7月21日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”科學應用系統總師彭承志在位於安徽合肥的科大國盾量子技術有限公司留影

　　量子計算狂飆猛進的同時，其他量子力學衍生出的新技術，在氣象監測、信息通信、生物醫藥等領域，都能找到應用場景。

文/《環球》雜誌記者 戴威

編輯/吳美娜

　　1900年，德國，42歲的馬克斯·普朗克首次提出“量子論”，曾經堅不可摧的牛頓力學大廈，探出一束來自微觀世界的光……

　　質疑、爭論，最終飛速發展。百餘年後，這束光終於投向科技舞&&央。人們不禁要問：這束光，真的能改變世界嗎？距離那時，還有多久？

開闢認知新大陸

　　1926年，德國物理學家馬克斯·玻恩發表了一篇科研文章——《碰撞過程中的量子力學》。不久，他收到了好友阿爾伯特·愛因斯坦的一封信。

　　信中，愛因斯坦寫道：量子力學的概念的確是如此與眾不同，令人印象深刻。但是內心的聲音告訴我，它並非真實之物。無論如何，我都確信，上帝不擲骰子。

　　愛因斯坦用擲骰子做比喻，把確定性和“上帝”劃上等號。他堅定地認為，上帝不會去擲這枚沒有確定結果的骰子。

　　在量子力學興起之前，愛因斯坦的這一觀點代表了大多數人的想法。人們普遍認為，經典物理學可以解釋自然界中所有的物理現象。在經典物理學中，每時每刻，每個基本粒子都位於某個確定的點或空間中的位置，並且具有確定的速度，因此具有相應的確定動量。然而，隨着科學技術不斷發展，人們逐漸發現一些經典物理學無法解釋的現象：光電效應、SimHei輻射問題、電子的波粒二象性……

　　疑問接踵而至，科學家們的工作，就是適時回應。

　　上世紀20年代，哥本哈根學派的創始人、丹麥物理學家尼爾斯·玻爾，德國物理學家沃納·海森堡，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤等人相繼提出了量子力學的基本原理，共同建立起現代量子力學框架。在量子力學的世界裏，基本粒子有了各種可能性，其位置和動量是不能同時被精確測定的，這就是量子的不確定性原理。

　　量子力學理論的建立加速了人類對微觀世界的認識，成為現代物理學的理論基礎之一，使人們對物質世界的認識從宏觀跨進微觀。此外，量子還催生發展出一系列足以改變世界的理論和技術，如核反應、超導理論、磁共振成像等。

　　諾貝爾獎得主李政道曾説，如果沒有狹義相對論和量子力學的誕生，就不會有後來的原子結構、分子物理、核能、激光、半導體、超導體、超級計算機等一切科學文化的發展。

理論之光撲朔迷離

　　1927年，發表完《碰撞過程中的量子力學》的次年，玻恩指導的一位來自美國紐約的猶太裔學生，提前兩年取得了德國哥廷根大學物理學博士學位。同一年，兩人合著的一篇論文，首次提出了“分子量子力學”的概念，隨後的近一個世紀裏，科學家們計算分子化學結構和反應性的能力得到極大提高。

　　玻恩的這位學生名叫羅伯特·奧本海默。

2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76 個光子的量子計算原型機“九章”圖為光量子干涉實物圖

　　2023年，電影《奧本海默》上映。影片講述了美國“原子彈之父”奧本海默在第二次世界大戰期間領導“曼哈頓計劃”，並研製出原子彈的故事，再次引起人們對“原子彈之父”奧本海默生平的關注。其中一個重要事實是，奧本海默和影片中出現的多位科學家都曾為量子力學發展作出極大貢獻。

　　審校《奧本海默傳》中文版的中國科學院自然科學史研究所研究員方在慶在接受媒體採訪時説，奧本海默正好趕上了一個時代——量子力學蓬勃發展的時代。“他趕上了這個風潮，一個非常有前景的領域，開風氣之先。”

　　“這個世界上沒有人真的懂量子力學。”著名物理學家理查德·費曼如是説。“我毫無希望地思索着量子理論，試圖找出一種計算氦原子和其他原子的秘訣。但我並沒有取得成功……量子實在是一團毫無希望的亂麻。”在量子世界苦行的玻恩也曾一度陷入絕望。

　　量子力學中存在很多違背常識的現象，這些現象和我們所認識的宏觀世界有時甚至是背道而馳的，卻又實際存在。即便是最卓越的科學家，也常常迷失在量子世界的波譎雲詭中。

　　玻爾認為，在這個世界上，唯一確定的就是不確定性。包括玻爾、費曼、玻恩在內的一眾量子力學先驅都篤定地認為，“上帝會擲骰子”是一個確定性事件。而他們無法確定的是，自己用心點燃的量子理論之光，何時才能照進現實。

