核磁共振還能做量子計算機？量子精密探測器如何尋找暗物質？| 專訪彭新華

近日，中國科學技術大學自旋磁共振實驗室彭新華教授和江敏教授團隊在《自然》雜志發表突破性研究成果：團隊革新核自旋量子精密測量技術，成功搭建國際首個基于原子核自旋的量子傳感網絡。這張連接合肥與杭州的“量子探測網”，如同布下的宇宙信號“監聽系統”，讓暗物質探測靈敏度實現質的飛躍，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算機？量子精密探測器如何尋找暗物質？本文根據墨子沙龍對彭新華教授的專訪內容整理而成。

墨子沙龍：請您簡單自我介紹一下。

彭新華：我是彭新華，來自中國科學技術大學。我的研究領域聚焦量子信息科學技術，核心圍繞量子自旋展開，通過操控量子自旋態，實現量子計算、量子模擬及量子精密測量相關重大任務。

墨子沙龍：什么是核磁共振量子計算機？它與超導量子計算、光量子計算有什么不同？

彭新華：量子信息科學（量子計算）的核心，是利用量子力學規律，借助量子態的糾纏、相干等特性突破傳統技術極限，進而實現超越經典計算的能力。

核磁共振量子計算主要利用氣態、液態或固態分子的自旋進行量子比特（信息比特）編碼。例如，自旋為 1/2 的粒子在磁場作用下會發生塞曼分裂，形成自旋向上和自旋向下的狀態，恰好可作為量子信息所需的基本單元 —— 量子比特。通過射頻磁場操控粒子自旋，實現量子邏輯門，最終達成計算目的。

光量子計算、超導量子計算與核磁共振量子計算，是實現量子計算的三條不同技術路線。超導量子計算利用超導約瑟夫森節編碼量子信息，光量子計算則通過編碼光子狀態實現計算，不同體系各具優劣。

眾人熟知的 “祖沖之號” 便是超導量子計算的典型成果，它具備可擴展性，能開展大規模計算，但需在低溫環境下運行，且易受噪聲干擾，操作便捷性不及核磁共振量子計算。核磁共振利用核自旋，相干性表現優異，不過在可擴展性方面存在一定局限。

因此，目前也發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，其實現方式與核磁共振極為相似。

光量子計算的代表如 “九章”，同樣擁有自身優勢，但由于光子-光子之間相互作用較弱，在實現復雜邏輯門時存在一定局限性。

墨子沙龍：您的研究聚焦核磁共振量子計算，能否用通俗的語言解釋“量子比特操控”如何突破經典計算機的局限？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：經典計算機依靠比特編碼信息，即通過兩個分離值（類似 “開” 和 “關”）表示二進制的 0 和 1，通過操控這些二進制狀態實現計算。但經典比特的狀態只能是 0 或 1，每次僅能操控單一狀態。

而量子信息中采用量子比特，量子比特具有量子力學的態疊加性，可被制備成任意 0 與 1 的疊加態。這使得它儲存的信息量遠超經典比特，且依據量子力學規律，通過薛定諤演化能同時對疊加態進行操作，實現量子并行。這種量子并行的威力十分驚人，例如一臺 30 個量子比特的量子計算機，可同時處理 23?（約 10.7 億）種狀態。這種指數級增長的運算規模，遠遠超越了經典計算機的能力，因此在處理經典計算機難以應對的問題時，能發揮巨大優勢。

在大數據時代，若能將數據編碼為量子形式，便可同時對海量信息或數據體系進行操控與分析，大幅提升問題處理速度，完成經典計算機無法勝任的任務。

墨子沙龍：您曾是量子計算分解質因數最大數的世界紀錄保持者，可以介紹一下分解質因數的量子算法嗎？這對當前經典密碼學有什么樣的沖擊？

彭新華：首先介紹大數質因數分解：給定一個極大的整數 m，我們需要找到它的質因數分解形式 m=p×q（其中 p 和 q 均為質數），這就是大數質因數分解問題。

經典計算中，目前解決該問題最優的算法也需消耗亞指數增長的時間資源。例如，分解一個 300 位的整數，可能需要 15 萬年才能完成。而這種計算難度，正是經典密碼學中非對稱加密算法（如 RSA 協議）的核心基礎 —— 利用這一難題構建安全的密碼系統。

1994 年，彼得?肖爾提出了一種量子算法。借助量子計算機的并行性與量子特性，該算法實現了多項式時間內的質因數分解，將原本的指數級時間增長降至多項式級別。若用該算法分解 300 位整數，耗時可能從 15 萬年縮短至幾分鐘，這將直接破解經典密碼學系統。

墨子沙龍：你的研究還涉及量子精密測量以及暗物質研究，可以介紹一下量子精密測量儀器如何在暗物質探測中發揮作用？量子精密測量技術如何顛覆傳統暗物質探測方法？

彭新華：一方面，當前暗物質探測依賴正常物質與暗物質之間的微弱相互作用，而經典探測手段的精度遠未達到探測暗物質耦合所需的要求。隨著量子科技的發展，量子精密測量在靈敏度與精度上較傳統方式有大幅提升，通過這種精度提升，有望捕捉到微弱的相互作用力，進而證實暗物質的存在。

另一方面，傳統探測方式多針對重質量暗物質粒子候選者，而量子精密測量技術可將暗物質粒子候選者的能區拓展至超輕范圍，顯著增加了發現暗物質的概率。最后值得一提的是，相較于量子暗物質衛星“悟空號(DAMPE)”、錦屏地下實驗室 “PandaX”等傳統暗物質搜索的大型科學裝置，量子精密測量設備開創了規模更小、成本更低的新型實驗室級“桌面式”探測模式，基礎物理領域的重大發現，或許將率先誕生于這類小型實驗之中。

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量探測暗物質等多個領域交叉，學科交叉如何成為某項研究的“破壁”利器？

彭新華：量子信息本身就是一門高度交叉的學科。多學科交叉首先能打破學科壁壘，孕育重大發現與創新的契機。

以核磁共振為例，它最初起源于物理學，后來在化學與生物醫學領域的應用也多次斬獲諾貝爾獎，為人類科技進步提供了重要推動。

不同學科的交叉融合能促進各領域的突破性發展。例如，量子計算的發展正是量子物理與計算科學交叉融合的成果，催生了新學科的誕生。一旦量子計算實現規模化應用，有望在更多交叉領域取得重大突破。

文字整理：陳舟

文章轉載自“墨子沙龍”微信公眾號