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量子:“黑马”出世超凡脱俗

    原标题:量子:“黑马”出世超凡脱俗

    量子、量子传输与量子世界示意图。制图:高泽慧

    今年1月8日,国家科学技术奖励大会在北京隆重举行。大家注意到,评选出的唯一一项国家自然科学最高奖一等奖,是由清华大学薛其坤院士领衔完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”。

    何以获得如此高奖?原因就在于,在凝聚态物理领域,量子霍尔效应是极为重要的研究方向。而量子反常霍尔效应,不依赖于强磁场,由材料本身的自发磁化产生,零磁场中就可实现量子霍尔态,很容易应用到日常电子器件中。1988年以来,不断有物理学家提出各种方案,却在实验上没有进展。2013年,薛其坤院士的团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应,并在当年美国《科学》杂志上发表了这一最新研究成果。

    可以说,量子是研究微观粒子世界十分重要的物理概念。大家可能会认为,量子与分子、原子、中子、电子一样,也是组成物质的基本粒子。但实际又会怎样?那就看看专家怎么说。

    微观世界里的“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。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、存在最小单位时,很多物理现象才能解释得通。

    这一假定,在当时物理权威界被认为是“一种疯狂”。物理学界有一个“真理”:能量是连续不间断传播的。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,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℃上升到100℃,直接跳过90℃,这同样也会让人觉得不可思议。

    普朗克的假设动摇了物理学界的“真理”,引发“轰动”。他进一步阐明,能量不可能被无限分割,一定存在于一个最小单位,保持着能量的基本特征。这个最小单位就是能量子,即量子。绝不存在部分或二分之一的量子,它只能是整数倍的方式存在。

    量子最早的概念,单指最小单位的能量。后来不少物理学家发现,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,如角动量、自旋、电荷等都可表现出量子化特征。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计算、量子通信等等。

    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看,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。

    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位量子位寄存器,可同时存储这4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,量子信息可处于2种可能状态的叠加,因此展现出远超传统计算机的处理速度而让人刮目相看。

    量子计算的概念,最早由物理学界在上世纪80年代初提出。1981年麻省理工学院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形式。1994年,贝尔实验室的研究人员认为,相对于传统电子计算器,利用量子计算可在更短时间内,将一个很大的整数分解成质因子的乘积。自此之后,新的量子算法陆续被提出来。而物理学家接下来所面临的重要问题,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。

    超强的量子计算机

    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”。理论上运算速度远超现有任何超级电子计算机。但严格来说,这还算不上真正意义的通用量子计算机,只是一台能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。执行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操作者重新学习。2017年1月,这家公司又推出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。

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