个Logo出现的过程中回顾了漫威经典的漫画。而到了《奇异博士》漫威则采用了全新的开场Logo,原来的漫画形象由几位已经在大银幕上登场的真人超级英雄替代。此举似乎在昭示漫威影视宇宙(Marvel Cinematic Universe)进入了全进的阶段(《奇异博士》是MCU第三阶段的第二部影片),而漫威影视作品已经成为漫画之外,足以独当一面的存在了。

  电影开场不久,有一幕纽约城市的大全景镜头,托尼·斯塔克建造的复仇者大厦在画面中清晰可见。后来卡西利亚斯将纽约城折叠起来时,复仇者大厦再一次出现。复仇者大厦是复仇者联盟的总部,大厦屋顶有一个醒目的字母A。导演斯科特·德瑞克森在透露影片时间线时表示,斯特兰奇花了一年的时间才能为法师,而在最后终极大战结束后,故事的时间刚好能和漫威其他超级英雄电影接轨。这个说法有些模棱两可,那么故事确切的时间到底是什么?我们会在下文中继续分析。

  这本拥有神秘外形的书籍第一次出现在《奇异博士》预告片里出现时,一些眼尖的漫画粉认为这是维山帝之书(The Book of the Vishanti)。维山帝是三位上古法师阿戈摩托、霍戈斯和欧希特共同组成的三位一体的魔法。最后在正片里这本书被证实是卡廖斯特罗之书,这段情节取材自原版漫画,但和漫画情节还是有些出入。漫画中,偷书的人其实是莫度男爵,他企图使用书中时间旅行的魔法来摧毁古一法师。

  在卡玛·泰姬的图书馆中,书架有一处少了一本书,而且这里不是用来放卡廖斯特罗之书的地方。这本丢失的书很有可能就是最近几集《神盾局特工》中经常提到的黑暗魔典(Darkhold)。有趣的是,漫画中卡廖斯特罗之书中藏有通往黑暗魔典的大门,不知道《奇异博士》中作为图书管理员的王会不会有一天借助廖斯特罗之书突然穿越到《神盾局特工》中。另外《神盾局特工》中有几个镜头(上图)透露了黑暗魔典内页中通往不同维度世界的大门的图像。

  瑞秋·麦克亚当斯饰演的克里斯汀·帕尔默在漫画中是一位护士而非医生,有点混乱的是,漫画里克里斯汀和奇异博士没有什么关系,和奇异博士有感情戏是克里斯汀的同事琳达·卡特(Linda Carter),她也是漫画中夜班护士(Night Nurse)。漫威宇宙在电视剧方面已经引出了一位夜班护士,那就是《夜魔侠》中由罗莎里奥·道森饰演的克莱尔·坦普尔。

  斯特兰奇在卡玛·泰姬安顿下来后,莫度男爵递给他一张纸条,上面写着香巴拉(Shamballa)。斯特兰奇问这是咒语吗,结果莫度回答说这是Wifi密码。虽然这一幕的作用主要是体现漫威式幽默,但其中确实埋了一枚彩蛋。《奇异博士》漫画中有一章叫做“进入香巴拉”(Into Shamballa),故事讲述了奇异博士得到一次能让人类进入黄金时代的机会,但是他后来发现这么做的代价实在太大了。“香巴拉”这个名字在佛教和印度教中暗指神秘的隐藏国度,在这里意指卡玛·泰姬是在尼泊尔闹市中隐藏的桃源。

  影片结尾,王无意中透露阿戈摩托之眼(就是预告和剧照中闪着绿光的挂饰,奇异博士总把它挂在胸前)是一颗无限宝石,这意味着灭霸在未来的《复联3》中会把它据为己有。绿色宝石是时间之石,掌控时间的力量,也是漫威电影宇宙中出现的第五颗无限宝石了。之前四颗分别是蓝色空间宝石,目前安置在神域;黄色心灵宝石是《复仇者联盟2》幻视头上那颗,目前在地球上;红色真实宝石就是《雷神2》中的以太粒子,最后出现在《银护》中收藏者的家里,不过《银护》结尾收藏家的住处一片狼藉,不知道这颗宝石是不是还安然无恙;紫色力量宝石出现在《银护》中,最后留在Xandar星球。

  王邀请奇异博士加入神秘法师阵营时,向他讲解了法师的作用。“复仇者联盟负责保护地球免受物理破坏,而我们则守卫地球避免来自多元宇宙的威胁。”这句话也解释了为什么漫威之前的电影中没有出现过法师。这预示着在《复联3》中,来自宇宙的灭霸将夺取卡玛·泰姬的时间宝石,奇异博士也必须和复仇者联盟联手对抗这位重量级反派了。另外,王也会出现在《复联3》中。

