量子科技：從基礎(chǔ)到應(yīng)用

施郁

中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。

正如習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。

量子力學(xué)是人類(lèi)探究微觀(guān)世界的重大成果。量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

要加快基礎(chǔ)研究突破和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。量子科技發(fā)展取決于基礎(chǔ)理論研究的突破，顛覆性技術(shù)的形成是個(gè)厚積薄發(fā)的過(guò)程。

量子科技的基礎(chǔ)是量子力學(xué)

量子力學(xué)最重要的特征，是它的描述是概率性的。在我們?nèi)粘Ｉ钪校彩褂酶怕实恼f(shuō)法。比如扔骰子，每個(gè)面朝上都有可能，概率大概為1/6。但是這種概率是基于對(duì)細(xì)節(jié)的忽略。如果我們知道骰子運(yùn)動(dòng)的力學(xué)細(xì)節(jié)，原則上就可以預(yù)言每次扔骰子的結(jié)果。而在量子力學(xué)中，概率是實(shí)質(zhì)性的。關(guān)鍵在于，我們使用的最基本的概念是“概率的開(kāi)方”，稱(chēng)作波函數(shù)或者概率幅，比概率信息更豐富。德布羅意所說(shuō)的物質(zhì)波本質(zhì)上就是波函數(shù)。因?yàn)槭且环N波，所以有干涉效應(yīng)，兩種可能性疊加的概率不一定是原先兩個(gè)概率相加。

量子力學(xué)建立以后，成為整個(gè)微觀(guān)物理學(xué)的理論框架，取得一個(gè)又一個(gè)的成功。比如解釋了化學(xué)中元素周期表、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)鍵、分子的穩(wěn)定性等等，都是在電子和原子核的電磁力作用下，由量子規(guī)律所導(dǎo)致。所以狄拉克在1929年就說(shuō)：“整個(gè)化學(xué)所依賴(lài)的物理定律已經(jīng)完全知道了?！?/p>

量子力學(xué)也在幫助我們理解宇宙。宇宙跨越各種尺度，從最小、最微觀(guān)的基本粒子到原子分子，再到可以看見(jiàn)的宏觀(guān)世界，到天體，到整個(gè)宇宙。從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構(gòu)成的凝聚態(tài)物質(zhì)，量子力學(xué)都起了重要的作用，也因此成為現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。

在微觀(guān)的尺度上，電磁力和弱相互作用（主宰中子衰變?yōu)橘|(zhì)子從而導(dǎo)致放射性）已經(jīng)統(tǒng)一為電弱相互作用，這是量子場(chǎng)論（量子力學(xué)與相對(duì)論相結(jié)合）的成功。在更微觀(guān)的尺度上，電弱相互作用可能與強(qiáng)相互作用（將夸克結(jié)合為核子的力量）統(tǒng)一，但是還沒(méi)有成功。在更加微觀(guān)的尺度上，它們還可能與引力統(tǒng)一。這些統(tǒng)一問(wèn)題依賴(lài)于量子力學(xué)，都還沒(méi)有解決。其他的未解之謎，比如暗物質(zhì)和暗能量，答案可能也要依賴(lài)于量子力學(xué)。

很多天體物理過(guò)程，例如太陽(yáng)這樣的恒星發(fā)光，白矮星和脈沖星的存在，以及宇宙背景輻射，都是因?yàn)榱孔恿W(xué)規(guī)律。太陽(yáng)發(fā)出的中微子到達(dá)地球時(shí)，一部分變成其他類(lèi)型的中微子，這本質(zhì)上就是量子概率幅的振蕩。

整個(gè)宇宙起源于大爆炸，然后一直膨脹。所以在宇宙誕生的早期，宇宙就像一鍋基本粒子的湯，受量子力學(xué)支配，它決定了我們的宇宙中有多少氫和氦。后來(lái)重原子核在恒星中的合成也是量子力學(xué)決定的。大尺度上，我們的宇宙中有星系結(jié)構(gòu)。追根溯源，宇宙結(jié)構(gòu)的形成是因?yàn)樽畛趿孔恿W(xué)導(dǎo)致的漲落，這是量子力學(xué)的概率本性決定的。我們常說(shuō)的終結(jié)問(wèn)題——為什么有宇宙存在，而不是什么也沒(méi)有？這也需要用量子力學(xué)去尋找答案，不管能不能找到。

