【中国教育报】在量子的奥秘中寻找科学之美

　　中国教育新闻网记者 张春铭
　
　　《量子物理学》绘本是什么? 脸书（Facebook）创始人马克·扎克伯格为什么要给他初降人世的小宝宝看这本书？“云计算”“大数据”等新概念层出不穷，在芯片制造工艺不断逼近物理极限的当下，一旦摩尔定律失效，我们靠什么支撑“计算无处不在的未来”？微软、谷歌、英特尔，甚至阿里巴巴的看法竟都出奇地一致——“量子计算”。
　
　　要知道，在即将到来的量子时代，量子革命可以创造一切——电动客机、《星际迷航》中的医学传感器，甚至是隐形斗篷。从传统的角度看量子理论“描述的世界很夸张”,但几乎每个事物都是以量子物理学为基础的——各种物质都是量子粒子的集合，而光、电和磁也都是量子现象。
　
　　对于量子计算，量子计算分解质因子最大数的世界纪录的保持者，中国科学技术大学物理学院近代物理系教授彭新华用研究的硕果向世界证明——量子计算指日可待。
　
　　彭新华钻研量子计算，寄情比云计算更厉害的未来量子计算机，连续保持了量子分解质因子最大数的世界纪录。她所带领的科研团队取得了一系列世界瞩目的成就——在国际上首次成功实现探测虚磁场中绝热模拟量子方针的实验研究，直接观察到了统计物理中至今被认为理论的非物理的“李—杨零点”；提出了新的确定性地、有效地解决无平方因子整数分解经典难题的Gauss sum量子算法；完成了整数“21”和“143”的量子绝热分解；通过演示一系列重要的量子算法，验证了量子计算的有效性和可行性。以上种种发现对理论物理意义重大，不仅意味着科学家将探测到以往不能探测的隐藏参数，更是为研究复杂体中的物理想象提供了全新的实验方法和可能。
　
　　日前，鉴于彭新华在量子计算方面的研究，她成为第十二届“中国青年女科学家奖”的获得者之一。
　
　　尽管目前量子物理研究仍处于起步阶段，但彭新华对于它的前景充满信心。量子计算相比传统计算有着十分显著的优势，一旦量子计算机发明成功，它将给未来世界带来颠覆性的改变。其中的奥妙就在于，传统计算机只能用“开”和“关”两种状态来控制电流，而量子计算机则具备“开”和“关”同时存在的“叠加态”。经典计算只能依次运算，而量子计算则能同时尝试所有可能的解。后者的计算能力相比前者不仅能有几何倍数的增长，更可以完成一些经典计算无法完成的任务。
　
　　当下，大数质因子分解已广泛应用于电子银行、网络领域的RSA公钥加密算法的安全性基础，它基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。1994年，全世界范围内同时使用了1600个工作站、耗时8个月时间才完成了129位数的分解。如果要用同样的计算能力来分解250位数则要耗时80万年——简直如同愚公移山。与之相较，量子计算机采用Shor算法则可以在1秒钟之内实现1000位数的因子分解，也就是说，在量子计算机面前，现有的RSA加密算法将无密可保！
　
　　“量子计算速度会有数十亿倍的提高，这种计算能力的飞跃，将远远超越从算盘到当代超级计算机的飞跃。试着想象一下，利用万亿次传统计算机分解300位的整数需要150万年，而量子计算机则只要1秒钟即可解决，”彭新华说，“量子计算机的出现，将对大数据产生革命性的影响。”
　
　　7年前，年仅30岁的彭新华因“人才计划”从德国回国担任教授。“量子计算领域始终是由男性主导，女性不占优势，但我知道科研不能急功近利，要稳扎稳打。”彭新华说。
　
　　“生命是沿着量子空间悠然前行。”彭新华的美丽人生是对这一量子世界经典名言的最佳注释。从16岁参加高考义无反顾地选择物理到现在，彭新华非常庆幸自己的坚持。“量子物理是一门尖端科学，能在这个领域从事研究我感到自己很幸运。只要自信和坚持，春天自然到来，秋天才会硕果累累。”
　
　　从传统的角度看量子理论“描述的世界很夸张”,但几乎每个事物都是以量子物理学为基础的——各种物质都是量子粒子的集合，而光、电和磁也都是量子现象。

　　中国教育报2016年1月9日http://paper.jyb.cn/zgjyb/html/2016-01/09/content_448047.htm?div=-1