劃重點(diǎn)：
1量子力學(xué)對(duì)應(yīng)的是經(jīng)典力學(xué)。微觀世界是不確定的，不可預(yù)測(cè)的，只能計(jì)算可能性；
2量子疊加原理：著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)就是把微觀世界的疊加原理放大到宏觀世界出現(xiàn)的悖論；
3人們可以利用量子糾纏來做量子秘鑰分發(fā)，利用量子秘鑰分發(fā)來做量子保密通信；
4選擇從事科學(xué)研究是一種生活方式，興趣是必要條件。科學(xué)研究的對(duì)錯(cuò)由自然界客觀去判定，不受其他主觀因素影響；
5科學(xué)探索獎(jiǎng)不單單是物質(zhì)上的獎(jiǎng)勵(lì)，同時(shí)也是精神上的獎(jiǎng)勵(lì)。是社會(huì)對(duì)從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的科學(xué)家的尊重和肯定。
騰訊科技 文/ 孫實(shí) 喬輝 佟金恒
2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，配合地面臺(tái)站在太空與地面之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)研究；2017年，潘建偉入選《自然》年度“十大科學(xué)人物”；2019年2月，由潘建偉領(lǐng)銜的“墨子號(hào)” 量子衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)獲得克利夫蘭獎(jiǎng)，這也是該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立90多年來，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次獲得這一重要榮譽(yù)。
近日，騰訊科技獨(dú)家對(duì)話中國科學(xué)院院士潘建偉，對(duì)量子科學(xué)進(jìn)行討論，回顧潘建偉在量子科學(xué)研究中遇到的無數(shù)困難和質(zhì)疑，并給青年科學(xué)家提出建議。
什么是量子力學(xué)？
量子力學(xué)是區(qū)別于傳統(tǒng)力學(xué)的。
第一次科學(xué)革命是以經(jīng)典物理學(xué)為代表的，包括牛頓力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)都是第一次科學(xué)革命當(dāng)中的重大科學(xué)成果。在這些理論里，一旦作用在物體上的力和初始條件是知道的話，一個(gè)物理體系會(huì)演化到什么狀態(tài)，可以事先很精確地把它計(jì)算出來。這就意味著一種決定論。
打個(gè)比方，如果構(gòu)成一個(gè)人身上的所有粒子，都是按照經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律來運(yùn)行的話，那么這個(gè)人所說的每一句話、做的每一個(gè)行動(dòng)，原理上都是可以預(yù)先計(jì)算出來的，就像機(jī)器人一樣了。當(dāng)然，我們相信人自身一定是有主觀能動(dòng)性的，但是經(jīng)典物理學(xué)肯定解釋不了。
量子力學(xué)是在上個(gè)世紀(jì)初建立起來的、描述微觀粒子規(guī)律的一個(gè)新理論，有兩個(gè)基本原理。
第一個(gè)基本原理是“相干疊加原理”。比如，在微觀世界的一個(gè)原子，它會(huì)有高能級(jí)和低能級(jí)。如果原子處在低能級(jí)的狀態(tài)叫做0，高能級(jí)叫做1的話，它會(huì)在0和1之間“跳來跳去”，但是在某些時(shí)候，原子不僅可以處于0或者1的狀態(tài)，也可以處于0+1的疊加狀態(tài)，這是量子力學(xué)和牛頓力學(xué)不一樣的基本特征。不僅是原子，分子、光子等微觀粒子都可以處于多個(gè)狀態(tài)的相干疊加。處于這樣相干疊加的狀態(tài)，你去測(cè)粒子到底是0還是1是難以測(cè)準(zhǔn)的，因?yàn)榱Ｗ釉揪图炔皇?也不是1。
