生命沿著量子空間悠然前行——記優秀青年女科學家彭新華

文/沈春蕾

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生命沿著量子空間悠然前行——記優秀青年女科學家彭新華

文/沈春蕾

她鉆研量子計算，寄情比云計算更厲害的未來量子計算機，連續保持了量子計算分解質因數最大數的世界紀錄。她就是中國科學技術大學（下稱“中科大”）物理學院近代物理系教授彭新華。

選擇物理

從16歲參加高考義無反顧地選擇物理到現在，彭新華非常慶幸自己的堅持。“我現在從事的量子物理研究是一門尖端科學，能在這個領域工作我感到很幸運，為此我始終對其充滿濃厚的興趣。”彭新華說。

對未知的一切保持興趣并不斷探索，不僅是驅使彭新華探究量子計算奧秘的原生動力，更是這位女科學家對科學之美的獨到見解。

2008年，年僅30歲的彭新華通過中科院“百人計劃”，從德國回國擔任中科大教授。“我在德國時認識了中科大的杜江峰教授，當時他跟我介紹了很多國內科研情況，同時極力鼓勵我申請‘百人計劃’，因此我就選擇了中科大。”

“我的研究領域始終是由男性主導，他們之間暢通無阻的交流更有利于爭取機遇、創造成果。”彭新華深知在自己的研究領域女性確實不占優勢，“但科研不能急功近利，要穩扎穩打。”

選擇物理，求學德國，結緣中科大，一路走來，年輕的女物理學家彭新華不負眾望，成為量子計算分解質因數最大數的世界紀錄保持者。

鐘情量子

當下，云計算、大數據等新概念很是火熱，在芯片制造工藝不斷逼近物理極限的當下，一旦摩爾定律失效，我們靠什么支撐計算無處不在的未來？

對于這個問題，微軟、谷歌、英特爾，甚至阿里巴巴的看法竟都出奇地一致——量子計算。

在即將到來的量子時代，量子革命可以創造一切——電動客機、《星際迷航》中的醫學傳感器甚至是隱形斗篷。從傳統的角度看量子理論描述的世界很夸張，但幾乎每個事物都是以量子物理學為基礎——各種物質都是量子粒子的集合，而光、電和磁也都是量子現象。甚至Facebook創始人馬克·扎克伯格給他初降人世的小寶寶看的第一本書就是《量子物理學》。

彭新華主要從事磁共振自旋體系量子計算與量子信息處理的實驗研究工作，研究方向涉及量子態制備、量子算法、量子模擬以及量子測量等量子計算的實驗研究。

經過刻苦鉆研，彭新華所帶領的科研團隊取得了一系列世界矚目的成就：在國際上首次成功實現探測虛磁場中絕熱模擬量子方針的實驗研究，直接觀察到了統計物理中至今被認為理論的非物理的李—楊零點；提出了新的確定性地、有效地解決無平方因子整數分解經典難題的Gauss sum量子算法；完成了整數“21”和“143”的量子絕熱分解；通過演示一系列重要的量子算法，驗證了量子計算的有效性和可行性。

這些發現不僅意味著科學家將探測到以往不能探測的隱藏參數，更是為研究復雜體中的物理現象提供了全新的實驗方法和可能，對理論物理的研究意義重大。

滿懷信心

盡管目前量子物理研究仍處于起步階段，但彭新華對于它的前景充滿信心。“量子計算相比傳統計算有著十分顯著的優勢，一旦量子計算機發明成功，它將給未來世界帶來顛覆性的改變。”

彭新華解釋，量子計算的奧妙就在于傳統計算機只能用“開”和“關”兩種狀態來控制電流，而量子計算機則具備“開”和“關”同時存在的“疊加態”。經典計算只能依次運算，而量子計算則能同時嘗試所有可能的解。后者的計算能力相比前者能有指數倍數的增長，可以完成一些經典計算無法完成的任務。

如今，全球各地的頂尖科研實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。然而迄今為止，世界上真正意義上的量子計算機（谷歌剛宣稱推出了一臺名為D-Wave的量子計算機）還“有待觀察”。

如何實現量子計算機，方案并不少，但如何在實驗中完成對微觀量子態的操縱簡直難于登天。“已被提出的方法主要有光子、空腔量子電動力學、離子阱、超導、量子點以及核磁共振等。”彭新華指出，“我們的研究主要是基于磁共振技術，這無疑是目前發展最快、成果最多的方案之一。”

當下，大數質因子分解已廣泛應用于電子銀行、網絡領域的RSA公鑰加密算法的安全性基礎，它基于一個十分簡單的數論事實：將兩個大素數相乘十分容易，但是想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。

1994年，全世界范圍內同時使用了1600個工作站、耗時8個月時間才完成了129位數的分解。如果要用同樣的計算能力來分解250位數則要耗時80萬年，這簡直如同愚公移山。與之相較，量子計算機采用Shor算法則可以在1秒鐘之內實現1000位數的因子分解，也就是說，在量子計算機面前，現有的RSA加密算法將無密可保。

“量子計算速度會有數十億倍的提高，這種計算能力的飛躍，將遠遠超越從算盤到當代超級計算機的飛躍。試想一下，利用萬億次傳統計算機分解300位的整數需要150萬年，而量子計算機則只要1秒鐘即可解決。”彭新華激動地說，“毋庸置疑，量子計算機的出現將對大數據產生革命性的影響。”※

人物檔案：

彭新華，女，1978年6月生，湖南湘陰縣人。1994年考入湖南師范大學物理系，2003年獲得中科院武漢物理與數學研究所博士學位。2003年8月至2005年8月作為洪堡學者在德國多特蒙德大學從事合作研究，之后繼續在德國從事科學研究。2008年4月被中國科學技術大學“百人計劃”引進，同時聘為教授、博士生導師。

2015年12月22日，彭新華獲第十二屆“中國青年女科學家獎”。該獎由全國婦聯、中國科協、中國聯合國科教文組織全國委員會于2004年聯合設立，每年評選10位在基礎科學領域和生命科學領域取得重大科技成果的、45歲以下的優秀青年女科學家。