在量子的世界里，量子可以做什么生意？
更多的好处：量子技术可以制造出精确定位地下管道的先进重力传感器。 图片来源：iStock/nightman1965
引言
在量子技术的新时代背景下，詹姆斯·麦肯齐（James Mckenzie）预见了商业界和产业界由此迎来的发展机遇。
撰文 | James Mckenzie
翻译 | 张琪悦
校译 | 杨岭楠
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量子技术发展到了一个激动人心的时代。在美国、欧洲和中国，都有量子技术的大型项目，而英国则处于这一领域的前沿。2013年英国政府启动了国家量子技术项目，并于上一年又追加了三亿一千五百万英镑的预算，用于支持这一领域的发展和商业化进程。
这是非常了不起的举措，然而，举措背后的动机又是什么？如果你对于量子技术并不熟悉，在这个领域进行大手笔的投入可谓冒险之举。我不禁想起了电影《布莱恩的一生》中的经典台词：罗马人为我们做了什么贡献？电影角色提了很长一串罗马人的实干成就，例如修建水渠、教育及卫生设施，这也使他们不得不承认，罗马人的确做了很多。
同样，美国物理学家查德·奥泽尔（Chad Orzel）曾在《福布斯》杂志的一篇文章中问道：量子力学为我们做了什么贡献？现在，我深信《物理世界》的读者们并不需要阅读他的文章就可以找到答案。整个电信行业都是基于激光和放大器技术建立起来的，即使光纤本身十分传统，但激光和放大器都是量子器件。激光最关键的物理学原理正是爱因斯坦1917年发表的著名论文中提出的受激发射概念。
尽为量子
量子物理学也是现代计算机的基础。如果我们对半导体、能带结构和掺杂都不甚了解，那么计算机根本无法工作。幸亏有了NAND闪存（如此命名是因为它就像一个NOT-AND逻辑门），我们拥有了稳定的固态存储系统，所以每次我们关掉手机、U盘、内存驱动器或数据中心时，所有存储的数据都不会被擦除，因为量子力学会再次传送数据。
NAND闪存构成了全球半导体行业中最庞大的一部分之一，年销售额达数百亿美元。NAND闪存制造厂的建设成本实际也要高达数十亿美元。每当你在NAND闪存上写入数据时，你都是在亲身见证量子力学中最惊人、最成功的预言。更具体说来，我指的是势垒贯穿，或是隧道贯穿，它允许低能量粒子穿透高能势垒。
量子物理学在其他方面的应用还包括核磁共振成像、原子钟以及卫星导航，而未来仍无限可期。随着计算、传感、成像和通讯的进一步发展，量子技术将为解决疾病、气候变化等全球性问题带来富有前景的全新方法。
量子计算和安全是一个新兴的领域，借助先进的算法和以纠缠光子的形式发送到光纤的量子密钥，来保障网络的安全。密钥对于安全通讯至关重要，如果有未经授权者查看了密钥，我们通过量子技术就会洞彻情况。
量子密码学的支撑技术已经被应用于卫星，由此看来，手机应用芯片不会太遥远。银行也会满心欢喜地接受这种超级安全的汇款方式。不过，消极的一面是，有可能会出现“密码末日”。
而问题在于，量子计算机的工作原理与传统计算机大大不同，它可以很快破解当今任何一种常见的安全系统，比如128位AES加密（即使使用当今最好的超级计算机，强力攻击此系统也需要耗费数百万年）。据美国国家标准与技术研究院分析，到2029年，量子计算机将使用量子比特（已非比特），破解现有的公钥基础设施。
成就感
量子技术应用于传感和成像，也极有可能迸发不同寻常的契机。超精度传感器可以绘制地底深层的局部重力场图，帮助我们发现新的物质资源，或可用来精确定位埋在地下的管道，以便道路工人精准挖洞。这些传感器已经投入试验中，虽然它们目前仍须用卡车或火车运输，但研究人员正在着力开发更小型、更便携的版本。
芯片原子钟似乎也不再遥不可及。它们比传统原子钟更袖珍、更便宜，也更便携，将成为卫星覆盖定位、导航技术的关键。而用于金融交易的原子钟时间“戳”也将促进市场和数据网络的完整性。
至于量子传感，它有着幽灵一般的能力，可以从数米外发送纠缠光子的量子雷达就是一个很好的例子。再比如微波光子，借助于它，我们只需待在原地观察，便可立即知道几十公里以外发生的事情。量子相机则可以每秒一万亿帧的速度拍摄视频，目前已用于追踪距观察者100米范围障碍物后面的人体。
在医学领域，量子成像能对大脑进行非侵入性成像，有助于我们研究它的电子活动，更好了解它的工作机制，可有助于治疗阿兹海默症和痴呆症。
尽管很难预测量子技术具体的商业应用以及它对社会的影响，但正像彼时激光、晶体管和隧道技术的发明一样，显然它的价值将是巨大的。量子技术既如此之重要，也就难怪世界各国纷纷投入充裕的资金，不啻为明智之举。
▲本文为Physics World 专栏的第22篇。
第一篇：中国的挑战和变化
第四篇：中国冲刺月球计划
第五篇：随机行走人生路，量子计算是归途
第六篇：什么情况下冷水比热水升温快
第七篇：文科教育为什么不能偏废？
第八篇：如何写一份面向工业界的简历
第十篇：动物集体行为背后，到底是何机制？
第十一篇：世界首次人机合一的奥运会：比赛爬楼梯、晾衣服背后的黑科技
第十二篇：植“根”于物理
第十四篇：专访王贻芳：建造下一代对撞机
第十五篇：物理学家30年前遭遇的问题，至今没有改善
第十六篇：海蒂·拉玛的双面人生：电影演员与发明家
第十七篇：物理单位的哲学新思考
第十八篇：粒子物理学的成就与挫败
版权声明
原文标题“It’s a quantum world”，首发于2019年1月出版的Physics World，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。
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制版编辑 | 皮皮鱼
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