  流水的超级英雄,铁打的斯坦·李。《奇异博士》里也少不了斯坦·李老爷子的客串。不光是《奇异博士》,斯坦·李也会出现在《雷神3》《银河护卫队2》等未来几部漫威电影中,《银护》导演詹姆斯·古恩已经一口气拍完他在三部电影里的客串戏份了。本片里,斯坦·李饰演一位在公交车上不明所以的乘客,奇异博士和莫度男爵撞到公交车门上时,他对着手中英国作家奥尔德斯·赫胥黎的论文《知觉之门》大笑着说道:“这太好笑了!”《知觉之门》记录了赫胥黎服用迷幻药麦司卡林后的体验,而奇异博士中有着大量关于精神力量的情节,很多特效也带有服用过LSD般的迷幻色彩。

  斯特兰奇开车时,他的助理打电话汇报了几个病例,其中一个是35岁的海军上校,在穿一种实验性装甲时下颈椎骨折。这里说道的可能是“战争机器”罗迪上校,他在《美国队长3》中颈椎骨折,下半身瘫痪。这种说法也存在疑点,罗迪上校不是35岁,也不是海军上校,他在《美队3》中的设定是47岁的空军上校。所以有人猜测电话里说道的倒霉蛋是《钢铁侠2》中试穿贾斯汀·汉默制作的实验盔甲的军人。贾斯汀·汉默就是山姆·洛克威尔饰演的史塔克死对头。如果这种说法属实,那么斯特兰奇遭遇车祸就发生在《钢铁侠2》时期。但是这个猜测也有一些问题,因为片头已经出现复仇者大厦了,而《钢铁侠2》时复仇者联盟还没成立。

  上条说到斯特兰奇遭遇车祸前听到的病例,最后一个是一个20多岁的女孩,大脑里植入了电子设备抑制精神分裂,但惨遭闪电击中。有粉丝猜测这个病人可能是接下来登场的惊奇队长,导演斯科特·德瑞克森对这一设想既没否认也没承认。漫画里惊奇队长因为接触了外星球的科技而获得了超能力,但是在漫威电影宇宙可能会对她的起源故事做一些调整。电影宇宙中惊奇队长将由奥斯卡影后布丽·拉尔森出演,先在2018年的《复仇者联盟3》中出现,然后在2019年推出独立电影。

  影片对法师武器的设定是,法器会自己选择适合它们的人选。在香港大战中,王迎接卡西利亚斯之前说了句选择好你们的武器,然后自己挑中一根魔杖。这根魔杖叫做沃特姆魔杖(the Wand of Wattomb),它有着极大的力量,可以抵挡魔法的袭击,,还能释放出一系列能量。这根魔杖在漫威宇宙中非常重要,此前它还在《蜘蛛侠》动画剧集中出现过,那一次又是莫度男爵偷了这根权杖,打开了释放多玛姆的大门。

  影片中莫度男爵和奇异博士对打训练时,选择了一个名叫“生命法庭权杖”的法器,他还告诉奇异博士法师能将人体无法承受的魔法放进武器中。生命法庭是一个几乎无所不能的存在,他负责监督和维持多元宇宙的平衡和公正。他能力强大到可以削弱无限宝石的力量,还能让无限宝石无法融合。无限宝石是《复仇者联盟3》中的关键道具,所以当灭霸集齐六颗无限宝石,复联束手无策时,应该会向这位大神求助吧。

  莫度男爵介绍法器时,还提到了他脚上叫做瓦尔托尔(Valtor)的短靴,这双靴子可以帮助他腾空飞跃。其实漫画里没有这么一种法器,但奇异博士和他的朋友经常用“瓦尔托尔”来命名不同的法术。这个名词第一次出现在《惊奇故事》第115期的奇异博士起源故事中,当时他用到的魔法叫做“瓦尔托尔之汽”(he vapors of Valtorr)。

  在伦敦圣殿与卡西利亚斯一战中,奇异博士原本想去拿挂在墙上的斧头,但是魔浮斗篷却往反方向拽他。墙上的斧头可能是Angarruumus之斧(Axe of Angarruumus),它在漫画中是奇异博士的法器之一。

  同样是在伦敦圣殿的打斗中,奇异博士用墙上挂着的一个法器控制住卡西利亚斯。影片的特效公司证实这个法器就是漫画中的赛托拉克的深红魔带(the Crimson Bands of Cyrrotak),不同于电影中古老朴素的外观,漫画里深红魔带有着漂亮的深红外形。

