編者按：習(xí)近平總書記指出，“科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作。”為助力高水平科技自立自強(qiáng)，中國科協(xié)科普部聯(lián)合光明網(wǎng)推出“院士高端科普”欄目，邀請各領(lǐng)域院士就我國當(dāng)下熱點(diǎn)科技問題給予權(quán)威解答，服務(wù)引導(dǎo)更多科技工作者提升科研科普能力，促進(jìn)全民科學(xué)素質(zhì)提升，為科技強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)科普力量。#千萬IP創(chuàng)科普

今年是個(gè)特別的年份——1925年6月，海森堡在德國黑爾戈蘭島上建立了矩陣力學(xué)，用他的方程精準(zhǔn)解析了氫原子光譜，這標(biāo)志著現(xiàn)代量子理論正式誕生。到2025年，量子力學(xué)恰好走過了100年。

量子力學(xué)的誕生，像一把鑰匙打開了現(xiàn)代信息技術(shù)的大門。沒有它，就不會(huì)有今天的計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)，更不會(huì)有我們習(xí)以為常的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。過去100年里，它為以信息技術(shù)為代表的第三次產(chǎn)業(yè)變革注入了核心動(dòng)力，深刻改變了人類文明的進(jìn)程。

中國科學(xué)院院士、2017年未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲得者潘建偉

而現(xiàn)在，我們正站在新的起點(diǎn)上。隨著人類操控單個(gè)原子、分子、光子的能力不斷提升，一個(gè)全新的學(xué)科——量子信息科學(xué)正在蓬勃發(fā)展。未來20年，它或許會(huì)與人工智能深度融合，催生又一次重大的產(chǎn)業(yè)變革。

量子信息：安全、算力與感知的新可能

很多人會(huì)問，量子信息到底有什么用？簡單說，它能在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域帶來突破性進(jìn)展：信息安全傳輸、強(qiáng)大計(jì)算能力、精確感知物理世界。

上個(gè)月，我和領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)家們在德國黑爾戈蘭島相聚，既回顧了量子力學(xué)百年成就，也展望了量子信息科技未來20年的前景。我們一致認(rèn)為，這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步將極大推動(dòng)整個(gè)科技發(fā)展，甚至能幫助我們更深刻地理解生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、材料科學(xué)中的復(fù)雜現(xiàn)象。

先說信息安全。量子世界有個(gè)神奇的特性叫“量子糾纏”，它能讓遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的粒子產(chǎn)生精確關(guān)聯(lián)。利用這種關(guān)聯(lián)，我們可以生成原理上不可破解的量子密碼，實(shí)現(xiàn)信息論可證的最高級(jí)別安全信息傳輸——也就是說，這種安全性是數(shù)學(xué)上能嚴(yán)格證明的，絕對可靠。

圖片由AI生成

現(xiàn)在，中國電信已經(jīng)有大約500萬量子保密手機(jī)用戶了。相信未來20年，越來越多的人會(huì)用上這種由量子密碼守護(hù)的信息安全手段，讓我們的通信多一層“金鐘罩”。

再講講時(shí)頻技術(shù)。大家熟悉的GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，其原子鐘的精度大約是1000萬年誤差1秒。但如果用上量子技術(shù)，我們能造出100億年甚至更久才誤差1秒的時(shí)頻設(shè)備。這意味著什么？它能讓時(shí)間測量和導(dǎo)航精度邁上一個(gè)新臺(tái)階。目前，中國科學(xué)家正和國際同行一起，構(gòu)建遠(yuǎn)距離的時(shí)頻分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，未來我們的定位、通信都會(huì)更精準(zhǔn)、更高效，甚至還可以為時(shí)間單位“秒”提供新的定義。

最讓人激動(dòng)的，還是量子計(jì)算機(jī)。如果未來20年我們能造出通用量子計(jì)算機(jī)，它將提供一種革命性的計(jì)算能力?，F(xiàn)在人工智能領(lǐng)域?qū)λ懔Φ男枨笤絹碓酱?，而量子?jì)算機(jī)有望成為解決這個(gè)問題的關(guān)鍵。

祖沖之三號(hào)芯片示意圖

不過，量子計(jì)算機(jī)目前面臨一個(gè)大挑戰(zhàn)：錯(cuò)誤率。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的單次操作錯(cuò)誤率很低，就算運(yùn)算很久，結(jié)果依然可信；但量子計(jì)算機(jī)不一樣，單次操作錯(cuò)誤率較高，算的時(shí)間一長，結(jié)果就可能偏離正確答案，變得不可信。

