量子：“黑馬”出世超凡脫俗
原標題：量子：“黑馬”出世超凡脫俗
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産生，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。
可以説，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？那就看看專家怎麼説。
微觀世界裏的“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。普朗克在研究黑体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係，也就是假設能量是連續不斷傳遞時，不能解釋黑体能量輻射問題。他認為，只有假定能量在發射和吸收時，並非連續不斷，而是若幹一份一份、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，如果有人説，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徵。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徵。于是，量子的范圍又被擴大到了整個物理體係中，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資訊單元進行計算的全新計算模式。相比傳統電腦，量子電腦從理論上講,其模型是用量子力學規律重新詮釋的電腦的極限計算能力——通用圖靈機。從可計算的問題來看，量子電腦只能解決傳統電腦所能解決的問題。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演算法在處理問題時，速度要遠遠高于傳統電腦。
普通電腦中的2位寄存器，在某一時間僅能存儲4個二進位數（00、01、10、11）中的一個。而量子電腦中的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，量子資訊可處于2種可能狀態的疊加，因此展現出遠超傳統電腦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，新的量子演算法陸續被提出來。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電腦，來執行這些量子演算法。
超強的量子電腦
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電腦“D-Wave One”。理論上運算速度遠超現有任何超級電子電腦。但嚴格來説，這還算不上真正意義的通用量子電腦，只是一臺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硅處理器的對手，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，他們聲稱該係統可用于求解最優化、網絡安全、機器學習和採樣等問題。對于一些基準問題測試，如最優化問題和基于機器學習的採樣問題，超過當前通常電腦的演算法數千或上萬倍。
中國科技大學的量子資訊重點實驗室李傳鋒教授的研究團隊，首次研制出專用量子電腦——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、科技領域裏大有可為，而且在軍事領域裏的用途前景廣闊，其必將對國家軍事戰略體係和戰略能力産生顛覆性影響。
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係統，將使遠距離戰場通信能力實現跨越式提升，而其資訊被攔截幾率很小。
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，一旦被敵方竊聽或被測量，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，發出的任何量子資訊都是非常安全的，任何人沒有密鑰就打不開這些資訊。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資訊時代産生了巨大衝擊，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、抗幹擾成像等能力，其軍事應用極有可能催生全新的戰略能力及作戰指揮體係。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。（高東廣）
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。
