【编者按】“基础研究和原始创新不断加强，一些关键核心技术实现突破，战略性新兴产业发展壮大，载人航天、探月探火、深海深地探测、超级计算机、卫星导航、量子信息、核电技术、大飞机制造、生物医药等取得重大成果，进入创新型国家行列。”九大关键核心技术中，量子信息与载人航天、超级计算机等一起，榜上有名。而在半月前的10月4日，诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。2020年10月，中央领导就量子科技研究和应用前景举行集体学习，时任清华大学副校长、现任南方科技大学校长薛其坤进行了专业讲解。到底什么是量子科技、量子纠缠和量子信息，量子科技发展为何具有重大科学意义和战略价值，我国科技工作者取得了哪些重点突破，我们通过几家权威媒体的报道，一起来了解一下。

“每个字我都认识，就是组合在一起看不懂了 ”

▲2022诺贝尔物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格。图源：诺贝尔奖官方网站 – NobelPrize.org

       民间故事里有个“崂山道士”，他可以穿墙而过，你以为这是骗术？量子力学中，“穿墙术”竟然是真的，叫“量子隧穿”。连金融巨鳄索罗斯也把自己的家业叫作“量子基金”。与此同时，从“量子波动速读”到“量子算命”，从“量子推拿”到“量子治痛经”，大量的“量子+”骗局也大行其道。量子世界，真的这么神奇吗？

       是的，会彻底颠覆你的传统认知。而且，很有必要来一场“时空穿梭”，知晓真量子，鉴别假量子。 

牛顿之后，“物理学尽善尽美，再也不可能有突破性进展了”？

▲经典力学伟大的奠基人——牛顿。图源：百度

       时光倒流到1900年。 当时，世间万物从银河系的星空，到人类脚下的尘埃，都被牛顿的“万有引力”所驯服，安安静静、有条不紊地运行着。太阳系海王星的发现，更加固了牛顿力学的坚不可摧。人类已经自信地认为掌控了力、热、光、电、磁等所有自然的规律。 经典物理帝国，进入全盛时代。

        1900年4月27日，伦敦天气，乍暖还寒。阿尔伯马尔街皇家研究所里，世界最有名的科学家们齐聚一堂。76岁的学术泰斗开尔文男爵发言了： “世界运行的一切原理都已经被发现了，物理学尽善尽美，再也不可能有任何突破性的进展了！But，物理学灿烂无比的天空中还飘浮着两朵乌云——‘以太问题’和‘黑体辐射’，未能得到解释。” 

       1900年时，钻研“黑体辐射”多年的普朗克已经42岁，过了不惑之年，还没找到答案。 一天，百思不得其解的普朗克，干脆破罐子破摔，心想“我是否先不考虑背后的物理原理，而是在数学上先凑出一个‘黑体辐射’的公式？” 于是，普朗克三下五除二，竟然真的蒙出来了！即著名的黑体方程和神奇的“普朗克常数（h）”。要说这“普朗克常数”有多厉害呢？在整个宇宙数字中可以排名前3，另两个是牛顿的万有引力常数G和相对论中的光速c。 普朗克最重要的思想贡献是指出“能量在发射和吸收时，不是连续的，而是一份一份的”。这又有啥了不起的？你只需知道，该观念颠覆了伽利略、牛顿以来，关于一切自然现象是连续不断的论断。从此，不连续、不确定的世界观诞生了。而这一份一份的东西，普朗克称之为：量子。12月，普朗克发表他的理论成果，如同打开潘多拉魔盒，释放了“量子”这个沉睡亿万年的幽灵，“量子力学”正式诞生。开尔文口中的一朵乌云，就这么引发了一场极微观的革命。 但是，此时的普朗克，并不能解释“一份一份的”能量，意味着什么。 道破天机者，此时还是个求职无门的小爱同学，5年后，他左手写出“光电效应”，解释了普朗克的困惑，成为量子论的另一开创者；他右手写出“狭义相对论”，赶跑了开尔文的另一朵乌云，掀起了极宏观的革命。

      令人意想不到的是，量子思想是如此之离经叛道，普朗克和爱因斯坦，不久后将变成量子论的坚决反对者，革命者本人成了反革命者！ 更令人意想不到的是，不认可量子规律，将成为爱因斯坦一生最大的“败局”。

玻尔VS爱因斯坦，科学史上最高智商的论战

科学史上最强合影——1927年，第五届索尔维会议。图源：百度

       大家应该读过这么一首英国小诗：“一沙一世界，一花一天堂；双手握无限，刹那是永恒。” 人们惊叹此诗的想象力。 但如果你回到1913年，28岁的丹麦青年玻尔大概率会告诉你：一沙一世界，这是真的。 打个不严谨的比方，如果把原子这枚粒子，放大10的30次方倍，就相当于一个银河系；一个原子，包含了整个宇宙，是一个宇宙的“全息胚”。 这一年，玻尔提出原子构造模型，宣告了量子力学进入“青年时代”，他开创了著名的“哥本哈根学派”，成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就，成为了量子界早期“三巨头”：普朗克、爱因斯坦、玻尔。 

