量子

原溱 高東廣

2019年1月8日，國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京隆重舉行，中共中央總書(shū)記、國(guó)家主席、中央軍委主席習(xí)近平出席并為最高獎(jiǎng)獲得者頒獎(jiǎng)，之后與大家合影留念。大家注意到，今年評(píng)選出國(guó)家自然科學(xué)最高獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，是由薛其坤院士團(tuán)隊(duì)完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”。

“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”何以獲得如此高的獎(jiǎng)項(xiàng)？在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，量子霍爾效應(yīng)是極為重要的研究方向。量子反?；魻栃?yīng)不同于量子霍爾效應(yīng)，它不依賴于強(qiáng)磁場(chǎng)而由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生。在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，很容易應(yīng)用到日常的電子器件中。上個(gè)世紀(jì)1988年以來(lái)，不斷有物理學(xué)家提出各種方案，卻在實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有取得進(jìn)展。2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士主持，清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。美國(guó)《科學(xué)》雜志于2013年3月14日發(fā)表了這一最新研究成果。

量子是研究微觀粒子世界的量子力學(xué)中十分重要的物理概念。說(shuō)起量子，大家會(huì)認(rèn)為：量子與分子、原子、中子、電子一樣，也是組成物質(zhì)的基本粒子，但實(shí)際上量子與分子、原子等微觀粒子不是一個(gè)概念，微觀世界中的量子是何物？

量子——微觀世界的“黑馬”

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

普朗克假定的能量必須是一份一份、并存在最小單位。這一假定在當(dāng)時(shí)物理權(quán)威界被認(rèn)為是“一種瘋狂”。眾所周知，能量是連續(xù)而不間斷的傳播，成為物理學(xué)界的一個(gè)“真理”。如同，火車(chē)沿直線由北京經(jīng)保定到石家莊，如果有人說(shuō)：火車(chē)從北京行駛到石家莊，但卻不經(jīng)兩站之間的保定站，那么大家一定會(huì)覺(jué)得不可思議。

水溫由80度上升到100度，但是卻直接跳過(guò)了90度，這同樣也會(huì)讓人覺(jué)得不可思議。能量連續(xù)不斷傳遞是物理學(xué)的定論，也是基本常識(shí)。但普朗克的假設(shè)使物理學(xué)界的基本定律產(chǎn)生了動(dòng)搖，立即在物理學(xué)界引發(fā)“轟動(dòng)”。

普朗克認(rèn)為能量的傳遞分為有限的一份一份的、一定有一個(gè)最小的單位，能量不可能被無(wú)限分割，能量一定存在一個(gè)最小單位，這個(gè)最小單位保持著能量的基本特征。這個(gè)不能被分割的能量的最小單位就是能量子，也就是量子。絕不存在部分或二分之一的量子，量子只能是整數(shù)倍的方式存在，那么量子這個(gè)最小單位，又稱(chēng)普朗克常數(shù)，這其中，能量單位為J（即：焦耳）。

量子最早的概念是指最小單位的能量，后來(lái)不少物理學(xué)家又發(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(zhì)，其他物理量例如角動(dòng)量、自旋、電荷等都可以表現(xiàn)出量子化特征，于是量子的范圍又被擴(kuò)大到了整個(gè)物理體系中，進(jìn)而構(gòu)建了量子力學(xué)，以及量子探測(cè)、量子通信、量子計(jì)算等等。

量子計(jì)算——異乎尋常

量子計(jì)算是指按照量子力學(xué)規(guī)律掌控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的全新計(jì)算模式。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)從理論上講其模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的計(jì)算機(jī)的極限計(jì)算能力——通用圖靈機(jī)。從可計(jì)算的問(wèn)題來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問(wèn)題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問(wèn)題時(shí)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，對(duì)于n個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理速度。

量子位是量子計(jì)算的理論基石。一般而言，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個(gè)位來(lái)表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài)，在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱(chēng)為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)。

量子計(jì)算的概念最早由物理學(xué)界上個(gè)世紀(jì)80年代初期提出。1981年麻省理工學(xué)院則在一場(chǎng)量子學(xué)術(shù)活動(dòng)中提出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計(jì)算的設(shè)想。1985年，牛津大學(xué)科學(xué)家們提出量子圖靈機(jī)的概念，量子計(jì)算才開(kāi)始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計(jì)算研究多半局限于探討計(jì)算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未跨入發(fā)展算法的階段。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為，相對(duì)于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來(lái)，而物理學(xué)家接下來(lái)所面臨的重要的問(wèn)題，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算機(jī)，來(lái)執(zhí)行這些量子算法。

