|
任何不震慑于量子理论的人，根本不了解量子理论。 ——尼尔斯·玻尔 站在科学史的立场看，20世纪无疑是被物理定义的世纪。因为在过去的20世纪中，几乎最为重大的技术革命，包括原子能、半导体、计算机、IT革命、互联网等都是基于物理科学的推动的。而20世纪的物理学革命旗手，一位是普朗克，另一位就是爱因斯坦。 让我们回到两个历史场景。第一个场景，时间是1900年12月14日，星期五；地点：柏林；人物：普朗克。那天他在柏林的一个物理学例会上发表了题为《论正常光谱中的能量分布》的演讲。这个演讲提出了惊世骇俗的观点：物质的辐射或者吸收的能量不是连续的，而是一份一份进行的，只能取某个最小值的整倍数——这个“最小值”就是量子。普朗克确定能量量子和振动频率的数学关系，进而提出了这样的简单公式：ε=hv，即能量=普朗克常数×振动频率。从那一天起，量子科学诞生了，现代物理的蝴蝶飞向天空。第二个场景，时间是1905年；地点：伯尔尼；人物：爱因斯坦。爱因斯坦受到普朗克的启发，认识到光束由有限数目的能量组成，能量量子不能再分。确定了光量子的能量和（辐射）频率之间的关系，正式提出了狭义相对论。代表狭义相对论的共识横空出世：E=mc²。 普朗克和爱因斯坦都关注能量结构和能量的分布。这恰恰是现代物理的关键所在。我们可以这样讲：20世纪是由ε = hv和E = mc²这两个“最简单”的公式开始的，确切地说，20世纪的全部发展没有超越这两个公式所确定的范围。对于这段历史最为精彩的总结来自罗韦利撰写的《现实不似你所见：量子引力之旅》：“20世纪物理学的两大支柱：广义相对论与量子力学。二者大相径庭。广义相对论是一块坚实的宝石，它由爱因斯坦一个人综合以往的理论构思而成，是关于引力、空间和时间简洁而自洽的理论。量子力学或者说量子理论宇宙想法，是经过四分之一世纪漫长酝酿，由许多科学家做出贡献，进行试验最终形成的；量子力学在试验上取得了无可比拟的成功，带来了改变我们日常生活的应用。” 2020年是量子科学诞生120周年，人们承认量子科技改变了20世纪人类经济形态，并且需要面对量子科学愈发强劲的影响世界未来。为此，分享三个相关问题。 量子科学史的启发“量子科学”属于具有渊源的物理学家“群体”奠定的科学。“量子科学”不是由一个人创造的，而是由一个群体，由19世纪末到20世纪上半期一批最有智慧的大脑集体创造的。他们的代表人物有普朗克、薛定谔（Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger，1887—1961）、狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902—1984）、玻尔、奥本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904—1967）、海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976）等。 回顾这些历史性伟人的贡献，不得不提及1927年在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议，这是被称为“决战量子之巅”的会议。 图7.1这张照片是第五届索尔维会议参会者合影，照片中一共29位，其中17位获得了诺贝尔奖项。这个会议主题是量子和光子问题，分为了试验派、爱因斯坦派和哥本哈根派。这些智慧的大脑在那样的一个时刻聚集在一起，他们的地理分布是非常有限的。从瑞士的伯尔尼到丹麦的哥本哈根，到柏林、维也纳，中间是荷兰的莱顿。南到北1 200千米，东到西1 400千米。所有的距离小于北京到上海的距离。  图7.1 第五届索尔维会议参会者合影 让我们再想象一下，就是这些智慧的大脑，在一个这么大的范围内，他们的思考、讨论和辩论影响了物理学的100年。索尔维会议的资助者索尔维，是一位成功的企业家，他在历史留名不是因为他的财富，而是因为他支持了物理学的探讨和探索。 “量子科学”属于典型的开放性科学。因为量子科学产生了一系列交叉科学：量子数学，基于时间和空间量子性而建立的数学，用于描述真实的物理世界；量子宇宙学，来自物理学，应用于宇宙起源研究的试探性理论；量子天体物理学，是利用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、物理条件、化学组成和演化规律的学科；量子化学，研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系，分子与分子之间的相互作用，分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题；量子生物学，利用量子力学研究生物过程和分子动态结构，研究量子水平的分子动态结构和能量转移。总之，“量子科学”像一个主干，延伸出来了一个量子科学的集群。 “量子科学”是基于实验的大科学。量子科学和其他科学最大的不同之处是需要强大的试验条件，因此量子科学是基于试验的大科学。没有试验，就没有量子科学和量子技术的进展。量子科学是大科学。大科学是指投资大、多学科交叉的大型的基础科学研究项目。由于其建造成本相当大、设备体量大、研究目标大、牵涉面大，意义重大，因此谓之大科学。量子科学属于大科学。量子科学未来发展，不是说哪一个企业家以一人之力、少数教授以他们的想象力，就可以实现突破的。2008年建在日内瓦的强子对撞机、“量子望远镜”和“核聚变实验堆”、中国发射的“量子空间试验中心”，都属于巨额的资本和跨学科量子科技的“基础设施”。关于“科技与新基建”，其实最大的新基础建设是支持科学研究的基础设施建设。 科学同时派生出全新的科学哲学理念。在20世纪开始的时候，牛顿在17世纪所创建的经典力学被认为是非常完整的、无懈可击的科学体系。人们甚至认为，未来大家仅仅是对牛顿力学加以精确地测算而已。但是，量子力学和相对论颠覆了“牛顿力学”。“量子科学”具有“分离性、不可确定性和关联性”及崭新的时空观念，例如，世纪不再是所谓的“矢量”。人们根据“相对论”和“量子科学”理解的时空，与人们在经验中感受到的是不一样的，改变了牛顿力学的绝对时间和空间思维模式。其中，最重要的是所谓的“决定论”问题。 在20世纪80年代的《走向未来》丛书有一本是《上帝怎样掷骰子》，在当时是极为前沿的内容。其背景是在1927年的布鲁塞尔物理学大会上，玻尔和爱因斯坦的重要争论就是如何看待随机性？爱因斯坦确实说：“上帝是不掷骰子的。”也就是说，爱因斯坦相信这个世界是既定的和完美的，我们看到的世界的缺陷，不是世界本身的缺陷，而是因为人们的认知有问题。而玻尔，也就是哥本哈根学派认为：“这个世界是很随机的，上帝有可能掷骰子。”因此“上帝是不是掷骰子”就是量子科学提出之后最严肃的一个哲学问题。 为什么说“量子科学”是未来十年最大的变量从1900年开始，过去120年间，“量子科学”经历了两个阶段：基于工业社会和后工业社会的第一次“量子科学革命”；基于信息社会和经济与数字经济的第二次“量子科学革命”。 第一次“量子革命”开始于1900年，工业革命方兴未艾，美国成为工业大国，引领世界潮流。在工业革命的大背景下，特别是第二次世界大战和冷战，在很大程度上推动了第一次量子科技革命，从原子能到核能、激光、半导体、计算机、互联网、智能手机，都与第一次量子科技革命休戚相关。与此同时，量子科学理论持续突破，例如：1964年“夸克模型”、1974年“霍金黑洞辐射理论”，最近有些媒体报道，试验证明黑洞存在，也就是说霍金理论是可以被证明的。 20世纪80年代之后，开启了第二次“量子科学革命”。大背景是世界快速进入后工业社会和信息社会。IT革命成为主导。硅谷崛起。其中，最有里程碑意义的事件是1981年夏天IBM和麻省理工学院组织的“计算物理第一次会议”（First Conference on the Physics of Computation），会议地点在麻省理工学院校园不远的Endicott House。