而對(duì)處于這樣的狀態(tài)的粒子進(jìn)行測(cè)量的話，會(huì)對(duì)它有干擾，比如從0+1變成了0或者1。所以量子力學(xué)就告訴我們，觀測(cè)者的行為，也就是測(cè)量，會(huì)對(duì)客體的演化產(chǎn)生影響。從這一點(diǎn)看，量子力學(xué)打破了牛頓力學(xué)的機(jī)械決定論，在哲學(xué)上是更加積極的。
第二個(gè)基本原理，叫做“不可分割性”。比如手電筒里發(fā)出的一束光，我們對(duì)它的能量不斷地衰減，最后就會(huì)成為一份一份不連續(xù)的能量顆粒，不可再分割了。這種最小的能量顆粒就是光量子或光子，代表著光能量的最小單元。
量子力學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中有什么應(yīng)用嗎？
其實(shí)量子力學(xué)是我們很多現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)。比如核磁共振，就是利用量子力學(xué)的一些基本技術(shù)發(fā)展起來的；晶體管的理論基礎(chǔ)就是量子力學(xué)；在很小的手機(jī)上能夠存這么大量的信息，就是利用量子力學(xué)的一種巨磁阻效應(yīng)，還有超導(dǎo)等等。量子力學(xué)在材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)，包括信息科學(xué)領(lǐng)域都是基礎(chǔ)理論?？梢哉f我們每天都在用量子力學(xué)的效應(yīng)，只不過多數(shù)人不需要知道它的根源是什么。
量子糾纏、量子通信和量子計(jì)算是什么？
量子糾纏：
科學(xué)家不滿足于僅僅是利用量子力學(xué)的效應(yīng)，還想進(jìn)一步搞清楚量子力學(xué)的基本原理。比如大家就在想，一個(gè)粒子可以處于0+1，兩個(gè)粒子是不是可以處于00+11呢？這是什么意思呢？這就叫做“量子糾纏”。量子糾纏會(huì)有什么現(xiàn)象呢？用一個(gè)形象一點(diǎn)的比喻，有兩個(gè)平時(shí)玩游戲用的骰子，每個(gè)骰子有6個(gè)結(jié)果。假設(shè)這兩個(gè)骰子糾纏在一起之后，把它們分隔非常遙遠(yuǎn)，一個(gè)在合肥我的辦公室，另一個(gè)在深圳騰訊的辦公室里。你去扔在合肥的那個(gè)骰子，它隨機(jī)地得到結(jié)果1，結(jié)果在騰訊辦公室的那個(gè)骰子扔出的結(jié)果也是1；你再仍一次如果變成6，深圳那個(gè)也變成6了。量子糾纏就有這么一種關(guān)聯(lián)的隨機(jī)性。
量子通信：
有了這種關(guān)聯(lián)的隨機(jī)性之后，就可以實(shí)現(xiàn)量子通信了。具體來說，比如我們倆手中有好多粒子，都糾纏在一起了，就像扔骰子一樣，你在深圳的辦公室和我在合肥的辦公室扔，這兩個(gè)結(jié)果完全一樣，而且別人猜不出來某次扔出的結(jié)果是什么。利用這種隨機(jī)數(shù)的關(guān)聯(lián)，就可以來做量子密鑰分發(fā)，隨機(jī)數(shù)就是密鑰。
有了這組密鑰之后，我要傳送的信息、文件，就可以用這個(gè)隨機(jī)數(shù)來加密，加密完之后就變成一堆亂碼，別人讀不出來，這個(gè)密鑰只有你和我有，只有你我才能讀出來，可以用這種方法來做保密通信。這是量子通信目前比較成熟的一種應(yīng)用方式。
量子隱形傳態(tài)：
量子通信還有什么其他的用途呢？假如有一個(gè)粒子處于某一量子狀態(tài)，你想把它所攜帶的量子信息從北京傳到深圳過去。除了把這個(gè)粒子直接送到深圳之外，還有另一種方法。利用量子糾纏的幫助，做一定的操做，可以不用把這個(gè)粒子本身傳過去，但是可以把這個(gè)粒子所攜帶的信息從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的地方。