       接下来，玻尔与爱因斯坦的大论战，是几个世纪来科学史上最了不起的论战。1927年10月底，索尔维会议召开。 “索尔维”的名字你可能没听过，但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过，他们都来了。下面这张合影，被称为人类历史上智商最高的一张合影，29人中共有17人获得诺贝尔奖。

      1927年索尔维会议合影 他们分为三派： 一，哥本哈根一派，由玻尔领衔，支持者波恩、海森堡、泡利等； 二，爱因斯坦一派，支持者有德布罗意、薛定谔等； 三，实验派，暂且略过。 一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后，没有结论，互不买账。于是，讨论很快指向了幕后的真正大佬，爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后，这场决斗延续了近30年，若干回合，直至两人先后去世。 来看其中最重要的三次交锋。 第一次交锋：爱因斯坦攻击“海森堡不确定性原理”。第二次交锋：继续攻击“不确定性原理”。第三次交锋：鬼魅般的超距作用。

“薛定谔的猫”，本意是嘲讽量子力学，却不料成为宣讲量子的最好案例

薛定谔和猫。图源：《宇宙探索未解之谜》科普片

       薛定谔是谁？ 他是奥地利人，参加过一战，研究物理，还开创了现代生物化学。他的感情生活和猫一样神秘，沾花惹草，绯闻不断。 不可思议的是，他在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中，创立了“薛定谔波动方程”。这个方程有多牛呢？在量子力学中，地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位，人称“情欲的大爆发”。 

       有一天，薛定谔在家“撸猫”，竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验： 假设把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子衰变，就会把毒药瓶打破，把猫毒死；如果它不衰变，毒药瓶就不会破，猫就继续喵喵叫。

打开盒子之前，由于原子处于衰变和没有衰变的叠加态，猫也处于死猫和活猫的叠加态。要注意的是，“既死、又活”只是一种状态，不是两种状态。 这怎么可能？没错，薛定谔也觉得不可能，他原本是用猫来反对前面玻尔一派的，即把微观世界的量子效应给放大到了宏观世界，矛盾自现，因为宏观中的猫怎么可能“既死、又活”呢？ 爱因斯坦看到这个实验后，非常高兴，写信给薛定谔说：“猫……以最优雅的方式驳斥了哥本哈根解释。”这一次，让玻尔够扎心的。 “悲剧”的是，几十年后的科学实验证明量子世界中，像“薛定谔的猫”这样的东西是存在的！于是，哥根本哈根学派还是主流。 爱因斯坦，又一次“死不瞑目”。

       现代科学乃至科幻中很多好玩的概念都可以从“薛定谔的猫”出发。 比如：平行宇宙。 “平行宇宙”理论解释：打开盒子的那一刹那，宇宙分裂了，成了两个不同的宇宙。其中一个宇宙中的你，看见了活猫；另一个宇宙中的另一个你，好奇害死猫。两种可能五五开。无数个你，活在无数平行世界里，经历着不一样的人生。

       量子力学，可以“无”中生有。 可是，为什么我们日常看不到量子现象？科学实验已经发现，“薛定谔的猫”真的有叠加态，人也会有叠加态，只是发生了极快的“退相干”，你呈现的是粒子特征，波动特征消失了。所以“九章”量子计算机这样的宏观应用，关键一步就是防止“退相干”发生，要在严格的环境下“保鲜”才行。

薛其坤：“量子科技是非常重要的战略领域，我国处于第一方阵”

薛其坤：中国科学院院士，南方科技大学校长，2013年带领团队在国际上首次实现了量子反常霍尔效应。图源：清华大学

量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。我国科技工作者在量子科技上奋起直追，取得一批具有国际影响力的重大创新成果。总体上看，我国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力。同时，也要看到，我国量子科技发展存在不少短板，发展面临多重挑战。我们必须坚定不移走自主创新道路，坚定信心、埋头苦干，突破关键核心技术，努力在关键领域实现自主可控，保障产业链供应链安全，增强我国科技应对国际风险挑战的能力。

2013年，中国科学院院士薛其坤带领研究团队在国际上首次从实验中观测到量子反常霍尔效应。因为这个重大科学突破，薛其坤获得2018年度国家自然科学奖一等奖，并于2020年成为首位获得菲列兹·伦敦奖的中国科学家。这项重大科学突破被杨振宁评价为“诺奖级”的科学发现。以下为《南方周末》2022年10月13日报道摘选。