  迈克尔·斯图巴饰演的尼克医生最初在2006年的《奇异博士》漫画中登场。和漫画一样,影片中也是让尼克医生操刀奇异博士的手术,最终没能保住后者的双手。在漫画里,尼克医生跟随奇异博士去往卡玛·泰姬,在古一法师的教导下学会了依靠魔法治愈伤病的力量,但是他没有继续修炼而回到纽约继续行医。影片里的尼克医生属于配角中的配角,但漫威却选择迈克尔·斯图巴这样有一定名气的演员来饰演,不知道这是不是说明他会继续出现在影片续集里,并且要承担更重要的作用。

  斯特兰奇在卡玛·泰姬训练时,一个亚裔学员在镜头中一扫而过,这个人应该就是漫威漫画中的Tina Minoru 。漫画里的Tina比电影中的地位要重要得多,她是漫画《离家童盟》中的关键角色。漫画讲述的是一群孩子发现他们的家长(其中就包括Tina)是一个名叫“骄傲”的邪恶犯罪组织的成员。凯文·费奇之前也对这个隐藏彩蛋做出过解释:“这就是我们建立电影宇宙的方式。书里有太多角色,如果我们需要一个角色出现在影片里,无论他有没有台词,他都会以某种形式出现。我们通常会选择脑袋里一下子就能想到的角色,比如《离家童盟》里的人物。”

  影片里守卫伦敦圣殿的法师名叫丹尼尔·德拉姆(Daniel Drumm),漫画里德拉姆的灵魂和他兄弟杰利克的灵魂融合到一起,成为了拥有超能力的巫毒兄弟,后来改名叫巫毒博士。在漫画里巫毒博士的肉身已经取代奇异博士成为至尊法师。奇异博士和巫毒博士是老朋友也是死对头。

  本杰明·布拉特在影片中演了个小角色,乔纳森·潘伯恩,他用魔法治愈了自己摔断的脊椎。这个角色出场时正在打篮球,这不是布拉特第一次在超级英雄电影里打篮球了,上一次他在口碑扑街的《猫女》中也演了一场篮球戏。这两场戏显然没什么联系,但布拉特也算横跨漫威和DC两大超级英雄的宇宙的又一位演员了。

  哈弥尔法师和断手梗

  影片里只有一只手的法师哈弥尔是从《奇异博士》漫画的历史中借鉴来的,他在原作里是王的父亲,也是古一法师忠实的老仆人,还曾被人控制思想来对抗他的师父。哈弥尔法师对应的另一个彩蛋是漫威电影宇宙中的断手梗。冬兵、雷神、格鲁特都断过手,漫威主创之前也承认断手梗也是在致敬《星球大战》中卢克断手的情节。这次哈弥尔法师再次演绎了一个坚定的原则:无断手,不漫威。

  影片最后卡西利亚斯和他的追随者被多玛姆收回黑暗维度时,他们的身体转变成为砂砾般的物质,而且每个人都有一只亮着光的眼镜。他们很有可能变成漫画中的失心魔(the Mindless Ones),他们是一种不会停止的魔法造物,无论走到哪里都会带来破坏。一旦他们失去控制,即便是奇异博士甚至多玛姆这样的强大法师也很难把他们一一收服。

  克里斯·海姆斯沃斯饰演的雷神在片尾的第一个彩蛋里亮相。奇异博士挑明他身在纽约的弟弟洛基,对地球是个隐患,而雷神回答说他们是来找父亲的。《雷神2》结尾,洛基乔装成奥丁成为阿斯加德的国王,这样看来《雷神3》里洛基的把戏将会被识破,故事也会围绕着“雷神兄弟找爸爸”展开。最后雷神保证找到爸爸后就会带洛基离开,于是奇异博士很愉快地起身说:“那我来帮你吧!”这是不是意味着这位漫威电影宇宙新成员将出现在《雷神3》里呢?《雷神3》明年11月3日将在美国上映,这次“植入”可谓实力“打广告”。

  在上条提到的彩蛋中,奇异博士的造型发生了些许变化,仔细看的话会发现他手上戴着黄手套。奇异博士在漫画创作之初就配有黄手套,但是在近几年的漫画里,他已经摘掉手套了。不过奇异博士的这一原始形象已经深入人心,彩蛋中的形象也是一种致敬。不过这个场景是由《雷神3》导演塔伊加·维迪提执导的,也许黄手套是他的主意,这个造型也许只存在于这个彩蛋中,不会在接下来的续集正片里延续。(配图死侍乱入……)

