近日，在上海舉行，其間，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、2017年未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲得者接受深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿記者采訪，以量子力學(xué)百年（1925-2025）為起點(diǎn)深入解讀了量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與未來路徑。

來源： 深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿

未來20年量子科技將如何重塑生活？ ——從500萬(wàn)量子保密手機(jī)用戶到"億年不差1秒"的光鐘

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：今年我們?cè)诹孔涌萍挤矫嬗心男┳钚逻M(jìn)展？

潘建偉：其實(shí)今年非常有意思，正好是現(xiàn)代量子理論建立100周年。1925年的六月份，海森堡在德國(guó)的一個(gè)小島上建立了矩陣力學(xué)，用他那個(gè)方程能夠很好的來求解，來分析氫原子的光譜，這意味著量子力學(xué)的誕生。它誕生之后，很快就推動(dòng)了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展?？梢哉f沒有量子力學(xué)建立，就不會(huì)有今天的計(jì)算機(jī)，不會(huì)有我們今天的互聯(lián)網(wǎng)，也不會(huì)有我們今天的衛(wèi)星導(dǎo)航。所以其實(shí)量子力學(xué)建立之后，在過去100年當(dāng)中，已經(jīng)為以信息技術(shù)為代表的第三次產(chǎn)業(yè)變革，做出了巨大的貢獻(xiàn)了。我們把它叫第一次量子革命。

隨著目前科學(xué)家們能力的增長(zhǎng)，能夠?qū)⒁粋€(gè)個(gè)原子、一個(gè)個(gè)分子、一個(gè)個(gè)光子進(jìn)行主動(dòng)的精確的操控之后，目前一個(gè)新的學(xué)科，我們現(xiàn)在把它叫做量子信息科學(xué)，正在蓬勃發(fā)展。我想在未來的20年里面，跟人工智能結(jié)合在一起之后，會(huì)催生一次新的產(chǎn)業(yè)變革。那么這個(gè)新興的量子信息是有什么用呢？它可以在信息的安全傳輸上、計(jì)算能力的提升上，以及在精確的感知能力上，起到巨大的推動(dòng)作用。

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：您提到，未來20年量子科技會(huì)有一個(gè)比較大的發(fā)展，能否舉一個(gè)具體的案例？

潘建偉：第一個(gè)應(yīng)用就是利用量子糾纏的精確關(guān)聯(lián)，我們可以在遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)之間產(chǎn)生一種原理上不可破解的量子密碼。利用這樣一種量子密碼，我們就可以實(shí)現(xiàn)信息論可證的，也就是有最高級(jí)別安全性的信息傳輸。據(jù)我的了解，中國(guó)電信在前期的應(yīng)用基礎(chǔ)之上，已經(jīng)有500萬(wàn)左右的量子保密手機(jī)的用戶了。所以從這個(gè)角度上講，我想在未來20年里面，可能大家都會(huì)用上這樣能夠得到量子密碼保障的信息安全。

第二個(gè)應(yīng)用，目前我們中國(guó)科學(xué)家和國(guó)際科學(xué)家一起，正在構(gòu)建一個(gè)遠(yuǎn)距離的時(shí)間分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。目前導(dǎo)航系統(tǒng)如GPS和北斗依賴的傳統(tǒng)原子鐘的精度大概是每100萬(wàn)年誤差1秒。新的量子技術(shù)用上之后，我們就可以造出一種每100億年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間里面誤差只有1秒的光鐘，能夠大幅度提高時(shí)間計(jì)量和導(dǎo)航的精度。

當(dāng)然20年時(shí)間里，如果我們能夠把通用量子計(jì)算機(jī)造出來的話，它就可以提供一種非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。這還需要一點(diǎn)時(shí)間，但也是最激動(dòng)人心的。我覺得量子計(jì)算機(jī)可以來滿足目前人工智能對(duì)算力的極大需求，所以從這種角度看，量子計(jì)算機(jī)可以為我們的算力需求提供一種革命性的解決方案。

量子計(jì)算機(jī)的"致命挑戰(zhàn)"與突破時(shí)間表： 2035年能否造出容錯(cuò)通用機(jī)？

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：量子計(jì)算機(jī)目前面臨的主要的挑戰(zhàn)是什么？

