量子科技在航空產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景

非蟲

2019年1月，空客發(fā)起了一次全球量子計算挑戰(zhàn)賽，邀請全球36個量子計算團隊超過800位研究人員，與該公司聯(lián)手打造航空航天領(lǐng)域的量子時代。這次比賽的目的在于借助量子計算解決當(dāng)今世界上與飛行物理學(xué)相關(guān)的最困難和最復(fù)雜的問題，以測試和評估最新可用的計算能力，并進一步推動量子計算技術(shù)在航空航天領(lǐng)域落地應(yīng)用。

那么，什么是量子科技？它的應(yīng)用前景有多廣？

“無用之學(xué)”已大用

在普羅大眾心目中，“量子科技”是什么，很難有人說得清楚。在此不妨回顧一下量子反?；魻栃?yīng)究竟為何物?；魻枺邪５聹亍せ魻?。19世紀七八十年代，當(dāng)時的美國約翰霍普金斯大學(xué)學(xué)生埃德溫·霍爾在兩年左右的時間中完成了兩個非常重要的實驗。

在第一個實驗中，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一個附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差。這一發(fā)現(xiàn)被命名為“霍爾效應(yīng)”。

在第二個實驗中，埃德溫·霍爾把實驗材料換成磁性材料，他發(fā)現(xiàn)僅靠材料本身的磁性會產(chǎn)生另外一種霍爾效應(yīng)，后來，此種效應(yīng)被稱為反?；魻栃?yīng)。

在當(dāng)年，無論是霍爾效應(yīng)還是反?；魻栃?yīng)，并不受人矚目，算是一種“無用之學(xué)”。不過，上百年來，還是有不少科學(xué)家投入到相關(guān)研究中。

1980年，德國物理學(xué)家馮·克利青利用場效應(yīng)晶體管的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，在硅和二氧化硅界面的二維電子氣中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。因為這個重要的發(fā)現(xiàn)，他在1985年獲得了諾貝爾物理獎。

1982年，華人物理學(xué)家崔琦和同事霍斯特·路德維?！な┨啬l(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，他們與用理論解釋這一效應(yīng)的羅伯特·勞夫林一起獲得了1998年的諾貝爾物理獎。

2005年，英國曼徹斯特的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制備出石墨烯材料，重復(fù)了一百年前的霍爾效應(yīng)實驗，在強磁場下發(fā)現(xiàn)了半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)。這說明石墨烯中的準粒子是沒有靜止質(zhì)量的相對論粒子，因為自然界中唯一沒有靜止質(zhì)量的微粒就是光子，所以石墨烯中的電子有可能像光一樣快。因為石墨烯這樣一個重要發(fā)現(xiàn)，這兩位物理學(xué)家于2010年獲得了諾貝爾物理獎。

戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，將數(shù)學(xué)上的拓撲引入物理，解釋了包括整數(shù)量子霍爾效應(yīng)在內(nèi)的幾種物理效應(yīng)，他們因在拓撲相變和拓撲物質(zhì)理論上的理論性開創(chuàng)工作獲得了2016年諾貝爾物理獎。

中國量子科技研究近年來也取得了豐碩的成果，現(xiàn)任南方科技大學(xué)校長薛其坤就是其中的杰出代表之一。在2020年12月15日舉行的復(fù)旦-中植科學(xué)獎頒獎典禮上，當(dāng)著名物理學(xué)家丁肇中通過視頻遠程宣讀獲獎名單，讀到薛其坤的名字時，連用兩個“very”來表達內(nèi)心的高興之情。

薛其坤的靈感來源于鄧肯·霍爾丹?；魻柕ぴ?988年首先對零磁場量子霍爾效應(yīng)建模，引導(dǎo)了這個領(lǐng)域的發(fā)展。2005年，賓夕法尼亞大學(xué)教授查爾斯·凱恩和著名的華人物理學(xué)家張首晟教授分別提出了拓撲絕緣體的理論，這兩位理論物理學(xué)家的工作和后續(xù)其他物理學(xué)家的工作，使得量子反?；魻栃?yīng)從一個純粹的理論構(gòu)想逐漸變成可以在實驗室制備的材料中實驗觀測到的效應(yīng)。