  影片中奇异博士被刺伤后挣扎着来到医院让克里斯汀帮他做手术,奄奄一息的博士“灵魂出窍”,从灵魂维度跨越到现实维度指导克里斯汀。后来卡西利亚斯的门徒也从灵魂维度穿越到医院,和奇异博士展开肉搏。这个画面照搬了漫画《奇异博士:誓言》(The Oath)中的情节,但是漫画里做手术的是夜班护士琳达·卡特。导演德瑞克森说正是看了他写的这幕跨次元的情节后,凯文·费奇才决定让他来执导这部电影。

  影片中的黑暗维度绚烂得让人眼花缭乱,而这个让人大呼开脑洞的世界几乎完全借鉴了《奇异博士》漫画作者史蒂夫·迪特寇的原作。原漫画诞生在上世纪60年代,那会LSD正在美国风行,在迪特寇的作品中也可以看到迷幻的一面。导演德瑞克森也说过迪特寇的原画放到现在都很超前,他也不否认对原作的借鉴,尤其在表现黑暗维度的时候。除此以外,影片的画面的灵感还来自于艺术家M·C·埃舍尔具有迷惑性的画作、萨尔瓦多·达利的超现实主义画作以及迪士尼经典动画片《幻想曲》。

  古一法师带领刚来到卡玛·泰姬的奇异博士进入多元宇宙时,其中一个宇宙和《蚁人》结尾处的量子领域非常相似,初代黄蜂女就被困在这里。还有粉丝提到,这段镜头里奇异博士被甩过的背景中还出现过一条彩虹,有人猜测这条彩虹就是《雷神》中阿斯加德通往地球的彩虹桥。(图为蚁人进入量子领域后瞥到初代黄蜂女的身影,脑洞开大点的话,也许奇异博士能帮蚁人把黄蜂女带回现实世界)

  斯特兰奇遭遇车祸后醒来的第一个镜头,致敬了《神奇X战警》作者布兰登·彼得森绘制的那期《奇异博士》的内页画面。

  奇异博士在卡玛·泰姬调侃王的名字时,说了好几个人名,除了亚里士多德,其他几位都是当代欧美流行音乐歌手,包括阿黛尔(Adele)、德雷克(Drake)、波诺(Bono)、埃米纳姆(Eminem)和碧昂斯(Beyonce)。王被嘲笑后,还特地去听了碧昂斯的音乐。

  奇异博士发生车祸时,车里放的音乐是平克·弗洛伊德(Pink Floyd)的《Interstellar Overdrive》(星际超速,奇异博士确实因为超速驾驶才酿成车祸)。平克·弗洛伊德的成员也是《奇异博士》的粉丝,他们1968年推出的第二张专辑《A Saucerful of Secrets》就用了《奇异博士》第158期内页的部分元素。他们在单曲《Cymbaline》的歌词中也写到了“奇异博士”,本尼迪克特·康伯巴奇还曾在乐队成员大卫·吉尔摩(David Gilmour)在伦敦的演出上合作演唱了一首《Comfortably Numb》。

  原本黑骑士(Black Knight)会是《奇异博士》的彩蛋之一,他经典的武器乌木剑原计划出现在影片里,但是最终成片却删除了这个道具。不过在伦敦圣殿陈列的众多法器中,有一个壁橱中摆放着一款金属头盔,看起来非常像黑骑士的头盔。

  在香港大战中,奇异博士使用时间倒退的法术来阻止多玛姆对地球的吞噬。施展魔法时,不光画面开始逐帧倒退,背景音乐也是倒退着播放的。

  影片最后一个彩蛋的主角是切瓦特·埃加福特饰演的莫度男爵。他在正片结尾因为无法接受奇异博士破坏自然规律而与之分道扬镳,在彩蛋里他夺走了潘伯恩的法力,留下了一个黑化的结局。漫画中莫度一直以大反派的身份出现,他一心想要得到至尊法师的地位,为此勾结魔界杀害师父古一法师,并一直与奇异博士为敌。在《奇异博士》续集中他的身份会从奇异博士的师兄转变成敌人。不过结合王在正片结尾说的:古一法师走后,各个宇宙的敌人伺机而动。这暗示了续集的反派可能不光是莫度一人,也会有来自其他维度的反派全新登场。

如果你想知道进入量子世界可能会是什么样,可以来看看刘看山在中科院物理所的奇遇 @刘看山城市冰屋:

量子世界的基本设定,和我们平时看到的宏观世界很不一样。如果一个人缩小到量子尺度,他就同时具有了粒子和波的属性,也叫「波粒二象性」。 当然,用宏观世界的形状比喻量子世界是不准确的,你只要接受这个设定就好。