量子計(jì)算機(jī)：超強(qiáng)的優(yōu)化、模擬、安全高手

加拿大量子計(jì)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(jì)算機(jī)“D-Wave One”。理論上運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有任何超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。不過(guò)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這還算不上真正意義的通用量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決特殊問(wèn)題的機(jī)器。通用任務(wù)方面還遠(yuǎn)不是傳統(tǒng)硅處理器的對(duì)手，而且編程方面也需要重新學(xué)習(xí)。2017年1月，D-Wave公司又推出D-Wave 2000Q，他們聲稱(chēng)該系統(tǒng)可用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)和采樣等問(wèn)題。對(duì)于一些基準(zhǔn)問(wèn)題測(cè)試，如最優(yōu)化問(wèn)題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的采樣問(wèn)題，超過(guò)當(dāng)前通常計(jì)算機(jī)的算法數(shù)千或上萬(wàn)倍。

中國(guó)科技大學(xué)的量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授研究團(tuán)隊(duì)首次研制出非局域量子模擬器，并且模擬了“宇稱(chēng)—時(shí)間”世界中的超光速現(xiàn)象。這一實(shí)驗(yàn)展示出非局域量子模擬器在研究量子物理問(wèn)題中的重要作用。這表明，自然界本質(zhì)上是遵循量子力學(xué)的，只有用遵循量子力學(xué)的裝置，才能更好地模擬它，這個(gè)力學(xué)裝置就是量子模擬器。目前量子模擬器研究中，人們更多關(guān)注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個(gè)量子模擬器所操控的量子比特?cái)?shù)越多，它的運(yùn)算能力就越強(qiáng)。

2018年10月12日，我國(guó)華為公司公布了在量子計(jì)算領(lǐng)域的最新進(jìn)展：量子計(jì)算模擬器HiQ云服務(wù)平臺(tái)問(wèn)世，平臺(tái)包括HiQ量子計(jì)算模擬器與基于模擬器開(kāi)發(fā)的HiQ量子編程框架兩個(gè)部分，這是這家公司在量子計(jì)算基礎(chǔ)研究層面邁出的重要一步。

量子應(yīng)用——引發(fā)軍事領(lǐng)域顛覆性變革

從目前世界主要軍事強(qiáng)國(guó)研究量子的最新成果看，量子技術(shù)不但在國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技領(lǐng)域里大有可為，而且在軍事領(lǐng)域里用途前景廣闊。各國(guó)已經(jīng)把量子技術(shù)作為國(guó)家戰(zhàn)略前沿技術(shù)，加緊投入和研發(fā)步伐。量子技術(shù)作為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，在軍事領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用，將對(duì)國(guó)家軍事戰(zhàn)略體系和戰(zhàn)略能力產(chǎn)生顛覆性影響，成為未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)取得主動(dòng)權(quán)的“殺手锏”。

衛(wèi)星量子通信因其安全級(jí)別極高，并克服了無(wú)線電通信的一些缺陷，使通信穩(wěn)定性、可靠性極大提高。特別是深海水下通信效果更好，能進(jìn)一步提高潛艇水下通信能力，不易被察覺(jué)。量子通信技術(shù)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(yuǎn)距離戰(zhàn)場(chǎng)通信能力實(shí)現(xiàn)跨越性提升，而其信息被攔截幾率很小。

量子通信還有一個(gè)超常優(yōu)勢(shì)，就是較好地解決了“信息安全問(wèn)題”。根據(jù)量子疊加原理，秘鑰就是量子的多個(gè)分身，一旦被敵方竊聽(tīng)或被測(cè)量，其他分身就會(huì)隨機(jī)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(shí)，發(fā)出的任何量子信息都是非常安全的，任何人只要沒(méi)有密鑰就打不開(kāi)這些信息。這就是絕對(duì)安全的量子密碼技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)使得通信變得安全而可靠。

量子級(jí)聯(lián)激光器是一種基于量子帶間電子躍遷的中紅外波段單極光源，其工作原理與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級(jí)厚度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)，在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級(jí)串接組成（通常大于500層）而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域里程碑式的發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)了中遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光的新領(lǐng)域，在紅外對(duì)抗、毒品和爆炸物檢測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、太赫茲成像等方向有著廣泛的應(yīng)用前景。這為量子探測(cè)、量子成像技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)研制出5至8微米波段半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器，從而使我國(guó)進(jìn)入了掌握此類(lèi)激光器研制技術(shù)的國(guó)家行列。

總之，量子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息時(shí)代產(chǎn)生巨大沖擊，勢(shì)將改變未來(lái)作戰(zhàn)制勝機(jī)理。量子技術(shù)將大大提高并行計(jì)算、通信安全、高精度導(dǎo)航、抗干擾成像等能力，其軍事應(yīng)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(guó)把量子技術(shù)作為“第三次抵消戰(zhàn)略”重要內(nèi)容，俄、英、法、日等國(guó)把量子技術(shù)作為應(yīng)對(duì)新興領(lǐng)域挑戰(zhàn)的尖端技術(shù)。很顯然，量子技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用將會(huì)是大國(guó)博弈的戰(zhàn)略前沿。