生命沿著量子空間悠然前行——記優(yōu)秀青年女科學(xué)家彭新華

文/沈春蕾

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生命沿著量子空間悠然前行——記優(yōu)秀青年女科學(xué)家彭新華

文/沈春蕾

她鉆研量子計(jì)算，寄情比云計(jì)算更厲害的未來(lái)量子計(jì)算機(jī)，連續(xù)保持了量子計(jì)算分解質(zhì)因數(shù)最大數(shù)的世界紀(jì)錄。她就是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（下稱“中科大”）物理學(xué)院近代物理系教授彭新華。

選擇物理

從16歲參加高考義無(wú)反顧地選擇物理到現(xiàn)在，彭新華非常慶幸自己的堅(jiān)持。“我現(xiàn)在從事的量子物理研究是一門尖端科學(xué)，能在這個(gè)領(lǐng)域工作我感到很幸運(yùn)，為此我始終對(duì)其充滿濃厚的興趣。”彭新華說。

對(duì)未知的一切保持興趣并不斷探索，不僅是驅(qū)使彭新華探究量子計(jì)算奧秘的原生動(dòng)力，更是這位女科學(xué)家對(duì)科學(xué)之美的獨(dú)到見解。

2008年，年僅30歲的彭新華通過中科院“百人計(jì)劃”，從德國(guó)回國(guó)擔(dān)任中科大教授。“我在德國(guó)時(shí)認(rèn)識(shí)了中科大的杜江峰教授，當(dāng)時(shí)他跟我介紹了很多國(guó)內(nèi)科研情況，同時(shí)極力鼓勵(lì)我申請(qǐng)‘百人計(jì)劃’，因此我就選擇了中科大。”

“我的研究領(lǐng)域始終是由男性主導(dǎo)，他們之間暢通無(wú)阻的交流更有利于爭(zhēng)取機(jī)遇、創(chuàng)造成果。”彭新華深知在自己的研究領(lǐng)域女性確實(shí)不占優(yōu)勢(shì)，“但科研不能急功近利，要穩(wěn)扎穩(wěn)打。”

選擇物理，求學(xué)德國(guó)，結(jié)緣中科大，一路走來(lái)，年輕的女物理學(xué)家彭新華不負(fù)眾望，成為量子計(jì)算分解質(zhì)因數(shù)最大數(shù)的世界紀(jì)錄保持者。

鐘情量子

當(dāng)下，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新概念很是火熱，在芯片制造工藝不斷逼近物理極限的當(dāng)下，一旦摩爾定律失效，我們靠什么支撐計(jì)算無(wú)處不在的未來(lái)？

對(duì)于這個(gè)問題，微軟、谷歌、英特爾，甚至阿里巴巴的看法竟都出奇地一致——量子計(jì)算。

在即將到來(lái)的量子時(shí)代，量子革命可以創(chuàng)造一切——電動(dòng)客機(jī)、《星際迷航》中的醫(yī)學(xué)傳感器甚至是隱形斗篷。從傳統(tǒng)的角度看量子理論描述的世界很夸張，但幾乎每個(gè)事物都是以量子物理學(xué)為基礎(chǔ)——各種物質(zhì)都是量子粒子的集合，而光、電和磁也都是量子現(xiàn)象。甚至Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格給他初降人世的小寶寶看的第一本書就是《量子物理學(xué)》。

彭新華主要從事磁共振自旋體系量子計(jì)算與量子信息處理的實(shí)驗(yàn)研究工作，研究方向涉及量子態(tài)制備、量子算法、量子模擬以及量子測(cè)量等量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究。

經(jīng)過刻苦鉆研，彭新華所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)取得了一系列世界矚目的成就：在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)探測(cè)虛磁場(chǎng)中絕熱模擬量子方針的實(shí)驗(yàn)研究，直接觀察到了統(tǒng)計(jì)物理中至今被認(rèn)為理論的非物理的李—楊零點(diǎn)；提出了新的確定性地、有效地解決無(wú)平方因子整數(shù)分解經(jīng)典難題的Gauss sum量子算法；完成了整數(shù)“21”和“143”的量子絕熱分解；通過演示一系列重要的量子算法，驗(yàn)證了量子計(jì)算的有效性和可行性。