量子大小的人穿过一个狭缝时,不会完全按照直线路径抵达固定的地点。相反,他有机会抵达狭缝后的很多地点,但是抵达每一个地点的几率却不一样。 如果他多次穿过狭缝,在每次抵达的地点都留下印迹,那他一次又一次穿过狭缝之后,有的地方印迹就多,有的地方印迹就少,会连成一片波纹的模样。这就是波的性质了。

如果量子人奔跑着冲向他的朋友,他们也会撞到一起,然后相互弹开,这就是粒子的性质了。但如果他一遍遍地重复冲撞,他们相互弹开的轨迹方向,又和穿过狭缝的情形类似,会有波纹一样的概率分布。

量子世界对颜色的感知和宏观世界很不一样。人眼可见的光波,波长在 400-700 纳米,比原子和分子大得多。因此,可见光会绕开比波长小很多的量子人。 单个原子或分子无法像宏观物体那样反射可见光,不意味着可见光不会和它们作用:原子和分子可能会吸收特定波长的光的能量,比如红光或者蓝光,把这份能量变成自己的。这就是被「激发」的过程,是能量量子化的体现。

所以,若是主角蚁人和坏人都进入量子世界,他们肯定无法像宏观世界里那样用刀枪棍棒或者赤手空拳来搏斗了。他们都会变成一团一团的「概率云」,既能无障碍穿过狭缝(衍射),还能先分身再合并(干涉)。但他们也许可以考虑选择用特定波长的光来战斗:一束光打过去,坏人被激发到了不稳定的状态,然后——解离了!这听上去是个好主意。

2》中幽灵女因为「量子纠缠」而发出的心灵感应,恐怕并不能够真正实现。实际上,量子纠缠虽然是超距作用——可以超光速,但实际的信息传递并不能够违反相对论,并不能超光速。简单来讲,量子纠缠说的是,如果一对光子处在「纠缠态」,则我们知道它们俩无论分隔多远,整体上的状态是守恒的。如果你测量了其中一个光子的状态,就能立刻推断出远在天边的另一个光子的状态。但是,把信息放在一对处在纠缠态的光子中,并且发射出去,光子的运动就是光速,并不会更快。而且作为观测者的你,并不知道遥远地方的另一个光子,是不是和你刚才测量的这个光子真的还处在「纠缠态」,没有被破坏过。你得和另一边的观测者通电话,相互核对,才能确认。而打电话这件事儿,并不能超光速。

心灵感应这种事情,你不通过有限的光速的沟通手段问对方,哪里知道对方感应了还是没感应?

“量子”已经是当下的热门研究领域。作为吃瓜群众的你,可能用过“遇事不决,量子力学”的梗,也可能交过“量子茶杯”的智商税……不过,到底量子科技是什么?你知道吗?

近期,学习时报围绕量子信息科技主题,特约潘建伟院士团队撰写《量子通信:未来自主可控信息安全生态的重要保障》《量子精密测量:测量精度突破经典技术极限》《量子计算:后摩尔时代计算能力提升的解决方案》三篇科普文章,对量子信息科技进行了较为完整的介绍和展望。

一起来学习这三篇文章吧!

量子通信:未来自主可控信息安全生态的重要保障

作者:徐飞虎 彭承志 潘建伟

信息安全是事关国计民生的重大战略领域。传统的信息安全通过依赖于计算复杂度的加密算法来实现,然而随着计算能力的飞速发展,依赖于计算复杂度的传统加密算法面临着日益加剧的安全风险。

基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一原理上无条件安全的通信方式。量子密钥分发是指利用量子态来加载信息,通过一定的协议产生密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听,从而实现安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理学基本原理,与计算复杂度无关,即使未来强大的量子计算机问世也不会对其安全性形成威胁。

量子保密通信是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。通过量子密钥分发所生成的安全密钥,除了原理上无条件安全的“一次一密”加密方式外,还可以与经典对称加密算法相结合,兼顾安全性与通信速率。例如,按照现有技术水平,量子密钥分发与AES(高级加密标准)加密算法相结合,可以达到Gbps(交换带宽)的通信速率,同时大幅提升种子密钥的更新率,有效提升通信安全水平。此外,也可与下一代的“PQC(抗量子计算密码)”相结合,增强身份认证等的安全性。

广域量子通信的发展路线

量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络,进而通过中继器实现邻近两个城市之间的连接,最终通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

在城域量子通信网络方面,中国科学技术大学先后建成国际上首个全通型城域量子通信网络、首个量子政务网以及首个规模化城域量子通信网络,并在这一过程中将相关技术发展成熟,自主研制的量子保密通信装备已经为很多重要活动提供了信息安全保障。

