近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授和江敏教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表突破性研究成果：團(tuán)隊(duì)革新核自旋量子精密測(cè)量技術(shù)，成功搭建國(guó)際首個(gè)基于原子核自旋的量子傳感網(wǎng)絡(luò)。這張連接合肥與杭州的“量子探測(cè)網(wǎng)”，如同布下的宇宙信號(hào)“監(jiān)聽系統(tǒng)”，讓暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為解開這一宇宙之謎提供了全新路徑。

什么是核磁共振量子計(jì)算機(jī)？量子精密探測(cè)器如何尋找暗物質(zhì)？本文根據(jù)墨子沙龍對(duì)彭新華教授的專訪內(nèi)容整理而成。

墨子沙龍：請(qǐng)您簡(jiǎn)單自我介紹一下。

彭新華：我是彭新華，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。我的研究領(lǐng)域聚焦量子信息科學(xué)技術(shù)，核心圍繞量子自旋展開，通過(guò)操控量子自旋態(tài)，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子模擬及量子精密測(cè)量相關(guān)重大任務(wù)。

墨子沙龍：什么是核磁共振量子計(jì)算機(jī)？它與超導(dǎo)量子計(jì)算、光量子計(jì)算有什么不同？

彭新華：量子信息科學(xué)（量子計(jì)算）的核心，是利用量子力學(xué)規(guī)律，借助量子態(tài)的糾纏、相干等特性突破傳統(tǒng)技術(shù)極限，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算的能力。

核磁共振量子計(jì)算主要利用氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)分子的自旋進(jìn)行量子比特（信息比特）編碼。例如，自旋為 1/2 的粒子在磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生塞曼分裂，形成自旋向上和自旋向下的狀態(tài)，恰好可作為量子信息所需的基本單元 —— 量子比特。通過(guò)射頻磁場(chǎng)操控粒子自旋，實(shí)現(xiàn)量子邏輯門，最終達(dá)成計(jì)算目的。

光量子計(jì)算、超導(dǎo)量子計(jì)算與核磁共振量子計(jì)算，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的三條不同技術(shù)路線。超導(dǎo)量子計(jì)算利用超導(dǎo)約瑟夫森節(jié)編碼量子信息，光量子計(jì)算則通過(guò)編碼光子狀態(tài)實(shí)現(xiàn)計(jì)算，不同體系各具優(yōu)劣。

眾人熟知的 “祖沖之號(hào)” 便是超導(dǎo)量子計(jì)算的典型成果，它具備可擴(kuò)展性，能開展大規(guī)模計(jì)算，但需在低溫環(huán)境下運(yùn)行，且易受噪聲干擾，操作便捷性不及核磁共振量子計(jì)算。核磁共振利用核自旋，相干性表現(xiàn)優(yōu)異，不過(guò)在可擴(kuò)展性方面存在一定局限。

因此，目前也發(fā)展出了基于核自旋的單量子自旋體系，比如金剛石晶格缺陷（利用其中的單電子自旋與核自旋進(jìn)行量子信息編碼）、硅基中的磷核自旋等，也可以作單量子自旋體系，其實(shí)現(xiàn)方式與核磁共振極為相似。

光量子計(jì)算的代表如 “九章”，同樣擁有自身優(yōu)勢(shì)，但由于光子-光子之間相互作用較弱，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯門時(shí)存在一定局限性。

墨子沙龍：您的研究聚焦核磁共振量子計(jì)算，能否用通俗的語(yǔ)言解釋“量子比特操控”如何突破經(jīng)典計(jì)算機(jī)的局限？公眾該如何理解它的革命性意義？

彭新華：我們先看一下量子信息的編碼方式：經(jīng)典計(jì)算機(jī)依靠比特編碼信息，即通過(guò)兩個(gè)分離值（類似 “開” 和 “關(guān)”）表示二進(jìn)制的 0 和 1，通過(guò)操控這些二進(jìn)制狀態(tài)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。但經(jīng)典比特的狀態(tài)只能是 0 或 1，每次僅能操控單一狀態(tài)。

而量子信息中采用量子比特，量子比特具有量子力學(xué)的態(tài)疊加性，可被制備成任意 0 與 1 的疊加態(tài)。這使得它儲(chǔ)存的信息量遠(yuǎn)超經(jīng)典比特，且依據(jù)量子力學(xué)規(guī)律，通過(guò)薛定諤演化能同時(shí)對(duì)疊加態(tài)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)量子并行。這種量子并行的威力十分驚人，例如一臺(tái) 30 個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，可同時(shí)處理 23?（約 10.7 億）種狀態(tài)。這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的運(yùn)算規(guī)模，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，因此在處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以應(yīng)對(duì)的問(wèn)題時(shí)，能發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，若能將數(shù)據(jù)編碼為量子形式，便可同時(shí)對(duì)海量信息或數(shù)據(jù)體系進(jìn)行操控與分析，大幅提升問(wèn)題處理速度，完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的任務(wù)。

