核磁共振还能做量子计算机？量子精密探测器如何寻找暗物质？| 专访彭新华

近日，中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授和江敏教授团队在《自然》杂志发表突破性研究成果：团队革新核自旋量子精密测量技术，成功搭建国际首个基于原子核自旋的量子传感网络。这张连接合肥与杭州的“量子探测网”，如同布下的宇宙信号“监听系统”，让暗物质探测灵敏度实现质的飞跃，为解开这一宇宙之谜提供了全新路径。

什么是核磁共振量子计算机？量子精密探测器如何寻找暗物质？本文根据墨子沙龙对彭新华教授的专访内容整理而成。

墨子沙龙：请您简单自我介绍一下。

彭新华：我是彭新华，来自中国科学技术大学。我的研究领域聚焦量子信息科学技术，核心围绕量子自旋展开，通过操控量子自旋态，实现量子计算、量子模拟及量子精密测量相关重大任务。

墨子沙龙：什么是核磁共振量子计算机？它与超导量子计算、光量子计算有什么不同？

彭新华：量子信息科学（量子计算）的核心，是利用量子力学规律，借助量子态的纠缠、相干等特性突破传统技术极限，进而实现超越经典计算的能力。

核磁共振量子计算主要利用气态、液态或固态分子的自旋进行量子比特（信息比特）编码。例如，自旋为 1/2 的粒子在磁场作用下会发生塞曼分裂，形成自旋向上和自旋向下的状态，恰好可作为量子信息所需的基本单元 —— 量子比特。通过射频磁场操控粒子自旋，实现量子逻辑门，最终达成计算目的。

光量子计算、超导量子计算与核磁共振量子计算，是实现量子计算的三条不同技术路线。超导量子计算利用超导约瑟夫森节编码量子信息，光量子计算则通过编码光子状态实现计算，不同体系各具优劣。

众人熟知的 “祖冲之号” 便是超导量子计算的典型成果，它具备可扩展性，能开展大规模计算，但需在低温环境下运行，且易受噪声干扰，操作便捷性不及核磁共振量子计算。核磁共振利用核自旋，相干性表现优异，不过在可扩展性方面存在一定局限。

因此，目前也发展出了基于核自旋的单量子自旋体系，比如金刚石晶格缺陷（利用其中的单电子自旋与核自旋进行量子信息编码）、硅基中的磷核自旋等，也可以作单量子自旋体系，其实现方式与核磁共振极为相似。

光量子计算的代表如 “九章”，同样拥有自身优势，但由于光子-光子之间相互作用较弱，在实现复杂逻辑门时存在一定局限性。

墨子沙龙：您的研究聚焦核磁共振量子计算，能否用通俗的语言解释“量子比特操控”如何突破经典计算机的局限？公众该如何理解它的革命性意义？

彭新华：我们先看一下量子信息的编码方式：经典计算机依靠比特编码信息，即通过两个分离值（类似 “开” 和 “关”）表示二进制的 0 和 1，通过操控这些二进制状态实现计算。但经典比特的状态只能是 0 或 1，每次仅能操控单一状态。

而量子信息中采用量子比特，量子比特具有量子力学的态叠加性，可被制备成任意 0 与 1 的叠加态。这使得它储存的信息量远超经典比特，且依据量子力学规律，通过薛定谔演化能同时对叠加态进行操作，实现量子并行。这种量子并行的威力十分惊人，例如一台 30 个量子比特的量子计算机，可同时处理 2³⁰（约 10.7 亿）种状态。这种指数级增长的运算规模，远远超越了经典计算机的能力，因此在处理经典计算机难以应对的问题时，能发挥巨大优势。

在大数据时代，若能将数据编码为量子形式，便可同时对海量信息或数据体系进行操控与分析，大幅提升问题处理速度，完成经典计算机无法胜任的任务。

墨子沙龙：您曾是量子计算分解质因数最大数的世界纪录保持者，可以介绍一下分解质因数的量子算法吗？这对当前经典密码学有什么样的冲击？

彭新华：首先介绍大数质因数分解：给定一个极大的整数 m，我们需要找到它的质因数分解形式 m=p×q（其中 p 和 q 均为质数），这就是大数质因数分解问题。

经典计算中，目前解决该问题最优的算法也需消耗亚指数增长的时间资源。例如，分解一个 300 位的整数，可能需要 15 万年才能完成。而这种计算难度，正是经典密码学中非对称加密算法（如 RSA 协议）的核心基础 —— 利用这一难题构建安全的密码系统。

1994 年，彼得・肖尔提出了一种量子算法。借助量子计算机的并行性与量子特性，该算法实现了多项式时间内的质因数分解，将原本的指数级时间增长降至多项式级别。若用该算法分解 300 位整数，耗时可能从 15 万年缩短至几分钟，这将直接破解经典密码学系统。

墨子沙龙：你的研究还涉及量子精密测量以及暗物质研究，可以介绍一下量子精密测量仪器如何在暗物质探测中发挥作用？量子精密测量技术如何颠覆传统暗物质探测方法？

彭新华：一方面，当前暗物质探测依赖正常物质与暗物质之间的微弱相互作用，而经典探测手段的精度远未达到探测暗物质耦合所需的要求。随着量子科技的发展，量子精密测量在灵敏度与精度上较传统方式有大幅提升，通过这种精度提升，有望捕捉到微弱的相互作用力，进而证实暗物质的存在。

另一方面，传统探测方式多针对重质量暗物质粒子候选者，而量子精密测量技术可将暗物质粒子候选者的能区拓展至超轻范围，显著增加了发现暗物质的概率。最后值得一提的是，相较于量子暗物质卫星“悟空号(DAMPE)”、锦屏地下实验室 “PandaX”等传统暗物质搜索的大型科学装置，量子精密测量设备开创了规模更小、成本更低的新型实验室级“桌面式”探测模式，基础物理领域的重大发现，或许将率先诞生于这类小型实验之中。

墨子沙龙：您的研究在量子算法、量子模拟、量子控制和量子精密测量探测暗物质等多个领域交叉，学科交叉如何成为某项研究的“破壁”利器？

彭新华：量子信息本身就是一门高度交叉的学科。多学科交叉首先能打破学科壁垒，孕育重大发现与创新的契机。

以核磁共振为例，它最初起源于物理学，后来在化学与生物医学领域的应用也多次斩获诺贝尔奖，为人类科技进步提供了重要推动。

不同学科的交叉融合能促进各领域的突破性发展。例如，量子计算的发展正是量子物理与计算科学交叉融合的成果，催生了新学科的诞生。一旦量子计算实现规模化应用，有望在更多交叉领域取得重大突破。

文字整理：陈舟

文章转载自“墨子沙龙”微信公众号