在基于可信中继的城际量子通信网络方面,国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”,于2016年底全线贯通。干线全长2000余公里,连接北京和上海,贯穿济南、合肥等地。在沿线金融、政务、电力等部门的合作下,开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在“京沪干线”应用示范的基础上,国家发展改革委于2018年2月批复了“国家广域量子保密通信骨干网络”项目,将覆盖京津冀、长三角、粤港澳、成渝等重要区域,推动量子保密通信的规模化应用。

在星地自由空间量子通信方面,在中国科学院的支持下,中国科学技术大学联合中科院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位,研制成功世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”于2016年8月发射升空,在国际上率先实现了星地量子通信,首次实现了距离达7600公里的洲际量子通信,充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。利用“墨子号”积累的成功经验,量子卫星的研制成本已由数亿元降到千万元量级,预计2022年初小型化量子卫星将发射升空,为构建低成本的星群奠定基础。地面接收站的重量也已由十几吨降到100公斤左右,可初步支持移动量子通信。

结合“墨子号”量子卫星与“京沪干线”,我国率先构建了天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,成为近年来国际量子信息研究的一大标志性事件。

2020年10月16日,中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习,习近平总书记主持学习并指出,“统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发,培育量子通信等战略性新兴产业,抢占量子科技国际竞争制高点,构筑发展新优势”。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等,都是基于我国前期,10余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目,为核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的示范效果,稳步推进了量子保密通信在商业和国家安全领域的应用。

在核心量子通信器件方面,中国电子科技集团有限公司、中国科学技术大学、中科院上海微系统与信息技术研究所等实现了通信波段单光子探测器和量子随机数产生器等主要器件的初步国产化,打破了国外禁运的壁垒。在未来2至3年,通过关键器件的芯片化,量子加密设备的尺寸可缩小到手机大小,并大幅降低成本。

相关应用标准制定方面,在我国50余家科研机构和企业的积极参与下,中国通信标准化协会、全国信息安全标准化技术委员会、密码行业标准化技术委员会等国家标准组织,围绕量子保密通信技术的互联互通、安全测评、应用服务等方面,编制了多项国家标准和行业标准。我国学者突破了美加等西方国家的阻碍,在国际电信联盟发起成立了国际首个涵盖量子信息全领域的标准化组织,目前正在牵头编制多项国际标准。

近年来,我国学者在单光子雷达领域已取得了一批具有国际影响力的成果:突破了常温下探测红外单光子的量子效率极限,实现了远距离红外单光子大气雷达探测;实现了大气风场的昼夜连续探测,并创造了200公里的单光子成像最远距离世界纪录。同时,利用单光子雷达能够对隐藏在视线外的物体进行观测,即“非视域成像”,实现“隔墙观物”,在反恐防暴、紧急救援等领域具有广泛的应用前景;实现了远距离非视域成像,首次将成像距离从米级提高到公里级,极大地推动了非视域成像技术的实用化发展。量子通信研究中发展的单光子探测技术还可以极大地提升传统激光雷达的探测灵敏度、探测距离、分辨率等性能,即“单光子雷达”。单光子雷达可以实现对远距离、高精度软目标(大气)和硬目标(物体)的探测,已经在对地测绘、远程预警、全球态势感知、大气污染检测和预报、航空航天作业等领域发挥了重要作用。

得益于我国率先开展了广域量子通信的技术验证与应用示范,网络技术已初步满足实用化要求,核心器件的国产化和设备的小型化已初步实现,具备了在关键部门先行先试的条件。在激烈的国际竞争环境下,当前正是我国加快推进量子保密通信应用,尽早形成信息安全非对称优势的最佳时机。通过10年左右的努力,我国有望构建完整的广域量子通信网络技术体系,为形成未来自主可控的国家信息安全生态提供重要保障。

(本文刊载于《学习时报》2022年1月19日第6版)

量子精密测量:测量精度突破经典技术极限

精密测量是科学研究的基础。可以说,整个现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的。以时间测量为例,从古代的日晷、水钟,到近代的机械钟,再到现代的石英钟、原子钟,随着时间测量的精度不断提升,通信、导航等技术才得以不断发展,不仅给社会生活带来极大的便利,也为新的科学发现提供了利器。因此,更高的测量精度一直是人类孜孜以求的目标。