墨子沙龍：您曾是量子計(jì)算分解質(zhì)因數(shù)最大數(shù)的世界紀(jì)錄保持者，可以介紹一下分解質(zhì)因數(shù)的量子算法嗎？這對(duì)當(dāng)前經(jīng)典密碼學(xué)有什么樣的沖擊？

彭新華：首先介紹大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解：給定一個(gè)極大的整數(shù) m，我們需要找到它的質(zhì)因數(shù)分解形式 m=p×q（其中 p 和 q 均為質(zhì)數(shù)），這就是大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解問(wèn)題。

經(jīng)典計(jì)算中，目前解決該問(wèn)題最優(yōu)的算法也需消耗亞指數(shù)增長(zhǎng)的時(shí)間資源。例如，分解一個(gè) 300 位的整數(shù)，可能需要 15 萬(wàn)年才能完成。而這種計(jì)算難度，正是經(jīng)典密碼學(xué)中非對(duì)稱加密算法（如 RSA 協(xié)議）的核心基礎(chǔ) —— 利用這一難題構(gòu)建安全的密碼系統(tǒng)。

1994 年，彼得?肖爾提出了一種量子算法。借助量子計(jì)算機(jī)的并行性與量子特性，該算法實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)的質(zhì)因數(shù)分解，將原本的指數(shù)級(jí)時(shí)間增長(zhǎng)降至多項(xiàng)式級(jí)別。若用該算法分解 300 位整數(shù)，耗時(shí)可能從 15 萬(wàn)年縮短至幾分鐘，這將直接破解經(jīng)典密碼學(xué)系統(tǒng)。

墨子沙龍：你的研究還涉及量子精密測(cè)量以及暗物質(zhì)研究，可以介紹一下量子精密測(cè)量?jī)x器如何在暗物質(zhì)探測(cè)中發(fā)揮作用？量子精密測(cè)量技術(shù)如何顛覆傳統(tǒng)暗物質(zhì)探測(cè)方法？

彭新華：一方面，當(dāng)前暗物質(zhì)探測(cè)依賴正常物質(zhì)與暗物質(zhì)之間的微弱相互作用，而經(jīng)典探測(cè)手段的精度遠(yuǎn)未達(dá)到探測(cè)暗物質(zhì)耦合所需的要求。隨著量子科技的發(fā)展，量子精密測(cè)量在靈敏度與精度上較傳統(tǒng)方式有大幅提升，通過(guò)這種精度提升，有望捕捉到微弱的相互作用力，進(jìn)而證實(shí)暗物質(zhì)的存在。

另一方面，傳統(tǒng)探測(cè)方式多針對(duì)重質(zhì)量暗物質(zhì)粒子候選者，而量子精密測(cè)量技術(shù)可將暗物質(zhì)粒子候選者的能區(qū)拓展至超輕范圍，顯著增加了發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的概率。最后值得一提的是，相較于量子暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空號(hào)(DAMPE)”、錦屏地下實(shí)驗(yàn)室 “PandaX”等傳統(tǒng)暗物質(zhì)搜索的大型科學(xué)裝置，量子精密測(cè)量設(shè)備開創(chuàng)了規(guī)模更小、成本更低的新型實(shí)驗(yàn)室級(jí)“桌面式”探測(cè)模式，基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，或許將率先誕生于這類小型實(shí)驗(yàn)之中。

墨子沙龍：您的研究在量子算法、量子模擬、量子控制和量子精密測(cè)量探測(cè)暗物質(zhì)等多個(gè)領(lǐng)域交叉，學(xué)科交叉如何成為某項(xiàng)研究的“破壁”利器？

彭新華：量子信息本身就是一門高度交叉的學(xué)科。多學(xué)科交叉首先能打破學(xué)科壁壘，孕育重大發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新的契機(jī)。

以核磁共振為例，它最初起源于物理學(xué)，后來(lái)在化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也多次斬獲諾貝爾獎(jiǎng)，為人類科技進(jìn)步提供了重要推動(dòng)。

不同學(xué)科的交叉融合能促進(jìn)各領(lǐng)域的突破性發(fā)展。例如，量子計(jì)算的發(fā)展正是量子物理與計(jì)算科學(xué)交叉融合的成果，催生了新學(xué)科的誕生。一旦量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，有望在更多交叉領(lǐng)域取得重大突破。

文字整理：陳舟

文章轉(zhuǎn)載自“墨子沙龍”微信公眾號(hào)