量子：“黑马”出世超凡脱俗

　　■高东广

　　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。