怎么解決？我們需要“量子糾錯(cuò)”技術(shù)。打個(gè)比方，一根火柴棍立在地上，很快就會(huì)倒；但三根火柴棍互相支撐，就能立很久；如果有很多火柴棍搭建出穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，就能抵抗周圍的振動(dòng)。量子糾錯(cuò)也是這個(gè)道理：用很多量子比特（就像火柴棍）構(gòu)建一個(gè)對環(huán)境干擾不敏感的系統(tǒng)，哪怕有外界影響，計(jì)算也不會(huì)出錯(cuò)。

現(xiàn)在量子糾錯(cuò)已經(jīng)有了可喜進(jìn)展，我們希望能在5到10年內(nèi)解決這個(gè)問題?；蛟S到2040年，甚至2035年，容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)就能真正建成。想想看，那會(huì)給世界帶來多大的改變？

量子世界的神奇：糾纏與未知

在量子世界的諸多現(xiàn)象里，最讓我著迷的是量子疊加和量子糾纏。

經(jīng)典世界里，一個(gè)比特要么是0，要么是1；但在量子世界，一個(gè)量子比特可以處于“0+1”的相干疊加狀態(tài)。如果有兩個(gè)量子比特，就會(huì)產(chǎn)生糾纏——比如處于“00+11”的狀態(tài)。

這是什么意思？假設(shè)我把兩個(gè)糾纏的微觀粒子分開，一個(gè)給你，一個(gè)我留著。哪怕我們相距千里，甚至更遠(yuǎn)，當(dāng)你觀測你手中的粒子，得到一個(gè)確定結(jié)果時(shí)，我手中的粒子狀態(tài)也會(huì)瞬間確定。愛因斯坦曾把這種現(xiàn)象稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。

圖片由AI生成

我大學(xué)本科時(shí)就對這個(gè)現(xiàn)象著迷，做本科論文時(shí)專門研究它，后來做實(shí)驗(yàn)也總想弄明白背后的原理。直到現(xiàn)在，所有實(shí)驗(yàn)都證明量子糾纏確實(shí)存在，但“為什么會(huì)這樣”，我們依然沒有答案。就像楊振寧先生說的，量子糾纏可能是自然界向我們展示它的強(qiáng)大——有些東西我們能理解，比如萬有引力、無線電，但總有一些奧秘讓我們意識(shí)到人類認(rèn)識(shí)的局限。

但這并不妨礙我們利用它。量子通信、量子計(jì)算，很多前沿技術(shù)都建立在對量子糾纏的應(yīng)用上。我們或許暫時(shí)無法解釋“為什么”，但可以先學(xué)會(huì)“怎么用”。

科研關(guān)鍵詞：選擇、跨界與興趣

常有年輕人問我，優(yōu)秀的科研團(tuán)隊(duì)需要什么特質(zhì)？我想起楊振寧先生的一句話：對年輕人來說，選一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，加上自身能力，就能較快取得成果；如果選了夕陽領(lǐng)域，再強(qiáng)的能力也難有突破——就像一棵樹上沒什么果子了，跳得再高也摘不到多少。

所以，首先要能判斷哪個(gè)領(lǐng)域是“長滿果子”的。量子信息科學(xué)現(xiàn)在就是這樣的領(lǐng)域，充滿活力和可能。

其次，跨學(xué)科合作尤其重要。量子信息涉及算法（需要數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)理論）、硬件（需要材料、微納加工）、物理機(jī)制（需要物理學(xué)）。我們團(tuán)隊(duì)里，有做光物理的，有做算法的，有做電子學(xué)的，大家聯(lián)合起來，才能做單個(gè)人做不了的事。比如提出Glover量子搜尋算法的格羅弗教授，他根本沒學(xué)過量子力學(xué)，只是從計(jì)算機(jī)理論出發(fā)，利用量子比特可以處于疊加態(tài)的特性，就做出了重大成果。我們團(tuán)隊(duì)最近和人工智能實(shí)驗(yàn)室合作，用機(jī)器學(xué)習(xí)快速排列幾千個(gè)中性原子，效率比手工編程高多了。這說明，量子信息領(lǐng)域需要數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、物理、電子等各領(lǐng)域的人才。

圖片由AI生成

最后，興趣是最好的老師。我在上世紀(jì)90年代選擇量子領(lǐng)域時(shí)，它還不是熱門。但因?yàn)楦信d趣，就愿意帶著好奇心堅(jiān)持下去。做科研難免遇到困難，興趣就是無窮耐心的源泉。

回望量子力學(xué)的100年，從理論誕生到改變世界；展望下一個(gè)20年，相信量子信息科學(xué)會(huì)帶來更多驚喜。我們也相信，未來的奇跡，就藏在年輕人的好奇與堅(jiān)持里。

（文章系未來科學(xué)大獎(jiǎng)十周年慶典期間光明網(wǎng)采訪潘建偉院士的內(nèi)容，記者宋雅娟、蔡琳采訪整理）

來源: 科學(xué)報(bào)國正當(dāng)時(shí)

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