量子力學(xué)帶來(lái)了豐富的科學(xué)技術(shù)

各種材料的物理性質(zhì)在很大程度上是材料中電子的量子力學(xué)行為決定的。比如導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別、磁性的起源、超導(dǎo)電性的原因等。

量子力學(xué)帶來(lái)了非常豐富的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用，也將深刻地改變了我們?nèi)祟?lèi)社會(huì)的文明進(jìn)程。例如，它讓我們擁有了新的能源——來(lái)自原子核的能量，也讓我們能夠更有效地利用太陽(yáng)能。

量子密碼和量子隱形傳態(tài)都屬于量子信息，量子信息的另一個(gè)重要課題是量子計(jì)算。我們目前用的計(jì)算機(jī)雖然硬件上用到了半導(dǎo)體，用到了量子力學(xué)，但是它的計(jì)算邏輯沒(méi)有用到量子力學(xué)，因此叫做經(jīng)典計(jì)算機(jī)。如果量子計(jì)算機(jī)能造出來(lái)的話(huà)，它就能夠有效地找到任何一個(gè)大數(shù)的因子，計(jì)算速度會(huì)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快得多。

量子力學(xué)為信息革命提供了硬件基礎(chǔ)。激光、半導(dǎo)體晶體管，芯片的原理都源于量子力學(xué)。量子力學(xué)也使得磁盤(pán)和光盤(pán)的信息存儲(chǔ)、發(fā)光二極管、衛(wèi)星定位導(dǎo)航等新技術(shù)成為可能。

從x射線(xiàn)到電子顯微鏡、正電子湮沒(méi)、光學(xué)和核磁共振成像等等，量子力學(xué)為材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)提供了分析工具。

量子科學(xué)技術(shù)新領(lǐng)域

近年來(lái)，基于對(duì)單個(gè)量子態(tài)的操控，量子科學(xué)技術(shù)又出現(xiàn)了新的方向和新的領(lǐng)域，正在迎來(lái)量子革命的第二次高潮，也可以說(shuō)第二次量子革命。一個(gè)重要的例子就是量子信息和量子計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)對(duì)于解決某些計(jì)算問(wèn)題具有巨大威力。量子計(jì)算就是巧妙地操縱量子疊加態(tài)，用量子力學(xué)原理作為計(jì)算邏輯，超出了經(jīng)典計(jì)算使用的布爾代數(shù)的范疇。我們目前用的計(jì)算機(jī)雖然硬件上用到了半導(dǎo)體、用到了量子力學(xué)，但是它的計(jì)算邏輯沒(méi)有用到量子力學(xué)，因此叫做經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

量子力學(xué)的基本原理顯示，量子疊加態(tài)中的每一個(gè)基本狀態(tài)都在演化。所以一種說(shuō)法是，量子計(jì)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)了量子并行。通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)操作疊加態(tài)的演化過(guò)程，能夠快速解決某些計(jì)算問(wèn)題，比如因子化問(wèn)題——兩個(gè)整數(shù)相乘，不論這兩個(gè)整數(shù)多大，經(jīng)典計(jì)算機(jī)很快找到乘積;但是如果反過(guò)來(lái)，只要這個(gè)乘積不是偶數(shù)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)就不能有效地找到它的因子。“有效”的意思是說(shuō)，計(jì)算機(jī)花費(fèi)的時(shí)間或者資源是這個(gè)整數(shù)的二進(jìn)制位數(shù)的有限冪次（1次方，2次方，如此等等）的組合。如果量子計(jì)算機(jī)能造出來(lái)的話(huà)，它就能夠有效地找到任何一個(gè)大數(shù)的因子。也就是說(shuō)，在量子信息和量子計(jì)算中，軟件也是由量子力學(xué)提供。

量子力學(xué)中還存在尚未完全解決的基本問(wèn)題。比如服從經(jīng)典規(guī)律的系統(tǒng)都是由服從量子規(guī)律的微觀(guān)粒子組成的。那么一個(gè)系統(tǒng)在什么情況下服從量子規(guī)律？什么情況下服從經(jīng)典規(guī)律？二者邊界在哪里？我們還不完全清楚。綜上所述，從基礎(chǔ)到應(yīng)用，科學(xué)家需要繼續(xù)量子革命，大力發(fā)展量子科技。