南方周末：量子科技对公众而言神秘而陌生。你曾预言，未来30年，颠覆性的信息技术之一是量子计算机和量子网络。请用通俗的语言描绘一下它将怎样颠覆公众未来的生活方式。

薛其坤：实际上，我们现在所处的信息时代用的很多关键技术，比如互联网技术和光纤通信，就是量子技术的一些应用。一个非常典型的例子，高速光纤通信用的激光技术，是一个在20世纪60年代发现的典型的宏观量子现象，其原理是基于量子理论的受激辐射光放大。我们目前的很多互联网技术和芯片技术也是在量子规律研究发现基础上的应用。

大家可能认为，量子技术是一个很新的技术。实际上不是。从量子力学的建立到应用，已历时100年。

20年或30年后，到了量子计算机、量子互联网时代，量子技术将会带来显著的社会进步，可以从以下几个方面理解。

一是计算机处理信息的速度实现跨越式提升。目前全世界最快的超级计算机，每秒可进行百亿亿次浮点运算。虽然这种超级计算应用了类似笔记本电脑的集成技术，但要变成一个超级计算机，要把很多笔记本电脑堆积起来，它的体积可能是我们这栋楼这么大。超级计算机虽然可以达到令我们非常惊讶的计算速度，但会消耗很多电能，也占据很大空间。然而，量子计算机可能只有目前这个体积的1/10甚至1/100，但其处理信息的速度就可以超过现在世界上运算速度最快的超级计算机。

二是量子通信技术的大规模应用。量子通信可以解释为量子保密通信。举例来说，如果有人在我们通信时窃听，我们可以知道。这是一种高度安全的通信技术。一旦规模化应用，我们的信息安全将得到强有力的保障。

三是很多其他技术也会实现跨越式发展。比如，全球定位系统会更加精确。现在定位精度可能小于1米。未来通过量子精密测量技术，全球定位可能达到分米，甚至厘米量级。开车的人对精准定位是深有体会的。很多重要技术的精度提升一个量级或两个量级，将会带来非常意想不到的效果。再比如，随着量子技术发展，我们不需要打井勘探，用量子技术就可以知道某个地方有没有石油，有没有矿藏。

如果我们迎来了第二代量子技术的广泛应用，量子计算机和量子互联网得以实现的话，我们云处理数据的速度、掌控数据的能力将大为提升，信息的安全性也会得到极大的增强。我们现有的很多探测技术和传感技术能力也会得到大幅提升，整个信息时代会迎来一个跨越式发展。

潘建伟：“导师获奖实至名归，中国量子研究居世界第一方阵”

潘建伟团队研发的“墨子号”是世界上首颗空间量子科学实验卫星。图源：央视新闻

2022年诺贝尔物理学奖授予了 阿兰·阿斯佩（Alain Aspect ）、约翰克劳瑟（John F. Clauser）、 安东·塞林格（Anton Zeilinger），“以表彰他们对纠缠光子进行的实验，证明了对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。安东·塞林格对中国读者来说并不陌生，他就是中国量子信息和量子计算的领军人物、中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟在奥地利留学时期的博士生导师。

早在上世纪90年代后期，潘建伟就和导师塞林格一起开始发展量子信息。之后，当潘建伟回国后，更是带领中国在量子信息和量子计算领域做出了一系列的成果，如“墨子号”量子科学实验卫星在2016年8月16日发射升空，2022年5月，中国“墨子号”实现1200公里地表量子态传输新纪录。2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。在导师塞林格以及其他两位量子信息的先驱获得诺奖之际，《知识分子》连线潘建伟，请他解读这次的诺奖并对未来该领域的发展做出展望。以下为《知识分子》公众号对潘建伟院士报道专访。

《知识分子》：我们也很关心中国的现在的量子信息、量子计算的发展是怎么样的，中国在这些领域的研究在世界上处于什么水平？

潘建伟：我自己来说自己不太好，这里只引用一下国外媒体的说法。比如说，其实早在2007年的时候，英国的《新科学家》杂志就发布过一次特刊，专门讨论中国的崛起，里面专门讲了 the people’s quantum computer，讲我们中国正在成为一个创新的国度，里面专门提到了“人民的量子计算机”，因为我们中华人民共和国在这些领域已经在世界上牢牢地占据了领先地位。

到了去年的6月份，美国的《科学》杂志又讲，真的得益于中国“墨子号”等重要成果，迫使当时的特朗普政府启动了美国的量子行动计划。也就是说，他们认为我们给他们确实是起到了很好的推动作用，说我们肯定是处于世界领先的，我们给他们带来了压力。所以从这种角度上讲，我觉得我们中国在量子技术，特别是在量子通信和量子计算方面，在国际上我们是很好的，是处于第一方阵的。

再比如2021年，当时的法国总统马克龙在启动法国的量子计划的时候，说法国要努力争取继中美之后成为世界前三。那么也就是说，我们不敢说我们是第一，但是我们肯定是在前二。当然，这得益于国家的支持，我们科学家也很努力，因此取得了这样的成绩。

（本文参考借鉴了央视网、南方周末、知识分子等媒体平台的相关报道，特此致谢。）

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