量子科技在航空产业的应用前景

非虫

2019年1月，空客发起了一次全球量子计算挑战赛，邀请全球36个量子计算团队超过800位研究人员，与该公司联手打造航空航天领域的量子时代。这次比赛的目的在于借助量子计算解决当今世界上与飞行物理学相关的最困难和最复杂的问题，以测试和评估最新可用的计算能力，并进一步推动量子计算技术在航空航天领域落地应用。

那么，什么是量子科技？它的应用前景有多广？

“无用之学”已大用

在普罗大众心目中，“量子科技”是什么，很难有人说得清楚。在此不妨回顾一下量子反常霍尔效应究竟为何物。霍尔，全名叫埃德温·霍尔。19世纪七八十年代，当时的美国约翰霍普金斯大学学生埃德温·霍尔在两年左右的时间中完成了两个非常重要的实验。

在第一个实验中，他发现，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场，从而在半导体的两端产生电势差。这一发现被命名为“霍尔效应”。

在第二个实验中，埃德温·霍尔把实验材料换成磁性材料，他发现仅靠材料本身的磁性会产生另外一种霍尔效应，后来，此种效应被称为反常霍尔效应。

在当年，无论是霍尔效应还是反常霍尔效应，并不受人瞩目，算是一种“无用之学”。不过，上百年来，还是有不少科学家投入到相关研究中。

1980年，德国物理学家冯·克利青利用场效应晶体管的经典结构，在硅和二氧化硅界面的二维电子气中发现了量子霍尔效应。因为这个重要的发现，他在1985年获得了诺贝尔物理奖。

1982年，华人物理学家崔琦和同事霍斯特·路德维希·施特默发现了分数量子霍尔效应，他们与用理论解释这一效应的罗伯特·劳夫林一起获得了1998年的诺贝尔物理奖。

2005年，英国曼彻斯特的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫制备出石墨烯材料，重复了一百年前的霍尔效应实验，在强磁场下发现了半整数的量子霍尔效应。这说明石墨烯中的准粒子是没有静止质量的相对论粒子，因为自然界中唯一没有静止质量的微粒就是光子，所以石墨烯中的电子有可能像光一样快。因为石墨烯这样一个重要发现，这两位物理学家于2010年获得了诺贝尔物理奖。

戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，将数学上的拓扑引入物理，解释了包括整数量子霍尔效应在内的几种物理效应，他们因在拓扑相变和拓扑物质理论上的理论性开创工作获得了2016年诺贝尔物理奖。

中国量子科技研究近年来也取得了丰硕的成果，现任南方科技大学校长薛其坤就是其中的杰出代表之一。在2020年12月15日举行的复旦-中植科学奖颁奖典礼上，当著名物理学家丁肇中通过视频远程宣读获奖名单，读到薛其坤的名字时，连用两个“very”来表达内心的高兴之情。

薛其坤的灵感来源于邓肯·霍尔丹。霍尔丹在1988年首先对零磁场量子霍尔效应建模，引导了这个领域的发展。2005年，宾夕法尼亚大学教授查尔斯·凯恩和著名的华人物理学家张首晟教授分别提出了拓扑绝缘体的理论，这两位理论物理学家的工作和后续其他物理学家的工作，使得量子反常霍尔效应从一个纯粹的理论构想逐渐变成可以在实验室制备的材料中实验观测到的效应。

薛其坤的团队希望，在不需要任何外加磁场的情况下，只靠材料本身的磁性就能实现1881年埃德温·霍尔提出的反常霍尔效应的量子版本，也就是量子化的反常霍尔效应。终于，依靠分子束外延生长、扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱结合的联合系统以及极低温下的输运测量技术，薛其坤领衔的中国科学家团队在2012年12月，在国际上率先观测到没有磁场的量子反常霍尔效应。这是我国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。

一个目前看似还没有应用可能的科学成果，有研究的必要么？薛其坤说：“我们要关注科学研究中的无用之用，某个科学原理被提出后，它什么时候被应用，可以被应用在哪些领域，这是当时的科学家无法预测的。”他举例说，比如触摸屏技术，本质上就是电容和电阻的改变，几百年前的科学家就已经发现这个原理，但是一直到今天我们大规模使用智能手机时，才被广泛应用。集成电路的概念在1947年被提出，但是产业化也是在几十年后。另外，爱因斯坦当年预测宇宙中有引力波，但直到100年后，几位科学家才利用高级LIGO探测器，首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。

实际上，经过百余年发展，人类对于霍尔效应的观察和理解取得了巨大进展。霍尔效应的实际应用已经成为人类社会生活中很常见之物，无论信用卡读卡器、速度计、电流钳等，都是利用霍尔效应发展起来的现代技术产物，它们的出现给人类的生活提供了极大的便利。

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近年来，量子霍尔效应一直是物理学领域的热点研究方向，其原因是它不仅展现了一个美妙的微观世界的场景，而且如果未来在产业界能够被应用，将会为人类带来巨大福祉。

薛其坤称，在量子反常霍尔效应下，电子犹如勇往直前的战士，它们会有序地运行，在遇到有缺陷的材料时也不会调头，而是会绕行，就像高速公路上运行的车辆一样。这样的特性使得材料内部电子的运行速度变得飞快，消耗的能量会大大下降。如果这样的材料可以用到电子元器件上，就会大大减少发热，也可以大大节约电能。

在这个过程中，找到合适的材料是关键。薛其坤介绍说，通过多年的努力，他的团队制备出有磁性的、拓扑的、绝缘的超薄膜。但是学过物理学的中学生都知道，这三种性质是互相矛盾的。磁性材料鐵、钴、镍是非常好的导体，不绝缘;陶瓷、玻璃等绝缘体又没有磁性。如果要把绝缘体变得有磁性，只能在制造过程中加入很多的铁、钴、镍，加少了材料依然绝缘，加多了变得有磁性后又会导电。

有说法称：“打造这样的材料就好比要求一个运动员既像姚明那样高大，可以打篮球，还要像赛跑运动员一样跑得快，像溜冰运动员一样伶俐，像体操运动员那么精巧。”这样的材料在自然界中还没有被发现，薛其坤的团队用严格的元素配比在实验室里制造出了符合这三个要求的材料。

在不少专家看来，量子科技在先进装备制造业领域，很可能处于爆发前的一个临界点。成立于2017年的本源量子公司，在2020年9月与建信金融科技达成战略合作协议，推动量子计算与金融产业的协同发展。同时，该公司还发布了国产自主可控超导量子计算云平台，并向量子计算产业落地的目标迈进。

此外，本源量子公司正在针对计算流体动力学问题进行科研攻关，以便为飞机的设计和优化提供解决方案。飞机设计的效率在很大程度上取决于飞机的整体空气动力学形状。本源量子的方案，将原本耗时耗力的计算流体动力学（CFD）进程，变得相对简单得多。其使用量子计算算法或以混合量子传统方式，进行CFD仿真，可以更快、更好地解决问题。