院士科普|百年量子路：从理论诞生到改变未来的量子信息革命

　　今年是个特别的年份——1925年6月，海森堡在德国黑尔戈兰岛上建立了矩阵力学，用他的方程精准解析了氢原子光谱，这标志着现代量子理论正式诞生。到2025年，量子力学恰好走过了100年。

　　量子力学的诞生，像一把钥匙打开了现代信息技术的大门。没有它，就不会有今天的计算机、互联网，更不会有我们习以为常的卫星导航系统。过去100年里，它为以信息技术为代表的第三次产业变革注入了核心动力，深刻改变了人类文明的进程。

　　中国科学院院士、2017年未来科学大奖物质科学奖获得者潘建伟

　　而现在，我们正站在新的起点上。随着人类操控单个原子、分子、光子的能力不断提升，一个全新的学科——量子信息科学正在蓬勃发展。未来20年，它或许会与人工智能深度融合，催生又一次重大的产业变革。

　　量子信息：安全、算力与感知的新可能

　　很多人会问，量子信息到底有什么用？简单说，它能在三个关键领域带来突破性进展：信息安全传输、强大计算能力、精确感知物理世界。

　　上个月，我和领域内的科学家们在德国黑尔戈兰岛相聚，既回顾了量子力学百年成就，也展望了量子信息科技未来20年的前景。我们一致认为，这个领域的进步将极大推动整个科技发展，甚至能帮助我们更深刻地理解生命科学、物质科学、材料科学中的复杂现象。

　　先说信息安全。量子世界有个神奇的特性叫“量子纠缠”，它能让遥远地点的粒子产生精确关联。利用这种关联，我们可以生成原理上不可破解的量子密码，实现信息论可证的最高级别安全信息传输——也就是说，这种安全性是数学上能严格证明的，绝对可靠。

　　图片由AI生成

　　现在，中国电信已经有大约500万量子保密手机用户了。相信未来20年，越来越多的人会用上这种由量子密码守护的信息安全手段，让我们的通信多一层“金钟罩”。

　　再讲讲时频技术。大家熟悉的GPS和北斗导航系统，其原子钟的精度大约是1000万年误差1秒。但如果用上量子技术，我们能造出100亿年甚至更久才误差1秒的时频设备。这意味着什么？它能让时间测量和导航精度迈上一个新台阶。目前，中国科学家正和国际同行一起，构建远距离的时频分发网络，未来我们的定位、通信都会更精准、更高效，甚至还可以为时间单位“秒”提供新的定义。

　　最让人激动的，还是量子计算机。如果未来20年我们能造出通用量子计算机，它将提供一种革命性的计算能力。现在人工智能领域对算力的需求越来越大，而量子计算机有望成为解决这个问题的关键。

　　祖冲之三号芯片示意图

　　不过，量子计算机目前面临一个大挑战：错误率。传统计算机的单次操作错误率很低，就算运算很久，结果依然可信；但量子计算机不一样，单次操作错误率较高，算的时间一长，结果就可能偏离正确答案，变得不可信。

　　怎么解决？我们需要“量子纠错”技术。打个比方，一根火柴棍立在地上，很快就会倒；但三根火柴棍互相支撑，就能立很久；如果有很多火柴棍搭建出稳固结构，就能抵抗周围的振动。量子纠错也是这个道理：用很多量子比特（就像火柴棍）构建一个对环境干扰不敏感的系统，哪怕有外界影响，计算也不会出错。

　　现在量子纠错已经有了可喜进展，我们希望能在5到10年内解决这个问题。或许到2040年，甚至2035年，容错通用量子计算机就能真正建成。想想看，那会给世界带来多大的改变？

　　量子世界的神奇：纠缠与未知

　　在量子世界的诸多现象里，最让我着迷的是量子叠加和量子纠缠。

　　经典世界里，一个比特要么是0，要么是1；但在量子世界，一个量子比特可以处于“0+1”的相干叠加状态。如果有两个量子比特，就会产生纠缠——比如处于“00+11”的状态。

　　这是什么意思？假设我把两个纠缠的微观粒子分开，一个给你，一个我留着。哪怕我们相距千里，甚至更远，当你观测你手中的粒子，得到一个确定结果时，我手中的粒子状态也会瞬间确定。爱因斯坦曾把这种现象称为“遥远地点之间的诡异互动”。

　　图片由AI生成

　　我大学本科时就对这个现象着迷，做本科论文时专门研究它，后来做实验也总想弄明白背后的原理。直到现在，所有实验都证明量子纠缠确实存在，但“为什么会这样”，我们依然没有答案。就像杨振宁先生说的，量子纠缠可能是自然界向我们展示它的强大——有些东西我们能理解，比如万有引力、无线电，但总有一些奥秘让我们意识到人类认识的局限。

　　但这并不妨碍我们利用它。量子通信、量子计算，很多前沿技术都建立在对量子纠缠的应用上。我们或许暂时无法解释“为什么”，但可以先学会“怎么用”。

　　科研关键词：选择、跨界与兴趣

　　常有年轻人问我，优秀的科研团队需要什么特质？我想起杨振宁先生的一句话：对年轻人来说，选一个正在蓬勃发展的领域，加上自身能力，就能较快取得成果；如果选了夕阳领域，再强的能力也难有突破——就像一棵树上没什么果子了，跳得再高也摘不到多少。

　　所以，首先要能判断哪个领域是“长满果子”的。量子信息科学现在就是这样的领域，充满活力和可能。

　　其次，跨学科合作尤其重要。量子信息涉及算法（需要数学、计算机理论）、硬件（需要材料、微纳加工）、物理机制（需要物理学）。我们团队里，有做光物理的，有做算法的，有做电子学的，大家联合起来，才能做单个人做不了的事。比如提出Glover量子搜寻算法的格罗弗教授，他根本没学过量子力学，只是从计算机理论出发，利用量子比特可以处于叠加态的特性，就做出了重大成果。我们团队最近和人工智能实验室合作，用机器学习快速排列几千个中性原子，效率比手工编程高多了。这说明，量子信息领域需要数学、计算机、物理、电子等各领域的人才。

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　　最后，兴趣是最好的老师。我在上世纪90年代选择量子领域时，它还不是热门。但因为感兴趣，就愿意带着好奇心坚持下去。做科研难免遇到困难，兴趣就是无穷耐心的源泉。

　　回望量子力学的100年，从理论诞生到改变世界；展望下一个20年，相信量子信息科学会带来更多惊喜。我们也相信，未来的奇迹，就藏在年轻人的好奇与坚持里。

　　（文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访潘建伟院士的内容，记者宋雅娟、蔡琳采访整理）