這個(gè)速度是很快的，可以以光的速度來進(jìn)行傳遞，這就叫做量子隱形傳態(tài)。本質(zhì)上我們的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)信息處理的網(wǎng)絡(luò)，信息從這個(gè)處理單元到那個(gè)處理單元，這么跑來跑去。利用量子隱形傳態(tài)，可以讓量子信息在網(wǎng)絡(luò)里面?zhèn)鱽韨魅ィ@樣就構(gòu)建了一個(gè)量子信息處理的網(wǎng)絡(luò)，也就是量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算：
在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)里面，一個(gè)比特只能處于0或者1這兩個(gè)狀態(tài)里面的某一個(gè)。到量子計(jì)算機(jī)里面，一個(gè)量子比特則可以同時(shí)處于0和1這兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。在我們這個(gè)手提電腦里面，兩個(gè)比特要么就是00，要么是01，要么是10，要么是11，某一時(shí)刻只能處于這4種狀態(tài)之一。
在量子計(jì)算機(jī)里，兩個(gè)量子比特，可以同時(shí)處于00，10，01，11這4種狀態(tài)的疊加。這么一來，原理上量子計(jì)算機(jī)就可以同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行的處理，計(jì)算能力就呈指數(shù)增長。如果能達(dá)到100個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)處理某些特定問題的計(jì)算能力就會(huì)比我們現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)快很多很多了。
能否用實(shí)驗(yàn)證明量子糾纏是否存在？
愛因斯坦很不喜歡量子糾纏，他覺得相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)骰子怎么會(huì)有這種跨越空間的關(guān)聯(lián)呢？他把量子糾纏稱作“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”，他認(rèn)為量子力學(xué)一定是哪里出錯(cuò)了，才導(dǎo)致了如此詭異的結(jié)論。我當(dāng)年在大學(xué)的時(shí)候?qū)W習(xí)了量子力學(xué)之后，也被量子疊加、量子糾纏搞糊涂了。我為什么后來一直在做量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)，研究量子糾纏，因?yàn)槲冶緛硪彩窍嘈艕垡蛩固沟模蚁Ｍ軌蛲ㄟ^實(shí)驗(yàn)證明愛因斯坦是對(duì)的。
但是大量的實(shí)驗(yàn)證明，量子糾纏的“詭異互動(dòng)”的確是存在的。我們2017年的時(shí)候利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星做了一個(gè)比較好的實(shí)驗(yàn)，證明了糾纏在相距1200公里之后仍然是存在的。現(xiàn)在學(xué)術(shù)界都相信，確實(shí)量子力學(xué)里面有這樣一種內(nèi)稟的、超越空間關(guān)聯(lián)的隨機(jī)性，不僅是所有人預(yù)測(cè)不了對(duì)量子糾纏下一次的測(cè)量結(jié)果是什么，哪怕統(tǒng)治宇宙萬物的理論，也預(yù)測(cè)不了，或者說“上帝”也預(yù)測(cè)不了。
