非蟲

2019年1月，空客發(fā)起了一次全球量子計(jì)算挑戰(zhàn)賽，邀請(qǐng)全球36個(gè)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)超過800位研究人員，與該公司聯(lián)手打造航空航天領(lǐng)域的量子時(shí)代。這次比賽的目的在于借助量子計(jì)算解決當(dāng)今世界上與飛行物理學(xué)相關(guān)的最困難和最復(fù)雜的問題，以測(cè)試和評(píng)估最新可用的計(jì)算能力，并進(jìn)一步推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)在航空航天領(lǐng)域落地應(yīng)用。

那么，什么是量子科技？它的應(yīng)用前景有多廣？

“無(wú)用之學(xué)”已大用

在普羅大眾心目中，“量子科技”是什么，很難有人說(shuō)得清楚。在此不妨回顧一下量子反?；魻栃?yīng)究竟為何物?；魻?，全名叫埃德溫·霍爾。19世紀(jì)七八十年代，當(dāng)時(shí)的美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)學(xué)生埃德溫·霍爾在兩年左右的時(shí)間中完成了兩個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。這一發(fā)現(xiàn)被命名為“霍爾效應(yīng)”。

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，埃德溫·霍爾把實(shí)驗(yàn)材料換成磁性材料，他發(fā)現(xiàn)僅靠材料本身的磁性會(huì)產(chǎn)生另外一種霍爾效應(yīng)，后來(lái)，此種效應(yīng)被稱為反?；魻栃?yīng)。

在當(dāng)年，無(wú)論是霍爾效應(yīng)還是反?；魻栃?yīng)，并不受人矚目，算是一種“無(wú)用之學(xué)”。不過，上百年來(lái)，還是有不少科學(xué)家投入到相關(guān)研究中。

1980年，德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，在硅和二氧化硅界面的二維電子氣中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。因?yàn)檫@個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，他在1985年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

1982年，華人物理學(xué)家崔琦和同事霍斯特·路德維?！な┨啬l(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，他們與用理論解釋這一效應(yīng)的羅伯特·勞夫林一起獲得了1998年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

2005年，英國(guó)曼徹斯特的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制備出石墨烯材料，重復(fù)了一百年前的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)下發(fā)現(xiàn)了半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)。這說(shuō)明石墨烯中的準(zhǔn)粒子是沒有靜止質(zhì)量的相對(duì)論粒子，因?yàn)樽匀唤缰形ㄒ粵]有靜止質(zhì)量的微粒就是光子，所以石墨烯中的電子有可能像光一樣快。因?yàn)槭┻@樣一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，這兩位物理學(xué)家于2010年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，將數(shù)學(xué)上的拓?fù)湟胛锢恚忉屃税ㄕ麛?shù)量子霍爾效應(yīng)在內(nèi)的幾種物理效應(yīng)，他們因在拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湮镔|(zhì)理論上的理論性開創(chuàng)工作獲得了2016年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

中國(guó)量子科技研究近年來(lái)也取得了豐碩的成果，現(xiàn)任南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤就是其中的杰出代表之一。在2020年12月15日舉行的復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上，當(dāng)著名物理學(xué)家丁肇中通過視頻遠(yuǎn)程宣讀獲獎(jiǎng)名單，讀到薛其坤的名字時(shí)，連用兩個(gè)“very”來(lái)表達(dá)內(nèi)心的高興之情。

薛其坤的靈感來(lái)源于鄧肯·霍爾丹?；魻柕ぴ?988年首先對(duì)零磁場(chǎng)量子霍爾效應(yīng)建模，引導(dǎo)了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。2005年，賓夕法尼亞大學(xué)教授查爾斯·凱恩和著名的華人物理學(xué)家張首晟教授分別提出了拓?fù)浣^緣體的理論，這兩位理論物理學(xué)家的工作和后續(xù)其他物理學(xué)家的工作，使得量子反?；魻栃?yīng)從一個(gè)純粹的理論構(gòu)想逐漸變成可以在實(shí)驗(yàn)室制備的材料中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的效應(yīng)。

薛其坤的團(tuán)隊(duì)希望，在不需要任何外加磁場(chǎng)的情況下，只靠材料本身的磁性就能實(shí)現(xiàn)1881年埃德溫·霍爾提出的反?；魻栃?yīng)的量子版本，也就是量子化的反?；魻栃?yīng)。終于，依靠分子束外延生長(zhǎng)、掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜結(jié)合的聯(lián)合系統(tǒng)以及極低溫下的輸運(yùn)測(cè)量技術(shù)，薛其坤領(lǐng)銜的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在2012年12月，在國(guó)際上率先觀測(cè)到?jīng)]有磁場(chǎng)的量子反常霍爾效應(yīng)。這是我國(guó)物理學(xué)工作者對(duì)人類科學(xué)知識(shí)寶庫(kù)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。

