量子︰“黑馬”出世超凡脫俗

來源︰解放軍報作者︰高東廣責任編輯︰焦國慶2019-02-15 08:27

摘要︰量子技術不但在國家經濟、科技領域里大有可為,而且在軍事領域里的用途前景廣闊。

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,國家科學技術獎勵大會在北京隆重舉行。大家注意到,評選出的唯一一項國家自然科學最高獎一等獎,是由清華大學薛其坤院士領銜完成的“量子反常霍爾效應的實驗發現”。

何以獲得如此高獎?原因就在于,在凝聚態物理領域,量子霍爾效應是極為重要的研究方向。而量子反常霍爾效應,不依賴于強磁場,由材料本身的自發磁化產生,零磁場中就可實現量子霍爾態,很容易應用到日常電子器件中。1988年以來,不斷有物理學家提出各種方案,卻在實驗上沒有進展。2013年,薛其坤院士的團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應,並在當年美國《科學》雜志上發表了這一最新研究成果。

可以說,量子是研究微觀粒子世界十分重要的物理概念。大家可能會認為,量子與分子、原子、中子、電子一樣,也是組成物質的基本粒子。但實際又會怎樣?那就看看專家怎麼說。

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。量子由何而來呢?這個重要的現代物理概念,是1900年由德國物理學家普朗克提出的。普朗克在研究黑體中能量發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,也就是假設能量是連續不斷傳遞時,不能解釋黑體能量輻射問題。他認為,只有假定能量在發射和吸收時,並非連續不斷,而是若干一份一份、存在最小單位時,很多物理現象才能解釋得通。

這一假定,在當時物理權威界被認為是“一種瘋狂”。物理學界有一個“真理”︰能量是連續不間斷傳播的。如同火車沿直線由北京經保定到石家莊,如果有人說,火車從北京行駛到石家莊,卻不經兩站之間的保定站,那麼大家一定會覺得不可思議。水溫由80℃上升到100℃,直接跳過90℃,這同樣也會讓人覺得不可思議。

普朗克的假設動搖了物理學界的“真理”,引發“轟動”。他進一步闡明,能量不可能被無限分割,一定存在于一個最小單位,保持著能量的基本特征。這個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,它只能是整數倍的方式存在。

量子最早的概念,單指最小單位的能量。後來不少物理學家發現,不單單能量可以表現出這種不連續的分離化性質,其他物理量,如角動量、自旋、電荷等都可表現出量子化特征。于是,量子的範圍又被擴大到了整個物理體系中,進而構建了量子力學以及量子計算、量子通信等等。

量子計算異乎尋常

量子計算,是指按照量子力學規律掌控量子信息單元進行計算的全新計算模式。相比傳統計算機,量子計算機從理論上講,其模型是用量子力學規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計算機所能解決的問題。但是從計算的效率上看,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計算機。

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(00、01、10、11)中的一個。而量子計算機中的2位量子位寄存器,可同時存儲這4種狀態的疊加狀態。隨著量子比特數目的增加,對于n個量子比特而言,量子信息可處于2種可能狀態的疊加,因此展現出遠超傳統計算機的處理速度而讓人刮目相看。

量子計算的概念,最早由物理學界在上世紀80年代初提出。1981年麻省理工學院在一場量子學術活動中,提出以量子現象實現計算的設想。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學的基本形式。1994年,貝爾實驗室的研究人員認為,相對于傳統電子計算器,利用量子計算可在更短時間內,將一個很大的整數分解成質因子的乘積。自此之後,新的量子算法陸續被提出來。而物理學家接下來所面臨的重要問題,就是如何去建造一部真正的量子計算機,來執行這些量子算法。

超強的量子計算機

加拿大量子計算公司D-Wave,于2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”。理論上運算速度遠超現有任何超級電子計算機。但嚴格來說,這還算不上真正意義的通用量子計算機,只是一台能用一些量子力學方法解決特殊問題的機器。執行通用任務方面還遠不是傳統 處理器的對手,而且編程方面也需要操作者重新學習。2017年1月,這家公司又推出D-Wave 2000Q,他們聲稱該系統可用于求解最優化、網絡安全、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的研究團隊,首次研制出專用量子計算機——非局域量子模擬器,然後模擬了“宇稱-時間”世界中的超光速現象。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越多,它的運算能力就越強。

引發軍事領域變革

從目前世界主要軍事強國研究量子的最新成果看,量子技術不但在國家經濟、科技領域里大有可為,而且在軍事領域里的用途前景廣闊,其必將對國家軍事戰略體系和戰略能力產生顛覆性影響。

衛星量子通信因其安全級別極高,並克服了無線電通信的一些缺陷,極大提高了通信穩定性、可靠性。特別是深海水下通信效果更好,能進一步提升潛艇水下通信能力,且不易被察覺。量子通信技術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,將使遠距離戰場通信能力實現跨越式提升,而其信息被攔截幾率很小。

量子通信還有一個超常優勢,就是較好地解決了“信息安全問題”。根據量子疊加原理,密鑰就是量子的多個分身,一旦被敵方竊听或被測量,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,發出的任何量子信息都是非常安全的,任何人沒有密鑰就打不開這些信息。這項技術使得通信變得安全而可靠。

總之,量子作為一匹“狂奔而來的黑馬”,對以電子技術為基礎的信息時代產生了巨大沖擊,勢將改變未來作戰制勝機理。量子技術將大大提升並行計算、通信安全、高精度導航、抗干擾成像等能力,其軍事應用極有可能催生全新的戰略能力及作戰指揮體系。美國把量子技術作為“第三次抵消戰略”的重要內容,俄、英、法、日等國把量子技術作為應對新興領域挑戰的尖端技術。很顯然,量子技術的研發應用,將是大國博弈的戰略前沿。

專家小傳︰高東廣,大校,軍事科學院戰爭研究院研究員、博士生導師,著有軍事專著20部,撰寫研究報告百余份,發表學術文章百余篇,獲得獎項60余個。

 

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