随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展,人们不断提升对量子态进行操控和测量的能力,从而可以利用量子态进行信息处理、传递和传感。量子精密测量是利用量子力学规律,特别是基本量子体系的一致性,对一些关键物理量进行高精度与高灵敏度的测量。利用量子精密测量方法,人们在时间、频率、加速度、电磁场等物理量上可以获得前所未有的测量精度。正是由于量子调控与量子信息技术的发展,2018年第26届国际计量大会正式通过决议,从2019年开始实施新的国际单位定义,从实物计量标准转向量子计量标准,这标志着精密测量已经进入量子时代。

高精度时间频率的测量和应用支撑着相关科学研究的发展、经济社会的运行和国家安全系统的建设。高精度时频服务系统是国家战略资源。

原子钟所给出的频率和时间标准是目前测量精度最高的基本物理量。同时,原子钟精度的提高也带动其他基本物理量测量、物理常数定义和物理定律检验精度的提高,促进了新物理的发现和科学技术的进步。在微波段运行的原子钟已被广泛应用于导航、通信等领域。被广泛使用的卫星定位系统(例如我国的北斗导航系统、美国的全球卫星定位系统GPS等)中的每一颗卫星都载有多台微波段原子钟,通过对信号到达的时间做精确测量来给出用户定位信息。由于在导航系统中的关键作用,星载原子钟被喻为卫星导航系统的心脏。我国科学家正在积极发展下一代更高精度的星载微波段原子钟,2018年在国际上首次实现了利用激光冷却技术的空间冷原子钟。

由于量子精密测量方法上的突破,在光波段运行的原子钟(简称光钟)具有更高的精确度与稳定度,有望达到10-21量级(即万亿年的误差不超过1秒)。光钟技术在近20年来迅猛发展,例如,美国国家标准局研制的锶原子光钟,在不确定度上达到10-18量级、稳定度达到10-19量级,相比微波原子钟进步了至少两个数量级;我国科学家发展的钙离子光钟的不确定度与稳定度均进入10-18量级。同时,我国已布局发展空间光钟,目标是要在太空中把时间频率测量精度提高两个数量级。新一代时间测量与传递技术将为洲际光钟比对、国际“秒”定义的产生作出贡献,为未来引力波探测、暗物质探测等物理学基本原理检验提供新方法。同时,对光信号的高精度相位控制与测量,也会极大地提升未来星地一体量子通信网络的信息传递速度。

惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统,具有高隐蔽性、全时空间工作的优势,在国家安全等领域具有重要的应用价值。

根据公开报道的当前最好的经典惯性导航技术,水下航行100天之后的定位误差将达到100千米量级,还不足以支持长时间的完全自主导航。通过对原子的量子调控,基于原子自旋、冷原子干涉效应的量子陀螺仪和重力仪可实现超高灵敏度的惯性测量,有望达到水下航行100天之后的定位误差小于1千米,实现长时间完全自主导航。因此,基于量子陀螺仪和重力仪的导航系统,在长航时高精度自主导航、前沿物理等领域具有重要应用。此外,高精度的重力测量还可广泛应用于大地测量、资源勘探等领域。

目前,我国研究人员研制成功的原子自旋陀螺原理样机,指标与国外公开报道的最高指标相当;可移动原子重力仪精度已接近国际一流水平,小型移动式冷原子重力仪达到了目前国际上野外连续重力观测的最好水平,为实现高精度自主导航系统奠定了基础。

对单光子、单电子、单原子、单分子等量子系统的高灵敏度探测具有广泛的应用价值,成为近年来国际物理学研究的热点前沿领域。

单自旋探测技术在量子计算、生命科学、材料科学等领域有广泛应用。我国研究人员利用以金刚石NV色心为代表的固态单自旋体系实现了同时具有高空间分辨率与高灵敏度的磁场探测技术,在室温大气条件下获得了国际上首张单个蛋白质分子的磁共振谱,为研究单分子、单细胞层面的生物学问题提供了测量基础。该技术也可用于探索微观尺度的磁性质、磁结构等。

单原子探测技术在地球科学、环境监测等领域有广泛应用。我国研究人员发展了新一代激光原子阱单原子灵敏检测方法,可以一个一个地数出环境样品中所含的极微量同位素原子,包括空气中含量仅为百亿亿分之一的氪-81同位素。这一天然示踪剂被用来帮助了解全球与区域性水、冰循环过程,给百万年的古地下水与冰川定年,为气候变化研究、水资源管理提供关键数据。

分子包含电子运动、振动和转动等多个量子化自由度,单分子尺度的量子体系由于具有强烈的空间限域、结构对称性破缺和显著的分立能级结构,表现出十分丰富和新奇的量子效应。我国研究人员利用扫描电镜、原子力显微镜、拉曼光谱三种探测方法的联用,全面揭示了表面上单个分子的结构与变化,在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征。