這么做完會(huì)覺得特別的神奇，為什么會(huì)有糾纏呢？經(jīng)常有人會(huì)問我，糾纏到底是怎么回事？我解釋過好幾次，大家都覺得很難理解。到現(xiàn)在為止，盡管在實(shí)驗(yàn)上實(shí)實(shí)在在可以無數(shù)次重復(fù)出來驗(yàn)證糾纏的存在，但是誰也不知道為什么會(huì)有量子糾纏。
對(duì)于量子糾纏背后的原理，學(xué)術(shù)界有兩種觀點(diǎn)。一種認(rèn)為，隨著物理學(xué)的發(fā)展，糾纏的根源是可以被揭示的，現(xiàn)在搞不明白，可能是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠，或者理論沒發(fā)展到新的階段；另外一種觀點(diǎn)，就像一位著名物理學(xué)家講過的一句話，他說大自然是非常友好的，它讓我們能夠理解它；但是它又是非常奇妙的，又不會(huì)讓我們能夠理解它的全部。量子糾纏可能就是大自然留給人類的一個(gè)謎。
我也一直想把量子糾纏的根源搞明白，但可能在以后很長一段時(shí)間里面都是搞不明白的。不過，這并不妨礙我們利用量子糾纏來進(jìn)行量子信息處理。這就如同萬有引力定律一樣，引力同距離平方的倒數(shù)成正比，為什么一定是平方而不是線性或者是三次方呢？其實(shí)也不清楚，但人們照樣可以利用萬有引力定律去計(jì)算星體的軌道、發(fā)展航天技術(shù)等等。
量子科學(xué)研究面臨著哪些質(zhì)疑？
您又是怎么克服的？
其實(shí)大多數(shù)人都沒學(xué)過量子力學(xué)，盡管每天都在用量子力學(xué)，但是并不了解它的這兩個(gè)精髓——不可分割性和疊加性。所以公眾對(duì)量子科技有兩方面的誤解。一是懷疑量子力學(xué)本身的科學(xué)性和正確性，二是在量子信息技術(shù)推向應(yīng)用時(shí)，顧慮這項(xiàng)技術(shù)是否成熟。
其實(shí)，一個(gè)創(chuàng)新性科技從產(chǎn)生到得到廣泛應(yīng)用，通常需要經(jīng)歷三個(gè)階段。剛開始，公眾接觸到一個(gè)全新的領(lǐng)域時(shí)會(huì)覺得這個(gè)技術(shù)“不靠譜”，比如，在早期，量子信息甚至被認(rèn)為是偽科學(xué)；當(dāng)發(fā)展到一定階段后公眾又會(huì)覺得某項(xiàng)技術(shù)原理上可行，但要推向應(yīng)用卻“不成熟”，這可能是由于我們?cè)谶^去長期處于跟蹤和模仿狀態(tài)，對(duì)于現(xiàn)在自主掌握的領(lǐng)先技術(shù)不夠自信，往往要等到國外已經(jīng)發(fā)展成熟后才覺得我國應(yīng)該跟進(jìn)；而到將來廣泛成熟應(yīng)用后，到那時(shí)人們又可能對(duì)某項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用習(xí)以為常，覺得這不是什么“新東西”了。到此才完成了一個(gè)創(chuàng)新性技術(shù)發(fā)展的全過程。
怎么克服？其實(shí)也沒什么太好的辦法，只有靠耐心。最開始是一些小同行有共同的觀念，
經(jīng)過一段時(shí)間，有越來越多的人來做了，又不斷有好的成果出來，大家慢慢覺得這個(gè)東西開始靠譜起來，所以最重要的一點(diǎn)是要學(xué)術(shù)共同體有一個(gè)共識(shí)。你只能等待，讓大家慢慢看到是可以理解的，認(rèn)識(shí)到你這個(gè)東西確實(shí)是有價(jià)值的，這是創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展的必然過程，需要有耐心。
中國量子科學(xué)研究在世界上是什么水平？
量子力學(xué)是在歐洲建立的，傳到全世界各地，最后為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。由于歷史的原因，我們國家在經(jīng)典信息技術(shù)方面雖然已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但畢竟在總體上還是模仿者和跟隨者，這是非常遺憾的。
