量子科技：從基礎到應用

施郁

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

正如習近平總書記強調，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。

量子力學是人類探究微觀世界的重大成果。量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。

要加快基礎研究突破和關鍵核心技術攻關。量子科技發展取決于基礎理論研究的突破，顛覆性技術的形成是個厚積薄發的過程。

量子科技的基礎是量子力學

量子力學最重要的特征，是它的描述是概率性的。在我們日常生活中，也使用概率的說法。比如扔骰子，每個面朝上都有可能，概率大概為1/6。但是這種概率是基于對細節的忽略。如果我們知道骰子運動的力學細節，原則上就可以預言每次扔骰子的結果。而在量子力學中，概率是實質性的。關鍵在于，我們使用的最基本的概念是“概率的開方”，稱作波函數或者概率幅，比概率信息更豐富。德布羅意所說的物質波本質上就是波函數。因為是一種波，所以有干涉效應，兩種可能性疊加的概率不一定是原先兩個概率相加。

量子力學建立以后，成為整個微觀物理學的理論框架，取得一個又一個的成功。比如解釋了化學中元素周期表、化學反應、化學鍵、分子的穩定性等等，都是在電子和原子核的電磁力作用下，由量子規律所導致。所以狄拉克在1929年就說：“整個化學所依賴的物理定律已經完全知道了。”

量子力學也在幫助我們理解宇宙。宇宙跨越各種尺度，從最小、最微觀的基本粒子到原子分子，再到可以看見的宏觀世界，到天體，到整個宇宙。從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構成的凝聚態物質，量子力學都起了重要的作用，也因此成為現代技術的基礎。

在微觀的尺度上，電磁力和弱相互作用（主宰中子衰變為質子從而導致放射性）已經統一為電弱相互作用，這是量子場論（量子力學與相對論相結合）的成功。在更微觀的尺度上，電弱相互作用可能與強相互作用（將夸克結合為核子的力量）統一，但是還沒有成功。在更加微觀的尺度上，它們還可能與引力統一。這些統一問題依賴于量子力學，都還沒有解決。其他的未解之謎，比如暗物質和暗能量，答案可能也要依賴于量子力學。

很多天體物理過程，例如太陽這樣的恒星發光，白矮星和脈沖星的存在，以及宇宙背景輻射，都是因為量子力學規律。太陽發出的中微子到達地球時，一部分變成其他類型的中微子，這本質上就是量子概率幅的振蕩。

整個宇宙起源于大爆炸，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，受量子力學支配，它決定了我們的宇宙中有多少氫和氦。后來重原子核在恒星中的合成也是量子力學決定的。大尺度上，我們的宇宙中有星系結構。追根溯源，宇宙結構的形成是因為最初量子力學導致的漲落，這是量子力學的概率本性決定的。我們常說的終結問題——為什么有宇宙存在，而不是什么也沒有？這也需要用量子力學去尋找答案，不管能不能找到。

量子力學帶來了豐富的科學技術

各種材料的物理性質在很大程度上是材料中電子的量子力學行為決定的。比如導體和絕緣體的區別、磁性的起源、超導電性的原因等。

量子力學帶來了非常豐富的科學技術應用，也將深刻地改變了我們人類社會的文明進程。例如，它讓我們擁有了新的能源——來自原子核的能量，也讓我們能夠更有效地利用太陽能。

量子密碼和量子隱形傳態都屬于量子信息，量子信息的另一個重要課題是量子計算。我們目前用的計算機雖然硬件上用到了半導體，用到了量子力學，但是它的計算邏輯沒有用到量子力學，因此叫做經典計算機。如果量子計算機能造出來的話，它就能夠有效地找到任何一個大數的因子，計算速度會比經典計算機要快得多。

量子力學為信息革命提供了硬件基礎。激光、半導體晶體管，芯片的原理都源于量子力學。量子力學也使得磁盤和光盤的信息存儲、發光二極管、衛星定位導航等新技術成為可能。

從x射線到電子顯微鏡、正電子湮沒、光學和核磁共振成像等等，量子力學為材料科學、醫學和生物學提供了分析工具。

量子科學技術新領域

近年來，基于對單個量子態的操控，量子科學技術又出現了新的方向和新的領域，正在迎來量子革命的第二次高潮，也可以說第二次量子革命。一個重要的例子就是量子信息和量子計算。

量子計算機對于解決某些計算問題具有巨大威力。量子計算就是巧妙地操縱量子疊加態，用量子力學原理作為計算邏輯，超出了經典計算使用的布爾代數的范疇。我們目前用的計算機雖然硬件上用到了半導體、用到了量子力學，但是它的計算邏輯沒有用到量子力學，因此叫做經典計算機。

量子力學的基本原理顯示，量子疊加態中的每一個基本狀態都在演化。所以一種說法是，量子計算過程實現了量子并行。通過巧妙地設計操作疊加態的演化過程，能夠快速解決某些計算問題，比如因子化問題——兩個整數相乘，不論這兩個整數多大，經典計算機很快找到乘積;但是如果反過來，只要這個乘積不是偶數，經典計算機就不能有效地找到它的因子。“有效”的意思是說，計算機花費的時間或者資源是這個整數的二進制位數的有限冪次（1次方，2次方，如此等等）的組合。如果量子計算機能造出來的話，它就能夠有效地找到任何一個大數的因子。也就是說，在量子信息和量子計算中，軟件也是由量子力學提供。

量子力學中還存在尚未完全解決的基本問題。比如服從經典規律的系統都是由服從量子規律的微觀粒子組成的。那么一個系統在什么情況下服從量子規律？什么情況下服從經典規律？二者邊界在哪里？我們還不完全清楚。綜上所述，從基礎到應用，科學家需要繼續量子革命，大力發展量子科技。