一個(gè)目前看似還沒有應(yīng)用可能的科學(xué)成果，有研究的必要么？薛其坤說(shuō)：“我們要關(guān)注科學(xué)研究中的無(wú)用之用，某個(gè)科學(xué)原理被提出后，它什么時(shí)候被應(yīng)用，可以被應(yīng)用在哪些領(lǐng)域，這是當(dāng)時(shí)的科學(xué)家無(wú)法預(yù)測(cè)的。”他舉例說(shuō)，比如觸摸屏技術(shù)，本質(zhì)上就是電容和電阻的改變，幾百年前的科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)原理，但是一直到今天我們大規(guī)模使用智能手機(jī)時(shí)，才被廣泛應(yīng)用。集成電路的概念在1947年被提出，但是產(chǎn)業(yè)化也是在幾十年后。另外，愛因斯坦當(dāng)年預(yù)測(cè)宇宙中有引力波，但直到100年后，幾位科學(xué)家才利用高級(jí)LIGO探測(cè)器，首次探測(cè)到了來(lái)自于雙黑洞合并的引力波信號(hào)。

實(shí)際上，經(jīng)過百余年發(fā)展，人類對(duì)于霍爾效應(yīng)的觀察和理解取得了巨大進(jìn)展。霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)成為人類社會(huì)生活中很常見之物，無(wú)論信用卡讀卡器、速度計(jì)、電流鉗等，都是利用霍爾效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)物，它們的出現(xiàn)給人類的生活提供了極大的便利。

幫助飛機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

近年來(lái)，量子霍爾效應(yīng)一直是物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，其原因是它不僅展現(xiàn)了一個(gè)美妙的微觀世界的場(chǎng)景，而且如果未來(lái)在產(chǎn)業(yè)界能夠被應(yīng)用，將會(huì)為人類帶來(lái)巨大福祉。

薛其坤稱，在量子反常霍爾效應(yīng)下，電子猶如勇往直前的戰(zhàn)士，它們會(huì)有序地運(yùn)行，在遇到有缺陷的材料時(shí)也不會(huì)調(diào)頭，而是會(huì)繞行，就像高速公路上運(yùn)行的車輛一樣。這樣的特性使得材料內(nèi)部電子的運(yùn)行速度變得飛快，消耗的能量會(huì)大大下降。如果這樣的材料可以用到電子元器件上，就會(huì)大大減少發(fā)熱，也可以大大節(jié)約電能。

在這個(gè)過程中，找到合適的材料是關(guān)鍵。薛其坤介紹說(shuō)，通過多年的努力，他的團(tuán)隊(duì)制備出有磁性的、拓?fù)涞摹⒔^緣的超薄膜。但是學(xué)過物理學(xué)的中學(xué)生都知道，這三種性質(zhì)是互相矛盾的。磁性材料鐵、鈷、鎳是非常好的導(dǎo)體，不絕緣;陶瓷、玻璃等絕緣體又沒有磁性。如果要把絕緣體變得有磁性，只能在制造過程中加入很多的鐵、鈷、鎳，加少了材料依然絕緣，加多了變得有磁性后又會(huì)導(dǎo)電。

有說(shuō)法稱：“打造這樣的材料就好比要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)員既像姚明那樣高大，可以打籃球，還要像賽跑運(yùn)動(dòng)員一樣跑得快，像溜冰運(yùn)動(dòng)員一樣伶俐，像體操運(yùn)動(dòng)員那么精巧。”這樣的材料在自然界中還沒有被發(fā)現(xiàn)，薛其坤的團(tuán)隊(duì)用嚴(yán)格的元素配比在實(shí)驗(yàn)室里制造出了符合這三個(gè)要求的材料。

在不少專家看來(lái)，量子科技在先進(jìn)裝備制造業(yè)領(lǐng)域，很可能處于爆發(fā)前的一個(gè)臨界點(diǎn)。成立于2017年的本源量子公司，在2020年9月與建信金融科技達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，推動(dòng)量子計(jì)算與金融產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。同時(shí)，該公司還發(fā)布了國(guó)產(chǎn)自主可控超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)，并向量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)落地的目標(biāo)邁進(jìn)。

此外，本源量子公司正在針對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行科研攻關(guān)，以便為飛機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供解決方案。飛機(jī)設(shè)計(jì)的效率在很大程度上取決于飛機(jī)的整體空氣動(dòng)力學(xué)形狀。本源量子的方案，將原本耗時(shí)耗力的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）進(jìn)程，變得相對(duì)簡(jiǎn)單得多。其使用量子計(jì)算算法或以混合量子傳統(tǒng)方式，進(jìn)行CFD仿真，可以更快、更好地解決問題。