第二次量子革命進行時

　　北京時間2022年10月4日，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學”方面所作出的貢獻。

　　量子力學從上世紀初誕生以來，催生了晶體管、激光等重大發明，這被科學界稱為第一次量子革命。近年來，以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命又在興起。瑞典皇家科學院在諾獎公報中説，三位獲獎者在量子糾纏實驗方面的貢獻，“為當前量子技術領域正發生的革命奠定了基礎”。

　　一時間，“量子力學”“量子糾纏”等名詞在社交媒體上刷屏，許多人高呼，“屬於量子力學的時代，終於到來了！”

　　事實上，這並非諾貝爾獎第一次聚焦量子力學。一個多世紀以來，量子力學已經成為現代物理學的堅實基礎，絕大部分諾貝爾物理學獎得主的工作，都離不開量子力學的理論支撐。

　　所以，量子力學的時代，真的到來了嗎？

　　“遇事不決，量子力學。”很多普通民眾對量子力學的認知，目前似乎僅限於這句調侃。不過人們已朦朧意識到，量子科技催生出的量子計算、量子通信、量子測量等新技術將會給人類社會發展帶來翻天覆地的變化。更多變革性的科技進步，正在向我們快步走來。

　　業內人士認為，近年來量子通信技術和人工智能等顛覆性技術的結合，將帶來一場以科技為基礎的工業革命。

産業化腳步加速

　　當前，量子科技進入“産業化前夜”，量子領域科研競爭趨於白熱化。

　　1981年，物理學家愛德華·弗雷德金組織了一次“物理與計算”會議，費曼應邀作“用計算機模擬物理”的報告。

　　在這次會議上，費曼提出了兩個問題：經典計算機是否能夠有效地模擬量子系統？如果放棄經典的圖靈機模型，是否可以有更強大的計算性能？

　　這是費曼首次創造性地將計算機理論和物理學研究結合到一起。從此，基於量子力學的新型計算機的研究被提上日程。

　　如今，量子計算已被認為可能是下一代信息革命的關鍵技術，可以通過特定算法産生遠超傳統計算機的算力，解決重大經濟社會問題。布局量子計算，瞄準量子計算機自主研發，正成為國際科技界的共同選擇。

　　2019年，科技巨頭谷歌因在被稱為“量子優越性”研究上的重大突破，登上了英國《自然》雜誌150周年版的封面。在不少人看來，這一突破具有里程碑意義，或許標誌着量子計算正在走向實用化：用一台54個量子比特的量子計算機實現了傳統超級計算機無法完成的任務。

　　以此為起點，國際量子計算研究及産業發展雖仍處早期，卻已進入高速發展階段。

　　2020年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊成功構建76個光子100模式的量子計算原型機“九章”，處理高斯玻色取樣問題的速度比超級計算機快一百萬億倍，使中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。2021年，他們又成功構建113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”。“九章二號”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需30萬億年。

　　2022年11月，IBM推出擁有433個量子比特的量子芯片“魚鷹”，成為世界上迄今最大的通用量子處理器。

　　近期，微軟公司宣布實現量子計算重大突破，完成了其量子超級計算機路線圖的第一個里程碑，並宣稱可能在10年內製造出量子超級計算機。微軟首席執行官薩提亞·納德拉稱，公司的目標是將未來250年化學和材料科學研究需要的時間壓縮到25年。

　　同時，在量子計算發展的關鍵問題——量子糾錯上，科技巨頭也不斷取得新突破。今年2月，谷歌宣布，在量子計算機的糾錯方面取得了突破。谷歌研發團隊&&，他們通過增加量子比特的數量，降低了計算的出錯率。今年6月，IBM在《自然》雜誌發文稱，在127個量子比特的量子處理器Eagle上開發出了一種“錯誤緩解”的方法，能夠在實用的量子糾錯出現之前，通過減少錯誤進行某些類型的精確計算。

　　量子計算的市場發展潛力同樣無限。美國波士頓諮詢公司發布的報告預測，在不考慮量子糾錯算法的進展情況下，保守估計，到2050年全球量子計算應用市場規模將達到2600億美元。如果量子計算技術迭代速度超出預期，樂觀估計這一數字將飆升至2950億美元。

　　量子計算狂飆猛進的同時，其他量子力學衍生出的新技術，在氣象監測、信息通信、生物醫藥等領域，都能找到應用場景。

　　以量子精密測量為例，這項技術可以精細到納米、亞納米量級，將量子精密測量用於生命科學領域，能精確分析血液中極微量物質含量；用於超導材料的研發，能實現納米級別的表面磁性分佈成像；用於石油行業則可以實現對地下油氣存儲分佈勘探等。

　　屬於量子力學的時代是否已經到來？還沒有人能給出標準答案。

　　但毋庸置疑的是，在全球科研人員的日夜兼程、你追我趕之下，人類終於有能力像把握宏觀世界一樣，審視微觀世界。而這個曾經讓愛因斯坦等人摸不着頭腦的“世紀幽靈”，終有一天會改變世界。

來源：2023年10月4日出版的《環球》雜誌 第20期

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