來(lái)源：中國(guó)軍網(wǎng)綜合 發(fā)布：2019-02-15 02:08:28
今年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。大家注意到，評(píng)選出的唯一一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)最高獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，是由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”。何以獲得如此高獎(jiǎng)？請(qǐng)關(guān)注今日出版的《解放軍報(bào)》的詳細(xì)報(bào)道——
量子：“黑馬”出世超凡脫俗
■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(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京隆重舉行。大家注意到，評(píng)選出的唯一一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)最高獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，是由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”。
何以獲得如此高獎(jiǎng)？原因就在于，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。而量子反?；魻栃?yīng)，不依賴于強(qiáng)磁場(chǎng)，由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生，零磁場(chǎng)中就可實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，很容易應(yīng)用到日常電子器件中。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)有進(jìn)展。2013年，薛其坤院士的團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)，并在當(dāng)年美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表了這一最新研究成果。
可以說(shuō)，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(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)際又會(huì)怎樣？那就看看專家怎么說(shuō)。
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(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。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、存在最小單位時(shí)，很多物理現(xiàn)象才能解釋得通。
這一假定，在當(dāng)時(shí)物理權(quán)威界被認(rèn)為是“一種瘋狂”。物理學(xué)界有一個(gè)“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(shuō)，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(huì)覺(jué)得不可思議。水溫由80℃上升到100℃，直接跳過(guò)90℃，這同樣也會(huì)讓人覺(jué)得不可思議。
普朗克的假設(shè)動(dòng)搖了物理學(xué)界的“真理”，引發(fā)“轟動(dòng)”。他進(jìn)一步闡明，能量不可能被無(wú)限分割，一定存在于一個(gè)最小單位，保持著能量的基本特征。這個(gè)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(lái)不少物理學(xué)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(zhì)，其他物理量，如角動(dòng)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(kuò)大到了整個(gè)物理體系中，進(jìn)而構(gòu)建了量子力學(xué)以及量子計(jì)算、量子通信等等。
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)算的效率上看，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)。
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位量子位寄存器，可同時(shí)存儲(chǔ)這4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，量子信息可處于2種可能狀態(tài)的疊加，因此展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理速度而讓人刮目相看。
量子計(jì)算的概念，最早由物理學(xué)界在上世紀(jì)80年代初提出。1981年麻省理工學(xué)院在一場(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)的基本形式。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)算可在更短時(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)被提出來(lái)。而物理學(xué)家接下來(lái)所面臨的重要問(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。
超強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)
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)超現(xiàn)有任何超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。但嚴(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)，只是一臺(tái)能用一些量子力學(xué)方法解決特殊問(wèn)題的機(jī)器。執(zhí)行通用任務(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操作者重新學(xué)習(xí)。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(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)室李傳鋒教授的研究團(tuán)隊(duì)，首次研制出專用量子計(jì)算機(jī)——非局域量子模擬器，然后模擬了“宇稱-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)。
引發(fā)軍事領(lǐng)域變革
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)域里的用途前景廣闊，其必將對(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。
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，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(jìn)一步提升潛艇水下通信能力，且不易被察覺(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)跨越式提升，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，密鑰就是量子的多個(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，任何人沒(méi)有密鑰就打不開(kāi)這些信息。這項(xiàng)技術(shù)使得通信變得安全而可靠。
總之，量子作為一匹“狂奔而來(lái)的黑馬”，對(duì)以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息時(shí)代產(chǎn)生了巨大沖擊，勢(shì)將改變未來(lái)作戰(zhàn)制勝機(jī)理。量子技術(shù)將大大提升并行計(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”的重要內(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，將是大國(guó)博弈的戰(zhàn)略前沿。
專家小傳：高東廣，大校，軍事科學(xué)院戰(zhàn)爭(zhēng)研究院研究員、博士生導(dǎo)師，著有軍事專著20部，撰寫(xiě)研究報(bào)告百余份，發(fā)表學(xué)術(shù)文章百余篇，獲得獎(jiǎng)項(xiàng)60余個(gè)。
