7月21日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”科学应用系统总师彭承志在位于安徽合肥的科大国盾量子技术有限公司留影

　　量子计算狂飙猛进的同时，其他量子力学衍生出的新技术，在气象监测、信息通信、生物医药等领域，都能找到应用场景。

文/《环球》杂志记者 戴威

编辑/吴美娜

　　1900年，德国，42岁的马克斯·普朗克首次提出“量子论”，曾经坚不可摧的牛顿力学大厦，探出一束来自微观世界的光……

　　质疑、争论，最终飞速发展。百余年后，这束光终于投向科技舞台中央。人们不禁要问：这束光，真的能改变世界吗？距离那时，还有多久？

开辟认知新大陆

　　1926年，德国物理学家马克斯·玻恩发表了一篇科研文章——《碰撞过程中的量子力学》。不久，他收到了好友阿尔伯特·爱因斯坦的一封信。

　　信中，爱因斯坦写道：量子力学的概念的确是如此与众不同，令人印象深刻。但是内心的声音告诉我，它并非真实之物。无论如何，我都确信，上帝不掷骰子。

　　爱因斯坦用掷骰子做比喻，把确定性和“上帝”划上等号。他坚定地认为，上帝不会去掷这枚没有确定结果的骰子。

　　在量子力学兴起之前，爱因斯坦的这一观点代表了大多数人的想法。人们普遍认为，经典物理学可以解释自然界中所有的物理现象。在经典物理学中，每时每刻，每个基本粒子都位于某个确定的点或空间中的位置，并且具有确定的速度，因此具有相应的确定动量。然而，随着科学技术不断发展，人们逐渐发现一些经典物理学无法解释的现象：光电效应、黑体辐射问题、电子的波粒二象性……

　　疑问接踵而至，科学家们的工作，就是适时回应。

　　上世纪20年代，哥本哈根学派的创始人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，德国物理学家沃纳·海森堡，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔等人相继提出了量子力学的基本原理，共同建立起现代量子力学框架。在量子力学的世界里，基本粒子有了各种可能性，其位置和动量是不能同时被精确测定的，这就是量子的不确定性原理。

　　量子力学理论的建立加速了人类对微观世界的认识，成为现代物理学的理论基础之一，使人们对物质世界的认识从宏观跨进微观。此外，量子还催生发展出一系列足以改变世界的理论和技术，如核反应、超导理论、磁共振成像等。

　　诺贝尔奖得主李政道曾说，如果没有狭义相对论和量子力学的诞生，就不会有后来的原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等一切科学文化的发展。

理论之光扑朔迷离

　　1927年，发表完《碰撞过程中的量子力学》的次年，玻恩指导的一位来自美国纽约的犹太裔学生，提前两年取得了德国哥廷根大学物理学博士学位。同一年，两人合著的一篇论文，首次提出了“分子量子力学”的概念，随后的近一个世纪里，科学家们计算分子化学结构和反应性的能力得到极大提高。

　　玻恩的这位学生名叫罗伯特·奥本海默。

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”图为光量子干涉实物图

　　2023年，电影《奥本海默》上映。影片讲述了美国“原子弹之父”奥本海默在第二次世界大战期间领导“曼哈顿计划”，并研制出原子弹的故事，再次引起人们对“原子弹之父”奥本海默生平的关注。其中一个重要事实是，奥本海默和影片中出现的多位科学家都曾为量子力学发展作出极大贡献。

　　审校《奥本海默传》中文版的中国科学院自然科学史研究所研究员方在庆在接受媒体采访时说，奥本海默正好赶上了一个时代——量子力学蓬勃发展的时代。“他赶上了这个风潮，一个非常有前景的领域，开风气之先。”

　　“这个世界上没有人真的懂量子力学。”著名物理学家理查德·费曼如是说。“我毫无希望地思索着量子理论，试图找出一种计算氦原子和其他原子的秘诀。但我并没有取得成功……量子实在是一团毫无希望的乱麻。”在量子世界苦行的玻恩也曾一度陷入绝望。

　　量子力学中存在很多违背常识的现象，这些现象和我们所认识的宏观世界有时甚至是背道而驰的，却又实际存在。即便是最卓越的科学家，也常常迷失在量子世界的波谲云诡中。

　　玻尔认为，在这个世界上，唯一确定的就是不确定性。包括玻尔、费曼、玻恩在内的一众量子力学先驱都笃定地认为，“上帝会掷骰子”是一个确定性事件。而他们无法确定的是，自己用心点燃的量子理论之光，何时才能照进现实。

