量子技术对于低碳技术的意义

量子技术对于低碳技术的意义吴国林(华南理工大学科学技术哲学研究中心,广东广州510640)摘要:量子信息不同于经典信息。建立在量子力学与量子信息理论基础之上的量子技术显示出不同于经典技术的能力。量子技术对低碳技术具有重要的意义:量子技术可以节约时间与空间、能源，开发新的量子资源,克服某些经典复杂性,形成量子产业。关键词:量子信息;量子技术;量子计算;低碳技术作者简介:吴国林(1963- - ), 男,四川营山人,华南理工大学思想政治学院教授,博士生导师,主要从事科学技术哲学研究。基金项目:国家社会科学基金项目“当代量子技术的哲学研究”(项目编号: 10BZX030)的阶段性成果。中图分类号: N031文献标识码: A文章编号: 1001-4403(2011)03-0008 -05收稿日期: 2011-03-26在20世纪末，随着量子信息兴起，信息从量子力学用量子态来描述量子系统,即系统处于经典领域引人到量子领域,进而形成了量子信息态空间(常用Hilbert空间来表述)的某种量子态。理论和量子技术。量子技术不同于经典技术,量在量子通信理论中,量子信息的单元称为量子技术具有强大的能力。本文将简要介绍量子信子比特( qubit)。一个量子比特是-一个双态系统,息、量子技术的含义,最后讨论量子技术对于低且是两个线性独立的态。两个独立的基本量子态碳技术的启示意义。常用狄拉克符号记为: 10> 和1>。量子比特是两态量子系统的任意叠加态，量子比特10>, I1>是--.f子信息的基本特点二维复空间中的向量。例如: ly>= =al0>+bl1>,且从纯客观的通信理论来看,现有的经典信息al+lb1=1,其中系数a与b为复数。以比特( bit )作为信息单元,经典比特只有一个或用量子态来表示信息是研究量子信息的出发0或1的状态。一个比特是给出经典二值系统一点。一旦用量子态来表示信息，便实现了信息的个取值的信息量。从物理角度讲，比特是-一个两“量子化”，于是信息的过程必须遵从量子物理原态系统,它可以制备为两个可识别状态中的一个,理。信息的演化遵从薛定谔方程,信息传输就是例如，是或非,真或假, 0或1等。经典信息可以量子态在量子通道中的传送，信息提取便是对量用经典物理学进行描述,不需要用量子力学描述。子系统实施量子测量。-个量子系统包含大量的微观粒子,我们目量子信息基于量子力学,而经典信息基于经前还不十分了解量子系统中各微观客体之间相典物理。量子信息将信息从经典领域拓展到量子互作用的机制，但是,量子力学的波动方程可以领域，丰富了信息的含义。量子信息不是量子实描述量子态的演化。显然这是一一个非常实用的办在,而是作为量子实在的状态、关联、变化、差异法,把量子系统的动力作用的机制暂时悬置起来。的表现。中国煤化工fYHCNMH G .●8..量子技术对于低碳技术的意义(1 )量子信息具有相干性和纠缠性。量子相1900年，普朗克提出能量子概念。自20世纪20干性在各种量子信息过程中都起着至关重要的作年代建立量子力学矩阵力学和波动力学,在近1用。所谓相干性,是指波在传播时，其物理量在个世纪的探索中，量子力学取得了巨大成功,但不同地点或不同时间的某种相关特性,它是由波是,对量子力学的理解仍然存在重大分歧。1935的相位的变化而产生的。比如，光通过双缝術射年爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的EPR论文，引后，就会在接受屏上产生明暗相间的条纹。在量发了对量子力学基本问题的论争,特别是EPR佯子力学中,微观事物都具有波动性,它们可以用谬成为令人困惑的重大问题。1964年，贝尔提出量子态来描述。这些量子态之间可以发生相互千了贝尔不等式。20世纪70年代以来,-连串的物涉,这就是量子相干性。量子相干性也是一种整理实验开始检验贝尔不等式，并开始检验EPR佯体性,它使得既有局域的自由与全域的关联相统谬本身。一。而经典信息则没有相干效应。1993年,研究量子信息的权威本内特(C.H.(2)量子信息具有纠缠性。