生命沿着量子空间悠然前行——记优秀青年女科学家彭新华

文/沈春蕾



生命沿着量子空间悠然前行——记优秀青年女科学家彭新华

文/沈春蕾

她钻研量子计算，寄情比云计算更厉害的未来量子计算机，连续保持了量子计算分解质因数最大数的世界纪录。她就是中国科学技术大学（下称“中科大”）物理学院近代物理系教授彭新华。

选择物理

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。“我现在从事的量子物理研究是一门尖端科学，能在这个领域工作我感到很幸运，为此我始终对其充满浓厚的兴趣。”彭新华说。

对未知的一切保持兴趣并不断探索，不仅是驱使彭新华探究量子计算奥秘的原生动力，更是这位女科学家对科学之美的独到见解。

2008年，年仅30岁的彭新华通过中科院“百人计划”，从德国回国担任中科大教授。“我在德国时认识了中科大的杜江峰教授，当时他跟我介绍了很多国内科研情况，同时极力鼓励我申请‘百人计划’，因此我就选择了中科大。”

“我的研究领域始终是由男性主导，他们之间畅通无阻的交流更有利于争取机遇、创造成果。”彭新华深知在自己的研究领域女性确实不占优势，“但科研不能急功近利，要稳扎稳打。”

选择物理，求学德国，结缘中科大，一路走来，年轻的女物理学家彭新华不负众望，成为量子计算分解质因数最大数的世界纪录保持者。

钟情量子

当下，云计算、大数据等新概念很是火热，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？

对于这个问题，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。

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——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。甚至Facebook创始人马克·扎克伯格给他初降人世的小宝宝看的第一本书就是《量子物理学》。

彭新华主要从事磁共振自旋体系量子计算与量子信息处理的实验研究工作，研究方向涉及量子态制备、量子算法、量子模拟以及量子测量等量子计算的实验研究。

经过刻苦钻研，彭新华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。

这些发现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现象提供了全新的实验方法和可能，对理论物理的研究意义重大。

满怀信心

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。”

彭新华解释，量子计算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能有指数倍数的增长，可以完成一些经典计算无法完成的任务。

如今，全球各地的顶尖科研实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。然而迄今为止，世界上真正意义上的量子计算机（谷歌刚宣称推出了一台名为D-Wave的量子计算机）还“有待观察”。

如何实现量子计算机，方案并不少，但如何在实验中完成对微观量子态的操纵简直难于登天。“已被提出的方法主要有光子、空腔量子电动力学、离子阱、超导、量子点以及核磁共振等。”彭新华指出，“我们的研究主要是基于磁共振技术，这无疑是目前发展最快、成果最多的方案之一。”

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，这简直如同愚公移山。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。试想一下，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。”彭新华激动地说，“毋庸置疑，量子计算机的出现将对大数据产生革命性的影响。”※

人物档案：

彭新华，女，1978年6月生，湖南湘阴县人。1994年考入湖南师范大学物理系，2003年获得中科院武汉物理与数学研究所博士学位。2003年8月至2005年8月作为洪堡学者在德国多特蒙德大学从事合作研究，之后继续在德国从事科学研究。2008年4月被中国科学技术大学“百人计划”引进，同时聘为教授、博士生导师。

2015年12月22日，彭新华获第十二届“中国青年女科学家奖”。该奖由全国妇联、中国科协、中国联合国科教文组织全国委员会于2004年联合设立，每年评选10位在基础科学领域和生命科学领域取得重大科技成果的、45岁以下的优秀青年女科学家。