计算科学和量子物理史上最有影响力的主要人物出席了这次会议，包括康拉德·楚泽、查尔斯·贝内特（Charles Bennett，1943—）、理查德·菲利普斯·费曼（Richard Phillips Feynman，1918—1988）。理查德·菲利普斯·费曼对量子理论有重大贡献，他在会议上正式提出使用量子效应进行计算的想法，即需要量子计算机。这个会议形成了主要的共识：量子计算机会将信息存储在所谓的量子比特，也就是量子位中，并且可以使用量子纠缠和量子干涉来找到指数级大数据计算的解决方案。只有几百个量子比特的量子计算机所执行的计算量，要比已知宇宙中的原子数量更大。无论如何，这是划时代的。 自20世纪80年代，在量子科学领域，还有理论性突破：1984年有“超弦理论”，1990年代有M理论。 第二次“量子科技革命”的成果是显著的。表7.1罗列了自1984年“量子通信BB84协议”提出至今量子科技取得的主要进展。 表7.1 量子科技取得的主要进展   从这个表可以看出，自1984年到现在30余年，量子科技的主要领域集中在量子通信、因数分解、算法、计算机、保密通信等。今天讲“纳米技术”，讲7纳米。新冠病毒是100纳米，1纳米是头发直径的几万分之一。芯片是讲2纳米、3纳米、7纳米，所有的这些东西离不开量子科学的工具和技术。值得重视的是，2019年量子计算机发展加速，打破了人们以为的量子计算机还属于遥不可及的技术的保守认知。 从20世纪80年代到现在，第二次量子革命大体完成了从R到D的转轨，完成了基于量子特性的量子器件为基础的革命，形成了臻于完备的量子软件与硬件结合的技术体系。 更为重要的是，在第二次量子革命过程中，量子科技与信息社会，以及数字经济形成交互作用关系，开始改变人们对于微观世界和宏观世界的认知，形成信息与物质/时空一体化的新世界观，“基本粒子完全源于量子信息（量子比特）：它们是与我们的空间相对应的纠缠量子比特海的集体激发。美妙的几何杨-米尔斯规范理论以及物质粒子之间奇特的费米统计从此具有共同的代数量子信息起源”。 量子霸权和量子霸权竞争量子科学、量子计算、量子测试，正在成为国家的力量、资本的力量、企业焦距和竞争的全新领域。 2012年，美国物理学家普雷斯基尔在《量子杂志》上首先使用了“量子霸权”概念，把“量子霸权”定义为，当量子计算机做到了经典计算机做不到的事情的关键节点，无论所做的任务是否有实际意义，量子霸权都已经形成。 “量子霸权”公认集中在三个领域：量子通信、量子计算、量子精密测算。  图7.2 量子霸权集中在三个领域 2019年9月20日，谷歌公布了一个报告，因为发明了53量子位计算机，因此说获得了“量子霸权”。对此，IBM是不同意的。但是，从我的观点来讲，谷歌是否获得“量子霸权”的竞争已经真正开始。 而国家成为“量子霸权”竞争的重要组成部分。实现“量子霸权”代表着超越经典量子技术能力从理论走进实验，标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。2002年美国国防部发布《量子信息科学和技术发展规划》，提出两个基本目标：一是在未来5年，美国的公司和实验室将演示量子网络基础科学和关键技术，包括量子互联、量子终端机、量子存储器、高通量量子信道和洲际天机纠缠分发，同时将查明这些科学技术潜在的影响和改善应用带来商业、科学、卫生和国家安全等方面的好处。二是在未来的20年，量子互联网链路将利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能，同时促进对量子纠缠作用的理解。 欧盟在2016年、德国在2018年、英国在2014年、俄罗斯在2019年、印度在2020年，都提出各自的“量子计划”。 当下量子技术的发展，20世纪80年代美国总统里根提出的“星球大战计划”（The Strategic Defense Initiative）具有参考价值。