在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究方面，國外做得早的多，以前一直領(lǐng)先我們。改革開放后，我們國家慢慢重新派人出去了，有互相的交流，后來有很多杰出的學(xué)者回來了，包括科大、清華、北大、中科院物理所等，很多在量子物理方面研究比較杰出的學(xué)者，都從國外回來了。這樣一來，再加上國家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，我國的量子物理研究水平也慢慢上來了，在某些方向已經(jīng)和發(fā)達(dá)國家處于同一水平線。
目前大家都認(rèn)為量子信息研究是歐洲、美國、中國三架馬車，總體上講是并駕齊驅(qū)的。當(dāng)然，量子信息領(lǐng)域有三個(gè)方面，除了我剛才講的量子通信外，還有量子計(jì)算和量子精密測(cè)量。國際上的學(xué)者現(xiàn)在都覺得，目前中國在量子通信方面是處在領(lǐng)導(dǎo)者的地位，量子計(jì)算跟他們?cè)谕凰骄€上。前陣子MIT的校長就說過，在量子計(jì)算方面，將來的競爭就是中國、美國和歐洲的競爭。所以整個(gè)量子信息領(lǐng)域，在國家的支持之下，我們是比較有信心的。
中國量子信息科學(xué)發(fā)展的原因？
我們國家進(jìn)入到量子信息領(lǐng)域已經(jīng)有20多年了。我們?cè)趺磸?0多年之前剛進(jìn)入，到現(xiàn)在部分領(lǐng)先了，我覺得原因是多個(gè)方面。
第一，得益于改革開放，和國際上的交流開始密切起來，很多人出去求學(xué)了。我很幸運(yùn)，我在奧地利讀博士時(shí)候，和同事們一起完成的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)，是在量子信息領(lǐng)域，不敢說是里程碑，也至少是轉(zhuǎn)折點(diǎn)一樣的實(shí)驗(yàn)。后來《自然》雜志為了慶祝美國物理學(xué)會(huì)成立100周年，選了百年21篇經(jīng)典論文，這篇文章被選進(jìn)去了，也是量子信息領(lǐng)域唯一一篇。從那以后，量子信息實(shí)驗(yàn)研究就進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。我還是很幸運(yùn)，趕上了這個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，掌握了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
二是正好有機(jī)遇，你就走到前面了。如果我們沒有改革開放后經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域取得的巨大成就，就沒有足夠的科研經(jīng)費(fèi)支持。在90年代中后期做實(shí)驗(yàn)很難，買設(shè)備的錢都很缺乏。到了2002年、2003年，國家在科研尤其是實(shí)驗(yàn)方面的投入就大幅度提高了。這樣的話，我們自己又有能力，又有足夠的保障，就能夠走到前面去。
還有第三點(diǎn)，我們有需求。我們?cè)趥鹘y(tǒng)信息方面，是模仿者、跟蹤者。但是現(xiàn)在，量子通信可以提供原理上無條件安全的通信方式，量子計(jì)算可以大幅度提高計(jì)算能力，都有重大的需求，而且在國際上都是比較新的領(lǐng)域，這就給了我們一個(gè)“彎道超車”的機(jī)遇。
作為科學(xué)探索獎(jiǎng)發(fā)起人之一，您對(duì)年輕的科研人員有什么建議？
關(guān)于興趣
