量子

原溱 高東廣

2019年1月8日，國家科學技術(shù)獎勵大會在北京隆重舉行，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平出席并為最高獎獲得者頒獎，之后與大家合影留念。大家注意到，今年評選出國家自然科學最高獎一等獎1項，是由薛其坤院士團隊完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”。

“量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”何以獲得如此高的獎項？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)，它不依賴于強磁場而由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生。在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，很容易應(yīng)用到日常的電子器件中。上個世紀1988年以來，不斷有物理學家提出各種方案，卻在實驗上沒有取得進展。2013年，由清華大學薛其坤院士主持，清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)。美國《科學》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中十分重要的物理概念。說起量子，大家會認為：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，但實際上量子與分子、原子等微觀粒子不是一個概念，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。1900年，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(shè)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、存在最小單位的時候，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。這一假定在當時物理權(quán)威界被認為是“一種瘋狂”。眾所周知，能量是連續(xù)而不間斷的傳播，成為物理學界的一個“真理”。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，但卻不經(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度上升到100度，但是卻直接跳過了90度，這同樣也會讓人覺得不可思議。能量連續(xù)不斷傳遞是物理學的定論，也是基本常識。但普朗克的假設(shè)使物理學界的基本定律產(chǎn)生了動搖，立即在物理學界引發(fā)“轟動”。

普朗克認為能量的傳遞分為有限的一份一份的、一定有一個最小的單位，能量不可能被無限分割，能量一定存在一個最小單位，這個最小單位保持著能量的基本特征。這個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，那么量子這個最小單位，又稱普朗克常數(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，后來不少物理學家又發(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大到了整個物理體系中，進而構(gòu)建了量子力學，以及量子探測、量子通信、量子計算等等。

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，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。

量子力學態(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（qubit）寄存器可同時存儲這四種狀態(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，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學演化的并行性，可以展現(xiàn)遠超傳統(tǒng)計算機的處理速度。

量子位是量子計算的理論基石。一般而言，在傳統(tǒng)計算機中，信息單元用二進制的 1 個位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài)，在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)。

量子計算的概念最早由物理學界上個世紀80年代初期提出。1981年麻省理工學院則在一場量子學術(shù)活動中提出以量子現(xiàn)象實現(xiàn)計算的設(shè)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)學的基本型式。然而上述的量子計算研究多半局限于探討計算的物理本質(zhì)，還停留在相當抽象的層次，尚未跨入發(fā)展算法的階段。

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，利用量子計算可以在更短的時間內(nèi)將一個很大的整數(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，而物理學家接下來所面臨的重要的問題，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。

量子計算機：超強的優(yōu)化、模擬、安全高手

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”。理論上運算速度遠遠超越現(xiàn)有任何超級電子計算機。不過嚴格來說這還算不上真正意義的通用量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決特殊問題的機器。通用任務(wù)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重新學習。2017年1月，D-Wave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(luò)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研究團隊首次研制出非局域量子模擬器，并且模擬了“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(zhì)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(guān)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。

2018年10月12日，我國華為公司公布了在量子計算領(lǐng)域的最新進展：量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺問世，平臺包括HiQ量子計算模擬器與基于模擬器開發(fā)的HiQ量子編程框架兩個部分，這是這家公司在量子計算基礎(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國研究量子的最新成果看，量子技術(shù)不但在國家經(jīng)濟、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。各國已經(jīng)把量子技術(shù)作為國家戰(zhàn)略前沿技術(shù)，加緊投入和研發(fā)步伐。量子技術(shù)作為一項顛覆性技術(shù)，在軍事領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用，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，成為未來信息化戰(zhàn)爭取得主動權(quán)的“殺手锏”。

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，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，能進一步提高潛艇水下通信能力，不易被察覺。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)將使遠距離戰(zhàn)場通信能力實現(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，秘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，任何人只要沒有密鑰就打不開這些信息。這就是絕對安全的量子密碼技術(shù)，這項技術(shù)使得通信變得安全而可靠。

量子級聯(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串接組成（通常大于500層）而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。量子級聯(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，開創(chuàng)了中遠紅外半導(dǎo)體激光的新領(lǐng)域，在紅外對抗、毒品和爆炸物檢測、環(huán)境污染監(jiān)測、太赫茲成像等方向有著廣泛的應(yīng)用前景。這為量子探測、量子成像技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前，我國科學家已經(jīng)研制出5至8微米波段半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器，從而使我國進入了掌握此類激光器研制技術(shù)的國家行列。

總之，量子技術(shù)的快速發(fā)展，對以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息時代產(chǎn)生巨大沖擊，勢將改變未來作戰(zhàn)制勝機理。量子技術(shù)將大大提高并行計算、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、日等國把量子技術(shù)作為應(yīng)對新興領(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)用將會是大國博弈的戰(zhàn)略前沿。