但是，事实上今天的“量子霸权”争夺，就规模而言，包括资本投入、国力投入、人力投入，以及对现实经济生活、社会生活、地缘政治所产生的深远而剧烈的影响，远远超过“星球大战计划”。所以，与会者提出“二战”前后的“曼哈顿计划”也可以作为历史参照系。因为“量子霸权”竞争更需要在特定的目标下，以国际资源集结更多的学科部门和人才。 2020年席卷全球的疫情没有阻止“量子科技”的历史进程。例如，2020年6月，霍尼韦尔（Honeywell）公司基于IBM提出的量子体积（quantum volume）的性能评价概念（影响因素包括量子比特数、测量误差、设备交叉通信以及设备连接和电路编译效率等），发布了量子体积达64的量子计算机，为当今最强。2020年8月，Google 量子研究团队宣布其在量子计算机上模拟了迄今为止最大规模的化学反应。2020年9月，IBM发布了扩展量子技术路线图，该路线图将带领IBM到2023年实现超过1 000量子比特的量子计算设备。紧接着英国量子软件公司Riverlane宣布，其高性能通用操作系统Deltaflow.OS已经进入了量子计算机商业化关键阶段。 非常值得庆幸的是，中国的“十三五”和“十四五”规划已经将“量子科技”列为国家科技战略的组成部分。2020年中共中央政治局会议，也讨论了量子技术的问题。 除了调动国家资源参与“量子霸权”竞争之外，企业和资本的“集结号”已经吹响。 表7.2 参与量子霸权竞争的企业  这些科技巨头，有些大家熟悉，有些大家不熟悉。最近有这样的报道：正在大力开发量子计算机的企业中既有谷歌、IBM、英特尔等科技巨头，也有Rigetti和IonQ等初创企业，等待付费使用霍尼韦尔量子计算机的公司已经大排长龙，这也标志着量子计算即将迈入重要的发展新阶段。2020年11月初，IQM——欧洲超导量子计算机的领导者宣布，其完成了3 900万欧元（约合人民币3亿元）的A轮融资，迄今已筹集的资金总额为7 100万欧元（约合人民币5.5亿元）。人们常常在商业领域当中讲“赛道”，现在量子科技的赛道已经铺好，关键“玩家”早已上场。对于后来者来说，如何获得比赛的资格和入场券是个问题。 关于量子科技的商业前景，无非两种。一是急功近利的商业前景，实事求是地说，量子技术在短期内很难达到对投资有较高回报的商业效果。二是中长期的商业前景，量子技术的商业前景应该是乐观的，这是因为量子科技代表未来大趋势。 在高科技和硬科技，甚至“黑科技”竞争领域，马斯克创造了将科技、资本，以及人类中长期发展方向结合在一起的商业模式。这值得中国企业家思考。2019年，马云和马斯克在上海有一个面对面的对话。在对话过程中，两人的差别是非常大的。马云以地球人代表自居，对AI持有相对保守的态度；马斯克代表火星人，主张火星移民，对AI充满激情和想象力。两人的差别背后，其实是两种不同的商业模式，或者说科技商业模式的差别。 整体而言，中国量子科技的前途任重而道远。相关学科的协调方面还是较为薄弱，人才短缺，相关的基础教育也较为落后，特别是在量子技术的硬技术方面，实现创新和突破的难度是很大的。但是，中国在量子计算理论和量子技术软件方面，特别是建立量子技术标准体系方面，还是可以有所创新和有所突破的。所有这些领域，需要大量的科研经费与人力资源投入，中国具有巨大潜在优势和很大发展空间。 21世纪20年代，人类全方位进入科技主宰经济、科技资本整合金融资本和产业资本的新时代。量子科技将引领我们经历突破信息和物质科学技术的经典极限的激动人心的时刻，将在未来科学技术革命中具有核心和主导地位。不足100个量子比特可以存储整个世界，已经不再是可望而不可即的理论说法。而现在的问题是，人们普遍对于量子计算机进入产业化和应用领域的“时间点”过于保守，对于量子计算机为全球现有互联网通信所带来的颠覆性冲击，估计不足。可以毫不夸张地说，以量子科技主导的量子产业体系正出现在地平线上。所以，回到本文的主题：量子科学是未来十年最大的变量，量子技术是数字时代的基石，量子科学决定未来经济。 |
|
|