這些發(fā)現(xiàn)不僅意味著科學(xué)家將探測(cè)到以往不能探測(cè)的隱藏參數(shù)，更是為研究復(fù)雜體中的物理現(xiàn)象提供了全新的實(shí)驗(yàn)方法和可能，對(duì)理論物理的研究意義重大。

滿懷信心

盡管目前量子物理研究仍處于起步階段，但彭新華對(duì)于它的前景充滿信心。“量子計(jì)算相比傳統(tǒng)計(jì)算有著十分顯著的優(yōu)勢(shì)，一旦量子計(jì)算機(jī)發(fā)明成功，它將給未來(lái)世界帶來(lái)顛覆性的改變。”

彭新華解釋，量子計(jì)算的奧妙就在于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來(lái)控制電流，而量子計(jì)算機(jī)則具備“開”和“關(guān)”同時(shí)存在的“疊加態(tài)”。經(jīng)典計(jì)算只能依次運(yùn)算，而量子計(jì)算則能同時(shí)嘗試所有可能的解。后者的計(jì)算能力相比前者能有指數(shù)倍數(shù)的增長(zhǎng)，可以完成一些經(jīng)典計(jì)算無(wú)法完成的任務(wù)。

如今，全球各地的頂尖科研實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。然而迄今為止，世界上真正意義上的量子計(jì)算機(jī)（谷歌剛宣稱推出了一臺(tái)名為D-Wave的量子計(jì)算機(jī)）還“有待觀察”。

如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，方案并不少，但如何在實(shí)驗(yàn)中完成對(duì)微觀量子態(tài)的操縱簡(jiǎn)直難于登天。“已被提出的方法主要有光子、空腔量子電動(dòng)力學(xué)、離子阱、超導(dǎo)、量子點(diǎn)以及核磁共振等。”彭新華指出，“我們的研究主要是基于磁共振技術(shù)，這無(wú)疑是目前發(fā)展最快、成果最多的方案之一。”

當(dāng)下，大數(shù)質(zhì)因子分解已廣泛應(yīng)用于電子銀行、網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的RSA公鑰加密算法的安全性基礎(chǔ)，它基于一個(gè)十分簡(jiǎn)單的數(shù)論事實(shí)：將兩個(gè)大素?cái)?shù)相乘十分容易，但是想要對(duì)其乘積進(jìn)行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。

1994年，全世界范圍內(nèi)同時(shí)使用了1600個(gè)工作站、耗時(shí)8個(gè)月時(shí)間才完成了129位數(shù)的分解。如果要用同樣的計(jì)算能力來(lái)分解250位數(shù)則要耗時(shí)80萬(wàn)年，這簡(jiǎn)直如同愚公移山。與之相較，量子計(jì)算機(jī)采用Shor算法則可以在1秒鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)1000位數(shù)的因子分解，也就是說，在量子計(jì)算機(jī)面前，現(xiàn)有的RSA加密算法將無(wú)密可保。

“量子計(jì)算速度會(huì)有數(shù)十億倍的提高，這種計(jì)算能力的飛躍，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越從算盤到當(dāng)代超級(jí)計(jì)算機(jī)的飛躍。試想一下，利用萬(wàn)億次傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)分解300位的整數(shù)需要150萬(wàn)年，而量子計(jì)算機(jī)則只要1秒鐘即可解決。”彭新華激動(dòng)地說，“毋庸置疑，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將對(duì)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生革命性的影響。”※

人物檔案：

彭新華，女，1978年6月生，湖南湘陰縣人。1994年考入湖南師范大學(xué)物理系，2003年獲得中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所博士學(xué)位。2003年8月至2005年8月作為洪堡學(xué)者在德國(guó)多特蒙德大學(xué)從事合作研究，之后繼續(xù)在德國(guó)從事科學(xué)研究。2008年4月被中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“百人計(jì)劃”引進(jìn)，同時(shí)聘為教授、博士生導(dǎo)師。

2015年12月22日，彭新華獲第十二屆“中國(guó)青年女科學(xué)家獎(jiǎng)”。該獎(jiǎng)由全國(guó)婦聯(lián)、中國(guó)科協(xié)、中國(guó)聯(lián)合國(guó)科教文組織全國(guó)委員會(huì)于2004年聯(lián)合設(shè)立，每年評(píng)選10位在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域和生命科學(xué)領(lǐng)域取得重大科技成果的、45歲以下的優(yōu)秀青年女科學(xué)家。