薛其坤的團隊希望，在不需要任何外加磁場的情況下，只靠材料本身的磁性就能實現(xiàn)1881年埃德溫·霍爾提出的反常霍爾效應(yīng)的量子版本，也就是量子化的反?；魻栃?yīng)。終于，依靠分子束外延生長、掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜結(jié)合的聯(lián)合系統(tǒng)以及極低溫下的輸運測量技術(shù)，薛其坤領(lǐng)銜的中國科學(xué)家團隊在2012年12月，在國際上率先觀測到?jīng)]有磁場的量子反?；魻栃?yīng)。這是我國物理學(xué)工作者對人類科學(xué)知識寶庫的一個重要貢獻。

一個目前看似還沒有應(yīng)用可能的科學(xué)成果，有研究的必要么？薛其坤說：“我們要關(guān)注科學(xué)研究中的無用之用，某個科學(xué)原理被提出后，它什么時候被應(yīng)用，可以被應(yīng)用在哪些領(lǐng)域，這是當(dāng)時的科學(xué)家無法預(yù)測的?！彼e例說，比如觸摸屏技術(shù)，本質(zhì)上就是電容和電阻的改變，幾百年前的科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個原理，但是一直到今天我們大規(guī)模使用智能手機時，才被廣泛應(yīng)用。集成電路的概念在1947年被提出，但是產(chǎn)業(yè)化也是在幾十年后。另外，愛因斯坦當(dāng)年預(yù)測宇宙中有引力波，但直到100年后，幾位科學(xué)家才利用高級LIGO探測器，首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。

實際上，經(jīng)過百余年發(fā)展，人類對于霍爾效應(yīng)的觀察和理解取得了巨大進展?；魻栃?yīng)的實際應(yīng)用已經(jīng)成為人類社會生活中很常見之物，無論信用卡讀卡器、速度計、電流鉗等，都是利用霍爾效應(yīng)發(fā)展起來的現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)物，它們的出現(xiàn)給人類的生活提供了極大的便利。

幫助飛機設(shè)計與優(yōu)化

近年來，量子霍爾效應(yīng)一直是物理學(xué)領(lǐng)域的熱點研究方向，其原因是它不僅展現(xiàn)了一個美妙的微觀世界的場景，而且如果未來在產(chǎn)業(yè)界能夠被應(yīng)用，將會為人類帶來巨大福祉。

薛其坤稱，在量子反?；魻栃?yīng)下，電子猶如勇往直前的戰(zhàn)士，它們會有序地運行，在遇到有缺陷的材料時也不會調(diào)頭，而是會繞行，就像高速公路上運行的車輛一樣。這樣的特性使得材料內(nèi)部電子的運行速度變得飛快，消耗的能量會大大下降。如果這樣的材料可以用到電子元器件上，就會大大減少發(fā)熱，也可以大大節(jié)約電能。

在這個過程中，找到合適的材料是關(guān)鍵。薛其坤介紹說，通過多年的努力，他的團隊制備出有磁性的、拓撲的、絕緣的超薄膜。但是學(xué)過物理學(xué)的中學(xué)生都知道，這三種性質(zhì)是互相矛盾的。磁性材料鐵、鈷、鎳是非常好的導(dǎo)體，不絕緣;陶瓷、玻璃等絕緣體又沒有磁性。如果要把絕緣體變得有磁性，只能在制造過程中加入很多的鐵、鈷、鎳，加少了材料依然絕緣，加多了變得有磁性后又會導(dǎo)電。

有說法稱：“打造這樣的材料就好比要求一個運動員既像姚明那樣高大，可以打籃球，還要像賽跑運動員一樣跑得快，像溜冰運動員一樣伶俐，像體操運動員那么精巧?！边@樣的材料在自然界中還沒有被發(fā)現(xiàn)，薛其坤的團隊用嚴格的元素配比在實驗室里制造出了符合這三個要求的材料。

在不少專家看來，量子科技在先進裝備制造業(yè)領(lǐng)域，很可能處于爆發(fā)前的一個臨界點。成立于2017年的本源量子公司，在2020年9月與建信金融科技達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，推動量子計算與金融產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。同時，該公司還發(fā)布了國產(chǎn)自主可控超導(dǎo)量子計算云平臺，并向量子計算產(chǎn)業(yè)落地的目標邁進。

此外，本源量子公司正在針對計算流體動力學(xué)問題進行科研攻關(guān)，以便為飛機的設(shè)計和優(yōu)化提供解決方案。飛機設(shè)計的效率在很大程度上取決于飛機的整體空氣動力學(xué)形狀。本源量子的方案，將原本耗時耗力的計算流體動力學(xué)（CFD）進程，變得相對簡單得多。其使用量子計算算法或以混合量子傳統(tǒng)方式，進行CFD仿真，可以更快、更好地解決問題。