量子：“黑馬”出世超凡脫俗

來源：解放軍報 時間：2019-03-06 15:18:19 作者：高東廣

量子、量子傳輸與量子世界示意圖。制圖：高澤慧

　　今年1月8日，國家科學技術獎勵大會在北京隆重舉行。大家注意到，評選出的唯一一項國家自然科學最高獎一等獎，是由清華大學薛其坤院士領銜完成的“量子反?；魻栃膶嶒灠l(fā)現(xiàn)”。

　　何以獲得如此高獎？原因就在于，在凝聚態(tài)物理領域，量子霍爾效應是極為重要的研究方向。而量子反?；魻栃灰蕾囉趶姶艌?，由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生，零磁場中就可實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，很容易應用到日常電子器件中。1988年以來，不斷有物理學家提出各種方案，卻在實驗上沒有進展。2013年，薛其坤院士的團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應，并在當年美國《科學》雜志上發(fā)表了這一最新研究成果。

　　可以說，量子是研究微觀粒子世界十分重要的物理概念。大家可能會認為，量子與分子、原子、中子、電子一樣，也是組成物質的基本粒子。但實際又會怎樣？那就看看專家怎么說。

　　微觀世界里的“黑馬”

　　量子，又稱能量子。顧名思義，就是能量的最小單位。量子由何而來呢？這個重要的現(xiàn)代物理概念，是1900年由德國物理學家普朗克提出的。普朗克在研究黑體中能量發(fā)射與接收時遇到了難解之題：當使用伽利略與牛頓建立的物理體系，也就是假設能量是連續(xù)不斷傳遞時，不能解釋黑體能量輻射問題。他認為，只有假定能量在發(fā)射和吸收時，并非連續(xù)不斷，而是若干一份一份、存在最小單位時，很多物理現(xiàn)象才能解釋得通。

　　這一假定，在當時物理權威界被認為是“一種瘋狂”。物理學界有一個“真理”：能量是連續(xù)不間斷傳播的。如同火車沿直線由北京經(jīng)保定到石家莊，如果有人說，火車從北京行駛到石家莊，卻不經(jīng)兩站之間的保定站，那么大家一定會覺得不可思議。水溫由80℃上升到100℃，直接跳過90℃，這同樣也會讓人覺得不可思議。

　　普朗克的假設動搖了物理學界的“真理”，引發(fā)“轟動”。他進一步闡明，能量不可能被無限分割，一定存在于一個最小單位，保持著能量的基本特征。這個最小單位就是能量子，即量子。絕不存在部分或二分之一的量子，它只能是整數(shù)倍的方式存在。

　　量子最早的概念，單指最小單位的能量。后來不少物理學家發(fā)現(xiàn)，不單單能量可以表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質，其他物理量，如角動量、自旋、電荷等都可表現(xiàn)出量子化特征。于是，量子的范圍又被擴大到了整個物理體系中，進而構建了量子力學以及量子計算、量子通信等等。

　　量子計算異乎尋常

　　量子計算，是指按照量子力學規(guī)律掌控量子信息單元進行計算的全新計算模式。相比傳統(tǒng)計算機，量子計算機從理論上講,其模型是用量子力學規(guī)律重新詮釋的計算機的極限計算能力——通用圖靈機。從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統(tǒng)計算機所能解決的問題。但是從計算的效率上看，由于量子力學疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時，速度要遠遠高于傳統(tǒng)計算機。

　　普通計算機中的2位寄存器，在某一時間僅能存儲4個二進制數(shù)（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機中的2位量子位寄存器，可同時存儲這4種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特數(shù)目的增加，對于n個量子比特而言，量子信息可處于2種可能狀態(tài)的疊加，因此展現(xiàn)出遠超傳統(tǒng)計算機的處理速度而讓人刮目相看。

