量子科技在航空產業的應用前景

非蟲

2019年1月，空客發起了一次全球量子計算挑戰賽，邀請全球36個量子計算團隊超過800位研究人員，與該公司聯手打造航空航天領域的量子時代。這次比賽的目的在于借助量子計算解決當今世界上與飛行物理學相關的最困難和最復雜的問題，以測試和評估最新可用的計算能力，并進一步推動量子計算技術在航空航天領域落地應用。

那么，什么是量子科技？它的應用前景有多廣？

“無用之學”已大用

在普羅大眾心目中，“量子科技”是什么，很難有人說得清楚。在此不妨回顧一下量子反常霍爾效應究竟為何物?；魻枺邪５聹亍せ魻枴?9世紀七八十年代，當時的美國約翰霍普金斯大學學生埃德溫·霍爾在兩年左右的時間中完成了兩個非常重要的實驗。

在第一個實驗中，他發現，當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一個附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差。這一發現被命名為“霍爾效應”。

在第二個實驗中，埃德溫·霍爾把實驗材料換成磁性材料，他發現僅靠材料本身的磁性會產生另外一種霍爾效應，后來，此種效應被稱為反常霍爾效應。

在當年，無論是霍爾效應還是反?；魻栃?，并不受人矚目，算是一種“無用之學”。不過，上百年來，還是有不少科學家投入到相關研究中。

1980年，德國物理學家馮·克利青利用場效應晶體管的經典結構，在硅和二氧化硅界面的二維電子氣中發現了量子霍爾效應。因為這個重要的發現，他在1985年獲得了諾貝爾物理獎。

1982年，華人物理學家崔琦和同事霍斯特·路德維?！な┨啬l現了分數量子霍爾效應，他們與用理論解釋這一效應的羅伯特·勞夫林一起獲得了1998年的諾貝爾物理獎。

2005年，英國曼徹斯特的物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制備出石墨烯材料，重復了一百年前的霍爾效應實驗，在強磁場下發現了半整數的量子霍爾效應。這說明石墨烯中的準粒子是沒有靜止質量的相對論粒子，因為自然界中唯一沒有靜止質量的微粒就是光子，所以石墨烯中的電子有可能像光一樣快。因為石墨烯這樣一個重要發現，這兩位物理學家于2010年獲得了諾貝爾物理獎。

戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，將數學上的拓撲引入物理，解釋了包括整數量子霍爾效應在內的幾種物理效應，他們因在拓撲相變和拓撲物質理論上的理論性開創工作獲得了2016年諾貝爾物理獎。

中國量子科技研究近年來也取得了豐碩的成果，現任南方科技大學校長薛其坤就是其中的杰出代表之一。在2020年12月15日舉行的復旦-中植科學獎頒獎典禮上，當著名物理學家丁肇中通過視頻遠程宣讀獲獎名單，讀到薛其坤的名字時，連用兩個“very”來表達內心的高興之情。

薛其坤的靈感來源于鄧肯·霍爾丹?；魻柕ぴ?988年首先對零磁場量子霍爾效應建模，引導了這個領域的發展。2005年，賓夕法尼亞大學教授查爾斯·凱恩和著名的華人物理學家張首晟教授分別提出了拓撲絕緣體的理論，這兩位理論物理學家的工作和后續其他物理學家的工作，使得量子反?；魻栃獜囊粋€純粹的理論構想逐漸變成可以在實驗室制備的材料中實驗觀測到的效應。

薛其坤的團隊希望，在不需要任何外加磁場的情況下，只靠材料本身的磁性就能實現1881年埃德溫·霍爾提出的反常霍爾效應的量子版本，也就是量子化的反?；魻栃＝K于，依靠分子束外延生長、掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜結合的聯合系統以及極低溫下的輸運測量技術，薛其坤領銜的中國科學家團隊在2012年12月，在國際上率先觀測到沒有磁場的量子反?；魻栃?。這是我國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。

一個目前看似還沒有應用可能的科學成果，有研究的必要么？薛其坤說：“我們要關注科學研究中的無用之用，某個科學原理被提出后，它什么時候被應用，可以被應用在哪些領域，這是當時的科學家無法預測的?！彼e例說，比如觸摸屏技術，本質上就是電容和電阻的改變，幾百年前的科學家就已經發現這個原理，但是一直到今天我們大規模使用智能手機時，才被廣泛應用。集成電路的概念在1947年被提出，但是產業化也是在幾十年后。另外，愛因斯坦當年預測宇宙中有引力波，但直到100年后，幾位科學家才利用高級LIGO探測器，首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。

實際上，經過百余年發展，人類對于霍爾效應的觀察和理解取得了巨大進展?；魻栃膶嶋H應用已經成為人類社會生活中很常見之物，無論信用卡讀卡器、速度計、電流鉗等，都是利用霍爾效應發展起來的現代技術產物，它們的出現給人類的生活提供了極大的便利。

幫助飛機設計與優化

近年來，量子霍爾效應一直是物理學領域的熱點研究方向，其原因是它不僅展現了一個美妙的微觀世界的場景，而且如果未來在產業界能夠被應用，將會為人類帶來巨大福祉。

薛其坤稱，在量子反?；魻栃?，電子猶如勇往直前的戰士，它們會有序地運行，在遇到有缺陷的材料時也不會調頭，而是會繞行，就像高速公路上運行的車輛一樣。這樣的特性使得材料內部電子的運行速度變得飛快，消耗的能量會大大下降。如果這樣的材料可以用到電子元器件上，就會大大減少發熱，也可以大大節約電能。

在這個過程中，找到合適的材料是關鍵。薛其坤介紹說，通過多年的努力，他的團隊制備出有磁性的、拓撲的、絕緣的超薄膜。但是學過物理學的中學生都知道，這三種性質是互相矛盾的。磁性材料鐵、鈷、鎳是非常好的導體，不絕緣;陶瓷、玻璃等絕緣體又沒有磁性。如果要把絕緣體變得有磁性，只能在制造過程中加入很多的鐵、鈷、鎳，加少了材料依然絕緣，加多了變得有磁性后又會導電。

有說法稱：“打造這樣的材料就好比要求一個運動員既像姚明那樣高大，可以打籃球，還要像賽跑運動員一樣跑得快，像溜冰運動員一樣伶俐，像體操運動員那么精巧?！边@樣的材料在自然界中還沒有被發現，薛其坤的團隊用嚴格的元素配比在實驗室里制造出了符合這三個要求的材料。

在不少專家看來，量子科技在先進裝備制造業領域，很可能處于爆發前的一個臨界點。成立于2017年的本源量子公司，在2020年9月與建信金融科技達成戰略合作協議，推動量子計算與金融產業的協同發展。同時，該公司還發布了國產自主可控超導量子計算云平臺，并向量子計算產業落地的目標邁進。

此外，本源量子公司正在針對計算流體動力學問題進行科研攻關，以便為飛機的設計和優化提供解決方案。飛機設計的效率在很大程度上取決于飛機的整體空氣動力學形狀。本源量子的方案，將原本耗時耗力的計算流體動力學（CFD）進程，變得相對簡單得多。其使用量子計算算法或以混合量子傳統方式，進行CFD仿真，可以更快、更好地解決問題。