我記得1987年高考的時(shí)候，我也是可以保送到很好的大學(xué)去學(xué)經(jīng)濟(jì)管理，那時(shí)經(jīng)管已經(jīng)比較吃香了。在面臨高考選擇志愿的時(shí)候，我自己很喜歡物理，物理對(duì)我來說，幾條原理知道之后，什么東西都可以推導(dǎo)出來，我覺得很好，但我又擔(dān)心學(xué)物理將來沒有足夠的錢養(yǎng)活家人。我跟我家里商量一下，父母告訴我，反正我們都有退休工資，也不需要你養(yǎng)，你自己想干什么就干什么。所以真正的其實(shí)從事科學(xué)研究，首先要喜歡它，因?yàn)榭茖W(xué)研究其實(shí)也是你的一種生活方式。這種生活方式好在什么地方？其實(shí)是由自然界決定的。
比如現(xiàn)在公司老總表揚(yáng)你一下，你覺得是很大的成就。但是科學(xué)研究的成就是由自然界本身決定的，對(duì)就是對(duì)，錯(cuò)就是錯(cuò)。你把勾股定理證明了，那就是對(duì)的，別人再怎么反對(duì)，它也不可能是錯(cuò)的。
第二你既然喜歡了，想干這個(gè)東西，不用太著急有什么成果，可以加強(qiáng)積累，時(shí)候到了肯定會(huì)有點(diǎn)成果。第三，要有耐心，機(jī)遇總是會(huì)來的，不要太著急。
最重要的是有興趣，不要把科學(xué)研究單純當(dāng)做是吃飯的家伙，而是在科學(xué)研究的過程中順便能夠把吃飯給解決了。關(guān)鍵是要真正喜歡基礎(chǔ)研究的年輕人去做基礎(chǔ)研究。
關(guān)于社會(huì)氛圍
我們國內(nèi)的教師、家長和學(xué)生，都存在一種趕熱門的趨勢(shì)。像當(dāng)年，“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的時(shí)候，學(xué)生們都拼命去考北大物理系、中國科大物理系或者數(shù)學(xué)系等等；到后來搞金融特別熱的時(shí)候，這些高考狀元不管喜歡不喜歡，全部都去學(xué)金融，這樣是不好的。其實(shí)應(yīng)該提倡的是，你喜歡做基礎(chǔ)研究就去做基礎(chǔ)研究，其他的因素就不要干擾。
因?yàn)槟贻p人確實(shí)心性還沒有定，倒不是說年輕人不適合做基礎(chǔ)研究，社會(huì)的氛圍有時(shí)候會(huì)讓年輕人不太能夠沉下心。哪怕他特別喜歡，你說這個(gè)東西沒飯碗、沒前途，大家還是得首先考慮填飽肚皮，像愛因斯坦當(dāng)年都沒辦法，還在專利局干過。從這種角度我覺得應(yīng)該有一種比較好的社會(huì)氛圍，讓大家能夠去潛心研究。
作為發(fā)起人之一，您認(rèn)為設(shè)立科學(xué)探索獎(jiǎng)的意義是什么？
生活壓力
我遇見好多年輕人，他們確實(shí)是比較辛苦的，特別是成家之后?，F(xiàn)在大家都有很大的生活壓力，我當(dāng)年也有很大的生活壓力。我一直有這樣一個(gè)愿望，尤其是對(duì)博士畢業(yè)之后，35歲左右到45歲之間的年輕人，一方面他們上有老、下有小，但這段時(shí)間又是他最有創(chuàng)造力的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)給他們一種穩(wěn)定的支持，讓他們能夠去潛心研究。
科學(xué)探索獎(jiǎng)，每年一搞就是50個(gè)人，300萬人民幣，基本上這些科學(xué)家拿到這筆資助以后，至少在未來8年、10年里面可以比較安心地開展研究工作了，這很重要。我覺得科學(xué)探索獎(jiǎng)最重要的意義就是能夠讓年輕人潛心從事科學(xué)基礎(chǔ)方面的研究。
榮譽(yù)
榮譽(yù)感也很重要。一個(gè)大獎(jiǎng)對(duì)年輕人來說不僅在經(jīng)濟(jì)上是一種激勵(lì)，也是很好地告訴他，搞基礎(chǔ)研究也可以得到大家的尊重和肯定，這個(gè)也很重要。
鼓勵(lì)大家更多關(guān)注基礎(chǔ)科學(xué)
我上大學(xué)的時(shí)候，盡管很多同學(xué)都是非常喜歡理科的，但到了畢業(yè)的時(shí)候，如果不出國、不去讀研究生，學(xué)基礎(chǔ)研究的人找工作都難，所以有不少同學(xué)后來都轉(zhuǎn)行了。從這種角度上講，科學(xué)探索獎(jiǎng)可以讓基礎(chǔ)研究得到大家的充分關(guān)注，我覺得這是一個(gè)非常好的事情。