分离态是两个子Bennett )等6位科学家联合在《物理评论快报》发系统纯态的直积态;反之,如果复合体系的一个表题为《经由经典和EPR通道传送未知量子态》纯态不能写成两个子系统纯态的直积态,则该纯的论文,引发了一系列富有成果的研究。1997年态就是一个纠缠态。也就是说,量子纠缠是指两9月，中国科技大学学者潘建伟与荷兰博士波密个(或多个)量子系统的态之间具有关联性,而且斯特尔等合作完成了“实验量子隐形传态”(3),在是一种非定域的关联。量子纠缠效应使量子信息《自然》杂志报道了量子隐形传态的实验结果。该的传递具有非定域性。文是将量子力学原理应用到量子信息处理研究的(3)量子信息不可克隆(No-Cloning),而经- -个重大实验突破。2000年，本内特等在《自然》典信息可以完全克隆。所谓量子克隆是指原来的杂志上撰文认为,量子信息理论已开始将量子力量子态不被改变，而在另-个系统中产生一一个完学与经典信息结合起来,成为一门独立的学科。[4]全相同的量子态。克隆不同于量子态的传输。量量子隐形传态基于量子纠缠,量子纠缠是量子信子传输是指量子态从原来的系统中消失,而在另息的根本性特点。20世纪后半期，量子计算、量--系统中出现。当然，量子不可克隆原理并没有子密钥分配算法和量子纠错编码等3种基本思想限制不严格地复制量子态。的出现，标志着以量子力学为基础的量子信息论(4)量子信息不可以完全删除,而经典信息基本形成。可以完全删除。已有学者证明,任何未知的量子量子技术直接建立在量子理论的基础之上。态的完全删除是不可能的(2。显然,这是量子信量子纠缠从概念或佯谬到客观事实或客观性质是息不同于经典信息的重要特征。这或许意昧着，量子技术发生突变的分界判据。经典信息的客观性程度没有量子信息的客观性的量子技术已正在形成相当大的一个高技术程度高。这- -性质表明了量子信息不同于物质与群。道林( Jonathan P.Dowling )和密尔本( Gerard J.经典信息的重要特征:物质不能被创生和消灭，Milburm )在《量子技术:第二次量子革命》-文中，经典信息可以被创造和消灭,而量子信息可以被将量子技术分为五大类:量子信息技术、量子电创造但不能被完全消灭。机系统、相干量子电动学、量子光学和相干物质(5 )量子信息则在内部空间中进行,量子信技术。量子信息技术包括量子算法、量子密码学、息的变换可大大快于经典信息;而经典信息在量子信息论;量子电机系统包括单自旋磁力共振四维时空中进行,速度不快于光速。所谓内部空显微镜方法;相干量子电子学包括超导量子电路、间就是指微观粒子所具有的内禀变量或内部变量量子光子学、自旋学、分子相关量子电子学、固(如自旋)所形成的空间。比如，量子信息已成功态量子计算机;量子光子学包括量子光学干涉仪、在自旋空间传递，量子信息的处理速度远高于经量子微影术和显微镜方法、光子乐缩、非相互作典信息。用成像、量子隐形传态;相干物质技术包括原子光学、量子原子引力梯度测量仪、原子激光。(s)48二、f子技术的特点量子技术与量子力学、量子信息理论有关。的框架中得中国煤化王在经典力学:YHCNMH G为代表的起●.9..蘇州大學學報2011.3始于20世纪初的第一次量子革命,主要是以创立中- -个的信息量就是n比特。换言之,一一个经典和检验量子力学为标志,检验量子力学是否正确比特可以制备在两个逻辑态0或1中的-一个态上,和完备,仅有少量的基于量子力学的量子技术产而不能同时存储0和1。但是, -一个量子比特可以品的问世,那么,第二次量子革命起始于20世纪制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态,即是说,末，通过利用量子力学的有关规律和原理,发展它可以同时存储0和1两个状态。可见，量子存储新的量子技术。量子技术在于利用量子物理的规器具有巨大的存储量。对于有n个量子比特的量律来组织和控制微观系统的组成。子存储器，同一时刻存储2”个数的叠加态,，而在据此，我们可以将量子技术界定为,建立在经典情况下，同一时刻只能存储2”个数中的-一个。