量子

原溱 高东广

2019年1月8日，国家科学技术奖励大会在北京隆重举行，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席并为最高奖获得者颁奖，之后与大家合影留念。大家注意到，今年评选出国家自然科学最高奖一等奖1项，是由薛其坤院士团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”。

“量子反常霍尔效应的实验发现”何以获得如此高的奖项？在凝聚态物理领域，量子霍尔效应是极为重要的研究方向。量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，很容易应用到日常的电子器件中。上个世纪1988年以来，不断有物理学家提出各种方案，却在实验上没有取得进展。2013年，由清华大学薛其坤院士主持，清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。美国《科学》杂志于2013年3月14日发表了这一最新研究成果。

量子是研究微观粒子世界的量子力学中十分重要的物理概念。说起量子，大家会认为：量子与分子、原子、中子、电子一样，也是组成物质的基本粒子，但实际上量子与分子、原子等微观粒子不是一个概念，微观世界中的量子是何物？

量子——微观世界的“黑马”

量子，又称能量子。顾名思义，就是能量的最小单位。量子由何而来呢？这个重要的现代物理概念，是1900年由德国物理学家普朗克提出的。1900年，普朗克在研究黑体中能量发射与接收时遇到了难解之题：当使用伽利略与牛顿建立的物理体系，也就是假设能量是连续不断传递时，不能解释黑体能量辐射问题。他认为只有假定：能量在发射和吸收时，并非连续不断，而是若干一份一份、存在最小单位的时候，很多物理现象才能解释得通。

普朗克假定的能量必须是一份一份、并存在最小单位。这一假定在当时物理权威界被认为是“一种疯狂”。众所周知，能量是连续而不间断的传播，成为物理学界的一个“真理”。如同，火车沿直线由北京经保定到石家庄，如果有人说：火车从北京行驶到石家庄，但却不经两站之间的保定站，那么大家一定会觉得不可思议。

水温由80度上升到100度，但是却直接跳过了90度，这同样也会让人觉得不可思议。能量连续不断传递是物理学的定论，也是基本常识。但普朗克的假设使物理学界的基本定律产生了动摇，立即在物理学界引发“轰动”。

普朗克认为能量的传递分为有限的一份一份的、一定有一个最小的单位，能量不可能被无限分割，能量一定存在一个最小单位，这个最小单位保持着能量的基本特征。这个不能被分割的能量的最小单位就是能量子，也就是量子。绝不存在部分或二分之一的量子，量子只能是整数倍的方式存在，那么量子这个最小单位，又称普朗克常数，这其中，能量单位为J（即：焦耳）。

量子最早的概念是指最小单位的能量，后来不少物理学家又发现，不单单能量可以表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量例如角动量、自旋、电荷等都可以表现出量子化特征，于是量子的范围又被扩大到了整个物理体系中，进而构建了量子力学，以及量子探测、量子通信、量子计算等等。

量子计算——异乎寻常

量子计算是指按照量子力学规律掌控量子信息单元进行计算的全新计算模式。相比传统计算机，量子计算机从理论上讲其模型是用量子力学规律重新诠释的计算机的极限计算能力——通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要远远高于传统计算机。

量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以處于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现远超传统计算机的处理速度。

量子位是量子计算的理论基石。一般而言，在传统计算机中，信息单元用二进制的 1 个位来表示，它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态，在二进制量子计算机中，信息单元称为量子位，它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外，还可处于叠加态。

量子计算的概念最早由物理学界上个世纪80年代初期提出。1981年麻省理工学院则在一场量子学术活动中提出以量子现象实现计算的设想。1985年，牛津大学科学家们提出量子图灵机的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未跨入发展算法的阶段。

1994年，贝尔实验室的研究人员认为，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。自此之后，新的量子算法陆续的被提出来，而物理学家接下来所面临的重要的问题，就是如何去建造一部真正的量子计算机，来执行这些量子算法。

量子计算机：超强的优化、模拟、安全高手

加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”。理论上运算速度远远超越现有任何超级电子计算机。不过严格来说这还算不上真正意义的通用量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。2017年1月，D-Wave公司又推出D-Wave 2000Q，他们声称该系统可用于求解最优化、网络安全、机器学习和采样等问题。对于一些基准问题测试，如最优化问题和基于机器学习的采样问题，超过当前通常计算机的算法数千或上万倍。

中国科技大学的量子信息重点实验室李传锋教授研究团队首次研制出非局域量子模拟器，并且模拟了“宇称—时间”世界中的超光速现象。这一实验展示出非局域量子模拟器在研究量子物理问题中的重要作用。这表明，自然界本质上是遵循量子力学的，只有用遵循量子力学的装置，才能更好地模拟它，这个力学装置就是量子模拟器。目前量子模拟器研究中，人们更多关注的是它的量子加速能力，通常情况下，一个量子模拟器所操控的量子比特数越多，它的运算能力就越强。

2018年10月12日，我国华为公司公布了在量子计算领域的最新进展：量子计算模拟器HiQ云服务平台问世，平台包括HiQ量子计算模拟器与基于模拟器开发的HiQ量子编程框架两个部分，这是这家公司在量子计算基础研究层面迈出的重要一步。

量子应用——引发军事领域颠覆性变革

从目前世界主要军事强国研究量子的最新成果看，量子技术不但在国家经济、科技领域里大有可为，而且在军事领域里用途前景广阔。各国已经把量子技术作为国家战略前沿技术，加紧投入和研发步伐。量子技术作为一项颠覆性技术，在军事领域里的广泛应用，将对国家军事战略体系和战略能力产生颠覆性影响，成为未来信息化战争取得主动权的“杀手锏”。

衛星量子通信因其安全级别极高，并克服了无线电通信的一些缺陷，使通信稳定性、可靠性极大提高。特别是深海水下通信效果更好，能进一步提高潜艇水下通信能力，不易被察觉。量子通信技术使得指挥和控制能力大大提升。一套完善的天基量子通信系统将使远距离战场通信能力实现跨越性提升，而其信息被拦截几率很小。

量子通信还有一个超常优势，就是较好地解决了“信息安全问题”。根据量子叠加原理，秘钥就是量子的多个分身，一旦被敌方窃听或被测量，其他分身就会随机消失。假如这把钥匙被废掉，那就再寄送一把，直到确保收信方拿到密钥。此时，发出的任何量子信息都是非常安全的，任何人只要没有密钥就打不开这些信息。这就是绝对安全的量子密码技术，这项技术使得通信变得安全而可靠。

量子级联激光器是一种基于量子带间电子跃迁的中红外波段单极光源，其工作原理与通常的半导体激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成（通常大于500层）而实现单电子注入的多光子输出。量子级联激光器的发明是半导体激光器领域里程碑式的发展，开创了中远红外半导体激光的新领域，在红外对抗、毒品和爆炸物检测、环境污染监测、太赫兹成像等方向有着广泛的应用前景。这为量子探测、量子成像技术的快速发展奠定了基础。目前，我国科学家已经研制出5至8微米波段半导体量子级联激光器，从而使我国进入了掌握此类激光器研制技术的国家行列。

总之，量子技术的快速发展，对以电子技术为基础的信息时代产生巨大冲击，势将改变未来作战制胜机理。量子技术将大大提高并行计算、通信安全、高精度导航、抗干扰成像等能力，其军事应用极有可能催生全新的战略能力及作战指挥体系。美国把量子技术作为“第三次抵消战略”重要内容，俄、英、法、日等国把量子技术作为应对新兴领域挑战的尖端技术。很显然，量子技术的研发应用将会是大国博弈的战略前沿。