近年来,我国学者在量子精密测量方面不断追赶国际先进水平,技术突飞猛进,成果斐然。譬如,在原子钟、量子陀螺仪等方面的关键技术已经接近国际先进水平;在量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场测量等方面已经达到国际先进水平,并取得了一批国际领先的成果。随着研究水平的不断提升和核心竞争力的进一步增强,我国量子精密测量领域将在科学研究、经济生活和国家安全等重大战略需求中发挥重要作用。

(文章刊载于《学习时报》2022年2月16日第6版)

量子计算:后摩尔时代计算能力提升的解决方案

作者:朱晓波 陆朝阳 潘建伟

量子计算是基于量子力学的全新计算模式,具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力,为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案,并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。

与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同,量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理,一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加,即可以用于表示0和1两个数。推而广之,n个量子比特便可表示2n个数的叠加,使得一次量子操作原理上可以同时实现对2n个叠加的数进行并行运算,这相当于经典计算机进行2n次操作。因此,量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路,具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。

类似于经典计算机,量子计算机也可以沿用图灵机的框架,通过对量子比特进行可编程的逻辑操作,执行通用的量子运算,从而实现计算能力的大幅提升,甚至是指数级的加速。一个典型的例子是1994年提出的快速质因数分解量子算法(Shor算法)。质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础。例如,如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数,需要10万年以上;而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机,则只需要1秒。因此,量子计算机一旦研制成功,将对经典信息安全体系带来巨大影响。

量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长,因此量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模,国际学术界公认量子计算有如下发展阶段:

第一个阶段是实现“量子计算优越性”,即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机,达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子计算优越性”。我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。目前,我国是世界上唯一在两种物理体系达到这一里程碑的国家。

第二个阶段是实现专用量子模拟机,即相干操纵数百个量子比特,应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题,指导材料设计、药物开发等。达到该阶段需要5至10年,是当前的主要研究任务。

第三个阶段是实现可编程通用量子计算机,即相干操纵至少数百万个量子比特,能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错,对于规模化的量子比特系统,通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求,也是一段时期内面临的主要挑战。由于技术上的难度,何时实现通用量子计算机尚不明确,国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。

目前,国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局,成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家(地区)之一。

目前,美国谷歌公司、IBM公司以及中国科学技术大学是全球超导量子计算研究的前三强。2019年10月,在持续重金投入量子计算10余年后,谷歌正式宣布实验证明了“量子计算优越性”。他们构建了一个包含53个超导量子比特的量子处理器,命名为“Sycamore(悬铃木)”。在随机线路取样这一特定任务上,“悬铃木”展现出远超超级计算机的计算能力。

2021年5月,中国科学技术大学构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”,并实现了可编程的二维量子行走。在此基础上,进一步实现了66比特的“祖冲之二号”。“祖冲之二号”具备执行任意量子算法的编程能力,实现了量子随机线路取样的快速求解。根据目前已公开的最优化经典算法,“祖冲之二号”对量子随机线路取样问题的处理速度比目前最快的超级计算机快1000万倍,计算复杂度较谷歌“悬铃木”提高了100万倍。

其他体系的量子计算研究

离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力,也是目前国际量子计算研究的热点方向。我国在离子体系的量子计算研究上起步较晚,目前整体上处于追赶状态,国内的优势研究单位包括清华大学、中国科学技术大学和国防科技大学等,在离子阱的制备、单离子相干保持时间、高精度量子逻辑门、多比特量子纠缠等量子计算的基本要素方面积累了大量关键技术。我国在硅基量子点的量子计算方向上与国际主要研究力量处于并跑水平。此外,由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性,利用拓扑体系实现通用量子计算是国际上面向长远的重要研究目标。目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特这一“0到1”的突破而努力。

在实现了“量子计算优越性”的阶段目标后,未来量子计算的发展将集中在两个方面:一是继续提升量子计算性能。为了实现容错量子计算,首要考虑的就是如何高精度地扩展量子计算系统规模。在实现量子比特扩展的时候,比特的数量和质量都极其重要,需要实验的每个环节(量子态的制备、操控和测量)都要保持高精度、低噪声,并且随着量子比特数目的增加,噪声和串扰等因素带来的错误也随之增加,这对量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战,仍需大量科学和工程的协同努力。二是探索量子计算应用。预计未来5年,量子计算有望突破上千比特,虽然暂时还无法实现容错的通用量子计算,但科学家们希望探索在带噪声的量子计算(NISQ)阶段,将量子计算应用于机器学习、量子化学等领域,形成近期应用。

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