量子力学和量子信息论基础之上的新型技术。量(2)量子计算具有平行性。量子计算的平行子隐形传态、量子计算等是重要的量子技术。性由量子算法的并行性决定。量子计算机对n个量子纠缠是量子隐形传态的关键。在量子隐量子存储器实行一次操作，即同时对所存储的2”形传态( quantum teleportation )过程中，要传递的个数据进行数学运算,等效于经典计算机重复实粒子1,处于未知的量子态lφ>=al0,>+bl1>,其中施2"次操作,或者等效于采用2”个不同的处理器a与b为未知系数。为了传递未知粒子1,必须要进行并行操作。随着n的增加，量子存储器存储使粒子2与粒子3处于纠缠态。不论粒子2与粒子数据的能力将指数上升。比如,一个250量子比3有多远的距离,一旦对未知粒子1与粒子2进行特的存储器(如由250个原子的两个能级构成)可联合贝尔基测量,未知粒子1的系数a与b立即传能存储的数据为250 ,比现有已知的宇宙的全部递到粒子3那里。粒子3就处于状态al03>+bl1z>,原子数目还要多，可见，量子计算机可大大加速于是,粒子3与未知粒子1的具有同样的量子态。经典函数的运算速度。如果将寄存器制备为若干可见，量子隐形传态有点像“借尸还魂”，原来那数的相干叠加态，然后进行线性、幺正运算,则个未知粒子1的“魂”,在粒子3那个量子位上“复计算的每--步同时对叠加态中的所有数进行,这活”了。这里所谓的“魂”实际是指未知态的系数就是量子并行计算。正如尼尔逊与昌所说:“量a与bo子并行性是许多量子算法的- -个基本特征，简言之,量子并行性使量子计算机可以同时计算函数三、量子计算的特点f( x )在许多不同的x处的值。”[7]29从物理学来看,计算机就是-一个物理系统。(3)量子计算具有全局性。量子计算线路选量子计算机就是-一个量子力学系统,量子计算过择的并行性不同于经典计算线路选择的并行性,程是量子力学系统的量子态的演化过程。量子物正如尼尔逊与昌指出，差别在于经典计算机上的理中不同的物理态可以叠加形成存在于量子计算“选择总是互相排斥的，而在量子计算机上“选机中,量子态之间的纠缠在不同的量子比特之间择却可能通过相互干涉，而给出函数f(x)的某建立了量子“信道”。计算过程可归结为制备物理些全局性质"。“许多量子算法设计的本质在于，态，演化物理态，最后对物理态实施测量(]。经精心选择函数和最终变换,以便有效地确定有关典计算的理论事实上是建立在对编码态以及计算函数的有用全局信息,而经典计算机无法快速得过程的经典物理理解的基础上。而量子计算则建到”。[7]32可见，量子计算具有全局性、整体性特立在对编码态以及计算过程的量子力学理解的基点,而经典计算往往是局域性、部分性计算。础上。量子计算主要特点如下:(4)某些量子算法具有加速能力。1994 年,(1 )量子存储器具有巨大的存储能力。量子AT&T公司的肖尔( Peter Shor )发现了Shor算法，计算机的最基本存储单元是量子比特。一个量子这个算法被称为“Shor大数因子化”的量子算法。比特是--个双态系统，且是两个线性独立的态。肖尔量子算法是- -个多项式算法,是-一个有效算量子寄存器就是量子比特的集合。按照经典信息法。肖尔量子算法充分利用了量子的相位的相干论,对于一个二值系统(0, 1),若取二值之一的性、相消性与量子计算的并行性,从而具有指数概率是1/2,则给出这个系统的取值是0或1的信加速的特点，克服了经典计算复杂性。比如，对息量就是1比特。对于n个二值系统, n位二进制于十进制6Q中国煤化工加果用运算速数共有2”个,每个都等几率地出现，于是指定其度约为10EL进行经典计°YHCNMH G●10..量子技术对于低碳技术的意义算,需要的运算次数是1030次,耗费的时间为10"系是生成事件的一种格式，是能量传递的一种方秒,这大约相当于宇宙的寿命;在采用量子算法式。[8}u”可见,邦格关于因果联系的过程中有能的情况下，需要作的运算次数约为L2≈4x10*,量传递，是从经典世界中总结出来的，而在量子以同样的运算速度,只需要10°秒即可完成。肖世界上并不能保证其正确。