第二次量子革命进行时

　　北京时间2022年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献。

　　量子力学从上世纪初诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。近年来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。瑞典皇家科学院在诺奖公报中说，三位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。

　　一时间，“量子力学”“量子纠缠”等名词在社交媒体上刷屏，许多人高呼，“属于量子力学的时代，终于到来了！”

　　事实上，这并非诺贝尔奖第一次聚焦量子力学。一个多世纪以来，量子力学已经成为现代物理学的坚实基础，绝大部分诺贝尔物理学奖得主的工作，都离不开量子力学的理论支撑。

　　所以，量子力学的时代，真的到来了吗？

　　“遇事不决，量子力学。”很多普通民众对量子力学的认知，目前似乎仅限于这句调侃。不过人们已朦胧意识到，量子科技催生出的量子计算、量子通信、量子测量等新技术将会给人类社会发展带来翻天覆地的变化。更多变革性的科技进步，正在向我们快步走来。

　　业内人士认为，近年来量子通信技术和人工智能等颠覆性技术的结合，将带来一场以科技为基础的工业革命。

产业化脚步加速

　　当前，量子科技进入“产业化前夜”，量子领域科研竞争趋于白热化。

　　1981年，物理学家爱德华·弗雷德金组织了一次“物理与计算”会议，费曼应邀作“用计算机模拟物理”的报告。

　　在这次会议上，费曼提出了两个问题：经典计算机是否能够有效地模拟量子系统？如果放弃经典的图灵机模型，是否可以有更强大的计算性能？

　　这是费曼首次创造性地将计算机理论和物理学研究结合到一起。从此，基于量子力学的新型计算机的研究被提上日程。

　　如今，量子计算已被认为可能是下一代信息革命的关键技术，可以通过特定算法产生远超传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。布局量子计算，瞄准量子计算机自主研发，正成为国际科技界的共同选择。

　　2019年，科技巨头谷歌因在被称为“量子优越性”研究上的重大突破，登上了英国《自然》杂志150周年版的封面。在不少人看来，这一突破具有里程碑意义，或许标志着量子计算正在走向实用化：用一台54个量子比特的量子计算机实现了传统超级计算机无法完成的任务。

　　以此为起点，国际量子计算研究及产业发展虽仍处早期，却已进入高速发展阶段。

　　2020年，中国科学技术大学潘建伟院士团队成功构建76个光子100模式的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度比超级计算机快一百万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。2021年，他们又成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”。“九章二号”1毫秒可算出的问题，全球“最快超算”需30万亿年。

　　2022年11月，IBM推出拥有433个量子比特的量子芯片“鱼鹰”，成为世界上迄今最大的通用量子处理器。

　　近期，微软公司宣布实现量子计算重大突破，完成了其量子超级计算机路线图的第一个里程碑，并宣称可能在10年内制造出量子超级计算机。微软首席执行官萨提亚·纳德拉称，公司的目标是将未来250年化学和材料科学研究需要的时间压缩到25年。

　　同时，在量子计算发展的关键问题——量子纠错上，科技巨头也不断取得新突破。今年2月，谷歌宣布，在量子计算机的纠错方面取得了突破。谷歌研发团队表示，他们通过增加量子比特的数量，降低了计算的出错率。今年6月，IBM在《自然》杂志发文称，在127个量子比特的量子处理器Eagle上开发出了一种“错误缓解”的方法，能够在实用的量子纠错出现之前，通过减少错误进行某些类型的精确计算。

　　量子计算的市场发展潜力同样无限。美国波士顿咨询公司发布的报告预测，在不考虑量子纠错算法的进展情况下，保守估计，到2050年全球量子计算应用市场规模将达到2600亿美元。如果量子计算技术迭代速度超出预期，乐观估计这一数字将飙升至2950亿美元。

　　量子计算狂飙猛进的同时，其他量子力学衍生出的新技术，在气象监测、信息通信、生物医药等领域，都能找到应用场景。

　　以量子精密测量为例，这项技术可以精细到纳米、亚纳米量级，将量子精密测量用于生命科学领域，能精确分析血液中极微量物质含量；用于超导材料的研发，能实现纳米级别的表面磁性分布成像；用于石油行业则可以实现对地下油气存储分布勘探等。

　　属于量子力学的时代是否已经到来？还没有人能给出标准答案。

　　但毋庸置疑的是，在全球科研人员的日夜兼程、你追我赶之下，人类终于有能力像把握宏观世界一样，审视微观世界。而这个曾经让爱因斯坦等人摸不着头脑的“世纪幽灵”，终有一天会改变世界。

来源：2023年10月4日出版的《环球》杂志 第20期

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