　　量子計算的概念，最早由物理學界在上世紀80年代初提出。1981年麻省理工學院在一場量子學術活動中，提出以量子現(xiàn)象實現(xiàn)計算的設想。1985年，牛津大學科學家們提出量子圖靈機的概念，量子計算才開始具備了數(shù)學的基本形式。1994年，貝爾實驗室的研究人員認為，相對于傳統(tǒng)電子計算器，利用量子計算可在更短時間內，將一個很大的整數(shù)分解成質因子的乘積。自此之后，新的量子算法陸續(xù)被提出來。而物理學家接下來所面臨的重要問題，就是如何去建造一部真正的量子計算機，來執(zhí)行這些量子算法。

　　超強的量子計算機

　　加拿大量子計算公司D-Wave，于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”。理論上運算速度遠超現(xiàn)有任何超級電子計算機。但嚴格來說，這還算不上真正意義的通用量子計算機，只是一臺能用一些量子力學方法解決特殊問題的機器。執(zhí)行通用任務方面還遠不是傳統(tǒng)硅處理器的對手，而且編程方面也需要操作者重新學習。2017年1月，這家公司又推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統(tǒng)可用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡安全、機器學習和采樣等問題。對于一些基準問題測試，如最優(yōu)化問題和基于機器學習的采樣問題，超過當前通常計算機的算法數(shù)千或上萬倍。

　　中國科技大學的量子信息重點實驗室李傳鋒教授的研究團隊，首次研制出專用量子計算機——非局域量子模擬器，然后模擬了“宇稱-時間”世界中的超光速現(xiàn)象。這一實驗，展示出非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。這表明，自然界本質上是遵循量子力學的，只有用遵循量子力學的裝置，才能更好地模擬它。這個力學裝置就是量子模擬器。目前，量子模擬器研究中，人們更多關注的是它的量子加速能力。通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數(shù)越多，它的運算能力就越強。

　　引發(fā)軍事領域變革

　　從目前世界主要軍事強國研究量子的最新成果看，量子技術不但在國家經(jīng)濟、科技領域里大有可為，而且在軍事領域里的用途前景廣闊，其必將對國家軍事戰(zhàn)略體系和戰(zhàn)略能力產(chǎn)生顛覆性影響。

　　衛(wèi)星量子通信因其安全級別極高，并克服了無線電通信的一些缺陷，極大提高了通信穩(wěn)定性、可靠性。特別是深海水下通信效果更好，能進一步提升潛艇水下通信能力，且不易被察覺。量子通信技術使得指揮和控制能力大大提升。一套完善的天基量子通信系統(tǒng)，將使遠距離戰(zhàn)場通信能力實現(xiàn)跨越式提升，而其信息被攔截幾率很小。

　　量子通信還有一個超常優(yōu)勢，就是較好地解決了“信息安全問題”。根據(jù)量子疊加原理，密鑰就是量子的多個分身，一旦被敵方竊聽或被測量，其他分身就會隨機消失。假如這把鑰匙被廢掉，那就再寄送一把，直到確保收信方拿到密鑰。此時，發(fā)出的任何量子信息都是非常安全的，任何人沒有密鑰就打不開這些信息。這項技術使得通信變得安全而可靠。

　　總之，量子作為一匹“狂奔而來的黑馬”，對以電子技術為基礎的信息時代產(chǎn)生了巨大沖擊，勢將改變未來作戰(zhàn)制勝機理。量子技術將大大提升并行計算、通信安全、高精度導航、抗干擾成像等能力，其軍事應用極有可能催生全新的戰(zhàn)略能力及作戰(zhàn)指揮體系。美國把量子技術作為“第三次抵消戰(zhàn)略”的重要內容，俄、英、法、日等國把量子技術作為應對新興領域挑戰(zhàn)的尖端技術。很顯然，量子技術的研發(fā)應用，將是大國博弈的戰(zhàn)略前沿。

　　專家小傳：高東廣，大校，軍事科學院戰(zhàn)爭研究院研究員、博士生導師，著有軍事專著20部，撰寫研究報告百余份，發(fā)表學術文章百余篇，獲得獎項60余個。（高東廣）

責任編輯：李蘭松