我们知道,传统的相尔算法对因子分解是有效的，如果多量子位的量互作用的发生与进行，是与物质、能量和经典信子计算机能真正产生，那么破解RSA公钥系统将息的传递和转换相联系在-一起的,经典信息的传是很容易的。这说明量子计算相对经典计算的巨递需要能量的传递。量子隐形传态过程所体现的相互作用过程是一个量子信息的传递过程，量子计算机上使用的公共安全加密系统的安全性受到信息的传递是因果性的，其中并没有发现经典能量的传递。这一点是与邦格的观点所不同的。磁共振中得到实验实现。我们认为,在量子信息的因果性传递过程中,四、量子技术对于低碳技术的启示“能量波动”是对经典信息传递中的“能量传递"概念的深化和推进。[9因此，量子信息对于能量量子技术对于低碳经济与低碳技术有重要的的要求，显然不同于经典信息对能量的要求，这意义,具体表现在:意味着量子信息有可能是节能的。(1)量子技术可以节约时间、空间。(3)量子技术开发了新的资源量子资源时间空间是物质存在的形式。而量子技术所(微观资源)。显现的时间空间是内部时间与内部空间,它不同低碳必须涉及能源革命和资源革命。目前的于外部时空。-方面，量子技术展示内部时空,化石能源，是封闭能源，要真正实现低碳,就必另一方面，量子技术还可以改变内部时空。由于须改变碳基能源，引人新资源，并且从科学理论内部时空与外部时空相联系，改变内部时空必然与技术革命上改变。随着量子技术的发展，- - 些改变外部时空，于是,量子技术可以改变物质的微观器件被制造出来，开发出了新的器件与新的存在的内部形式，改变其要素构成结构的方式。资源,将会出现微观动力、微观机械、微观工具、任何事物、物质或事件都具有(或占有)- -定微观器件等。的时间与空间。量子技术可以节约时间与空间。在量子纠缠本身成为一种新的资源。2003年,量子隐形传态过程中，未知粒子的系数(量子信海格( A.Hagar )指出:“突然,量子的奇异性已经息)可以被超光速地传递，对于同样的经典距离来成为工程家的一种资源,并且科学的关注焦点已说，速度越高就越表现为节约时间。对于外部时空经从理解这种奇异性转去驾驭这一奇 异性。”[10]796来说，被传递的未知粒子的系数(量子信息)跨越伍特斯( W.K.ootters )早在1998年也强调:“近了类空距离，即突破了原来经典物理所不可能克些年来,纠缠不仅作为自然界--种神奇的现象而服的类空空间,于是,就表现为节约空间。被研究，而且更是作为通信方面的某种不寻常的(2 )量子技术在- -定程度上可以节约能源。资源被大家所关注。”1717以量子纠缠为核心的芯片是当代世界的关键器件,然而随着芯量子信息不仅具备经典信息所拥有的资源特性,片体积的缩小和集成度的提高，计算机的能耗而且还具备经典信息所不存在的功能。基于量子对芯片的影响越来越大。能耗产生于计算机的纠缠的量子信息不仅会深刻变革人类的原有资源不可逆操作。1982年,著名物理学家费曼( R.P.结构，而且其携带的奇异特质还将极大拓展人类Feynman )首先推测,按照量子力学规律工作的计算机(量子计算机)可能避免能耗这-困难,因为重要的潜在资源，量子纠缠可能被广泛应用于量量子力学系统的演化是幺正变换,具有可逆性。子信息处理和量子通信,包括量子态编码、量子著名哲学家邦格( Bunge )提出了因果关系与态远程传输、量子密钥分配、量子计算与纠错,事件之间的关系,他认为:第一,因果关系是事这些新颖的使用价值正是作为资源的重要属性。件间的一种关系，而不是性质、状态或观念间的(4)量子计算有利于获得经济、社会问题的关系。第二,因果关系不是事件与事件之间的外最优或次优中国煤化工在关系。每- -结果都是由其原因所生成,因果联经济模型MYHCNMHG:系统,用经.蘇州大學學報2011.3典计算无法求解或求近似解,而量子计算可能克量子产业的诞生。第四次产业革命以量子信息和服某些经典计算所不能解决的复杂性,从而获得量子物理规律为基础。量子产业将成为更高效、问题的正确解。目前有关计算复杂性的定义是操更快捷、更节能的产业。作性和现象性的,并没有揭示计算复杂性的本质。