你听说过 5G,但量子互联网呢?

Renesas Electronics Corp's microcontroller chips are placed on a palm and reflected in a mirror in this illustrative photograph taken in Tokyo May 24, 2012. Japan's loss-making Renesas Electronics Corp said on Thursday it will tie up with Taiwan Semiconductor Manufacturing Co in the microchip business as it struggles to keep up with aggressive rivals like Samsung Electronics. REUTERS/Kim Kyung-Hoon (JAPAN - Tags: BUSINESS SCIENCE TECHNOLOGY)
'Spooky' science ...quantum computers are here. So what can we do with them?Image: REUTERS/Kim Kyung-Hoon
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去年,中国科学技术大学的科学家把薛定谔的猫送上了太空。

并非真的把猫送上太空。这只猫是一个理论实验的主题,该实验阐释了量子力学。与此同时,中国科学家将一颗量子卫星送入太空,并利用它将纠缠量子粒子传回地球上的接收站。

Image: IBM

纠缠意味着两个粒子之间存在不可逆的联系。在它们被观察或测量之前,一个粒子的属性会与另一个相同。试想一下,如果可以的话,把两枚硬币抛向空中,然后看看它们落地时是正面朝上还是反面朝上。现在设想,无论其中一枚硬币的结果如何,另一枚总会得到相同结果。再设想这种效应总会发生——即使两枚硬币相距甚远。这就是量子纠缠。

中国科学家将纠缠粒子传送到相距 1,200 公里的基站,仍然观察到了它们的相互依存状态。据报道,阿尔伯特·爱因斯坦曾将这种属性形容为“诡异”。他或许说得有道理;这是一个里程碑,可能改变我们所知的计算世界。

事实上,这种变化带来的影响可能远远超出科技领域。量子计算机几乎可以实时计算出最大素数的因数。使用巨大的素数及其因数,是数据加密的基础。一旦多台量子计算机连接成量子互联网,这种用途可能引发新一轮令人恐惧的网络战,整个组织都可能轻易遭到击垮。

不过,前景并非一片黯淡。量子互联网的发展也可能带来一些改变人生的好处。例如,高性能计算机网络已帮助研究人员加快基因组解码和药物开发。它还有望大幅缩短机器学习所需的时间。

如果你此时已经感到好奇,并想要亲自体验一番,借助 IBM 就能做到。

1、2、3、4、5……移动通信即将开启新篇章

人们普遍认为,对速度的追求一直推动着科技行业的发展步伐。存储能力提升的同时,速度也不断提高——无论是进行计算还是在设备间通信——让我们在日常生活中得以享用许多习以为常的技术,比如手机。

这或许有些难以置信,但自 20 世纪 70 年代以来,手机就以各种形式伴随着我们。无论如何,那时开发出了第一代(即 1G)移动连接标准。又过了将近二十年,第二代(2G)标准才问世,我们也由此开始发送短信,并尝试使用非常初级的移动互联网。到了 4G 时代,在许多发达国家和地区,移动互联网的速度已可与家庭宽带服务相媲美;4G 多年来一直普遍可用。

电信行业承诺,借助 5G,一次重大飞跃即将到来。首先,你将能够在几秒钟内下载一部电影。虚拟现实和增强现实应用也将迎来爆发式增长。此外,5G 将提供始终在线的连接能力,让自动驾驶汽车成为现实。

5G 能做到这些,乃至更多,是因为它使用了目前移动行业无法使用的频段。这些更高的频段拥挤程度会低得多。不过,5G 容易受到信号衰减的影响,建筑物和其他障碍物也可能阻挡或干扰信号。为传输这些信号,需要增设许多基站,这意味着必须追加基础设施投资。

Image: 路透社/Rafael Marchante

首批 5G 手机将于明年上市,频谱使用权拍卖也无疑很快就会举行。消费者总是乐于获得更多、更好的服务、更快的网速和更吸引人的应用,但他们未必愿意为此多付钱。于是,网络运营商面临两难:大举投资建设网络,以提供增值服务,但愿意额外付费的客户又太少,这种商业方案缺乏吸引力。因此,5G 网络的部署可能需要数年时间,尽管目前已有中国和美国等国家投入了数十亿美元来建设相关基础设施。

不过,5G 或许近在眼前,量子互联网却可能永远无法实现。

量子计算机必须冷却至 10 毫开尔文,约为 -273°C。它们也很脆弱,容易受到外来电磁脉冲、振动和温度变化的干扰。要提升量子计算机的算力,合乎逻辑的做法是在计算机芯片中加入更多量子比特。量子比特是量子信息的基本单位,但增加量子比特只会进一步加剧整体的敏感性和不稳定性。

例如,入侵加密系统,就像量子世界中的许多情况一样,目前仍只是理论上的设想。只有在所用量子计算机处于稳定且具备容错能力的状态时,这种攻击才可能实现。就目前而言,这一挑战可能要几十年后才有望解决。算法要运行,需要数百万个经过纠错的比特。在量子世界中,这意味着数百万个量子比特。目前,IBM 已实现约 50 个。因此,前方仍有很长的路要走。

这是一个令人遗憾的“第二十二条军规”:让某样东西更强大的关键因素,反而会使它变得更弱。除了量子力学,你还能在哪里期待遇到这样的悖论?

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