中共中央政治局近日就量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习。什么是量子科技？其科学原理和发展态势如何？来听著名量子科技专家、中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟谈“有关量子的那些事”。

什么是量子？

其实量子非常简单，所有构成物质世界的最基本单元就叫做量子。举个例子，每天光照过来，就有好多光量子打到你身上——对于组成物质的小颗粒而言，如果它小到不能再分割，那么这就是量子。

量子在哪里？

量子有一个非常奇怪的特征——不确定性。简单而言，在经典世界里，人或物体在某一时间里只能在一个地方。而在量子世界里，在某些特定的情况下，如果说整个宇宙中没有一个人、一台仪器知道你在哪里的时候，你就可以在所有的地方。

为什么会这样？因为宏观世界里，你在运动时，周围有好多人或设备在探测你的轨迹。但到微观世界中，当一个原子在运动的时候，周围都是真空，就没有东西来测量它处于什么状态，在这种情况下，它就会出现在任何一个地方。这个分析在微观世界里面是成立的，并已经被无数实验所证实。

什么是量子纠缠？

在量子力学中，“薛定谔的猫”是非常著名的一个思想实验：一只猫在日常生活中能处在死或活两个状态，但是在量子世界里，它可以处于死和活两个状态的相干叠加，死和活这两个状态如果代表0和1，这两个死和活可以变来变去，就意味着信息的单元是可以处理、可以发生变化的。

到了量子世界里，因为它可以处于这种0和1状态的相干叠加，所以这个状态是永远测不准的，测不准之后它就不能被精确地复制。

当我们把这样一个单粒子的体系拓展到两粒子体系的时候,一种更奇怪的现象就发生了,我们把它叫做量子纠缠。一只猫可以处于死和活状态的相干叠加,如果有两只猫的话,是不是可以处于这样一种活活和死死状态的叠加呢？量子力学是允许的,这意味着一旦处于纠缠的两个客体，不管它们相距多么遥远，其中一个状态发生变化，另外一个状态也会发生相应的变化，我们把这种东西就叫做“遥远地点之间的诡异互动”，也就是量子纠缠。

量子理论可以溯源宇宙？

当我们把量子力学和相对论结合在一起时，我们就可以来建立宇宙起源的大爆炸理论。这个理论告诉我们，在138亿年前，宇宙是诞生于一个奇点的爆炸。

这个爆炸是怎么产生的呢？这正是由量子涨落产生的。所以，大爆炸几分钟之后，我们才会有氢、氘、氦元素的形成。而在那之前，由于温度太高，高达几亿摄氏度，所以只有质子、中子、光子、电子存在。直到大爆炸30万年后，宇宙中才有原子形成，亿年之后才会形成恒星。

所以，宇宙经过了相当于100亿年的“怀孕”之后，我们的太阳才正式诞生。而要等到太阳系形成，地球各种行星才慢慢形成了稳定的结构，又经过亿万年的进化，地球生命才进化为现在的人。

量子计算有多强？

我们现在把全世界所有的计算机、手机的计算能力加起来，计算能力大约是280。如果量子计算机诞生，那么它的计算能力将会超过目前地球上计算能力的100万倍。当这种技术走向实用，它将是非常强大的——这种算力如果分给每个人的话，我们每个人在计算能力上的财富，都是远远超过世界首富的。

曾有人预言，当量子计算机发展到50个量子位时，就能实现“量子称霸”，其计算能力将超过世界上任何传统计算机，解决许多传统计算机解决不了的问题。就在去年，谷歌宣布实现了这一目标。如今，大家又在向着更高的目标迈进。

量子计算会给人工智能带来什么？

经典的人工智能机器人根本就没有自由意志，它连一个非常简单的事情都决策不了，因此根本不会认识到自己的存在。但是，量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来。所以我们高度相信，尽管还没被科学最后证实，量子力学必然会参与自我意识的产生。

由于我们每个人大脑里面想什么，是相互不可知的，这才保证了个体的多样性。量子力学告诉我们，想要一模一样复制大脑中的所有信息，是做不到的。我们既然这么独一无二，所以相信量子力学跟我们意识肯定紧密相连，我们也相信通过对量子计算机的研制，可能会为我们人脑一些机理的研究提供有价值的东西。

量子理论可以实现星际旅行吗？

1609年，科学家开普勒在给他的好朋友伽利略的信中写道：“应该建造适合飞向神圣天空的船与帆，然后也会有这样的先驱者，面对无边的太空，他们毫不退缩。”那时的人们不会想到，在300多年之后，1961年人类首次进入了太空，1969年人类首次登月。

1997年，世界上第一个量子隐形传态实验完成。十年后，我们中国科大的团队首次能够传送两个粒子的状态。而到2016年，随着“墨子号”的发射，我们的技术能力已经能够实现地星间的1000千米量子隐形传态。

如果人类要更深远地探索宇宙，目前的飞行手段连离开太阳系都难以实现，但也许300年、500年之后，我们能够利用现在量子科技的发现，找到进行星际旅行的新途径。

作者：潘建伟

编辑：王星

责任编辑：任荃

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