一种产品是否做到低碳，不仅要看它在使用从经典计算理论来看,只有多项式时间的算法是过程中减少了多少碳消耗,还要看它在制造过程可计算的，而指数时间算法是不可能克服的。复中是否高碳排放,以及生产这种产品所需要的生杂程度与算法有关。[12]引百2Shor算法与Grover算产技术本身是否由低碳技术制造。只有主导型的法等量子算法表明,经典计算复杂性分类对于量低碳技术才对低碳经济起关键的控制作用。如果子力学失去绝对性，量子计算机有可能把NP问一个国家没有掌握主导型技术,则低碳经济不可题转化为易解的P类问题。能做好。而低碳技术的制高点是量子信息技术。(5 )抓住主导技术的创新,以量子技术为核目前，量子技术正向经典领域挺进，克服经典领心，形成新的主导技术,实现第四次技术革命。域原来所不能解决的一些问题。因此,在我国,每一次主导技术引起的技术革命,都会带来抓住量子技术这一关键, 不仅有利于使我国的技产业革命。第四次技术革命,将产生第四次产业术实现飞跃,从经典技术平台跨越到新的量子技革命,形成量子产业，量子技术革命将直接推动术平台,而且有利于我国实现技术赶超战略。参考文献[1]吴国林.量子信息的本质探究[ J].科学技术与辩证法, 1995,(6).[2 ]A. K. Pati etal. Imosbility of Deleting an Unknowm Quantum State[J]. Nature, 2000, (404 ).[3 ]D. Bouwmeeter, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfuter & A. Zeilinger. Experimental Quantum Teleportation[J]. Nature, 1997,(390).[4 ]Benntt C. H. and Di Vinecenzo D. P. quantum infomation and computation[J ].Nature, 2000, ( 404). .[ 5 ]Jonathan P. Dowling, Gerard J. Milburn, Quantum technology: the second quantum revolution[J]. PhilosophicalTransaction of The Royal Society, 2003, ( 1809 ).[6]李承祖,等.量子通信和量子计算[ M ].长沙:国防科技大学出版社, 2000.[7 ]M. Nielson, I. Chuang量子计算和量子信息(一)[ M ].赵千川译.北京:清华大学出版社, 2004.[ 8 ]M. Bunge, Causality and moderm science( third revised edition )[ M ]. New York: Dover Publications, Inc., 1979.[9 ]吴国林,刘建城.量子隐形传态过程的因果关系分析[J].自然辩证法研究, 2009,(6).[ 10]A. Hagar. A Philosopher Looks at Quantum Information Theory[J ]. Philosophy of Science, 2003,(4).[11 ]W. K. Wootters, w. s. Leng, Quantum Entanglement as a Quantifiable Resource[ and Discussion ][ J]. PhilosophicalTransactions: Mathematical , Physical and Engineering Sciences , Quantum Computation: Theory and Experiment.1998,( 1743 ).[12 ]赵瑞清,孙宗智.计算复杂性概论[ M ].北京:气象出版社, 1989.[责任编辑:赵强]中国煤化工YHCNM HG●12●.