潘建偉：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的每次操作錯(cuò)誤率是非常低的，即便長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果仍可信。但量子計(jì)算機(jī)目前面臨的挑戰(zhàn)在于它的單次操作錯(cuò)誤率比較大。如果計(jì)算時(shí)間較短，結(jié)果或許是可信的，一旦延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，錯(cuò)誤不斷累積，最終結(jié)果與預(yù)期值偏差會(huì)顯著增大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可信。

為了解決量子計(jì)算的關(guān)鍵瓶頸問題（即長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的精度保障），我們需要一種稱為量子糾錯(cuò)的技術(shù)手段。量子糾錯(cuò)的工作原理可以類比火柴棍的穩(wěn)定性：

若單根火柴棍立于地面，短暫站立后便會(huì)傾倒；

若將三根火柴棍 捆綁在一起，則可維持更久不倒塌；

若將大量火柴棍緊密組合，便能形成一種對(duì)周圍振動(dòng)高度魯棒（robust）的結(jié)構(gòu)。

類似地，量子糾錯(cuò)通過集成大量量子比特（類似于捆扎多根火柴棍），構(gòu)建出對(duì)環(huán)境干擾（如噪聲、振動(dòng)）具備強(qiáng)魯棒性的機(jī)制，從而確保計(jì)算過程長(zhǎng)期穩(wěn)定且結(jié)果精確。

量子糾錯(cuò)目前已經(jīng)有可喜的進(jìn)展了。我們希望通過5到10年的時(shí)間，能夠把量子計(jì)算的糾錯(cuò)問題解決。也許到2035年或2040年，我們就可以把容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建出來。

優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)的"成事密碼"： 選對(duì)賽道、跨學(xué)科協(xié)作、踩準(zhǔn)時(shí)機(jī)

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：您認(rèn)為一個(gè)優(yōu)秀的科研團(tuán)隊(duì)具備哪些特質(zhì)？然后您是如何培養(yǎng)和激勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員的？

潘建偉：我覺得其實(shí)聰明的人都很多，所以我是非常認(rèn)可楊振寧先生的一個(gè)判斷。

對(duì)于年輕人來說，要選擇一個(gè)在蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。如果自身能力足夠，就能較快取得成果。但如果進(jìn)入夕陽(yáng)領(lǐng)域，即便能力再?gòu)?qiáng)，樹上的果子已經(jīng)很少了，跳得再高也只能摘到1到2個(gè)果子；反之，如果選擇果樹繁茂、新果源源不斷的領(lǐng)域，能力足夠便能摘到很多果實(shí)。因此，首要能力是判斷哪個(gè)領(lǐng)域正處于蓬勃發(fā)展期，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

其次，我認(rèn)為在我們這個(gè)領(lǐng)域尤為重要的一個(gè)原則是多學(xué)科交叉。量子信息科技涉及算法研發(fā)，因此需要數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)理論人才；同時(shí)涉及硬件設(shè)計(jì)與制造，需精通材料學(xué)與微納加工技術(shù)；其最終實(shí)現(xiàn)依賴物理機(jī)制，因此需深刻理解量子物理原理。由此可見，要解決我們這一領(lǐng)域的重大問題，必須聚集多學(xué)科人才。大家聯(lián)合在一起之后，就能夠做一些別人做不了的事情。這種跨學(xué)科協(xié)作模式，正是量子領(lǐng)域優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的基本素質(zhì)。

第三點(diǎn)同樣重要——在對(duì)的時(shí)機(jī)做對(duì)的事。由于領(lǐng)域內(nèi)存在多種方向選擇，有時(shí)還需一點(diǎn)運(yùn)氣：若運(yùn)氣好，選中的方向既正確又重要，便能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)憑能力把握住機(jī)遇。

量子領(lǐng)域需要什么樣的人才？ ——密碼學(xué)、光通信等跨界者都能發(fā)光

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：您提到量子科技是未來產(chǎn)業(yè)，且正處于新興發(fā)展階段，前景廣闊。那么哪些人才或青年學(xué)子適合進(jìn)入這一領(lǐng)域？

潘建偉：這很難一概而論。我們領(lǐng)域中有密碼學(xué)背景的成員轉(zhuǎn)向量子算法后表現(xiàn)優(yōu)異——因?yàn)槊艽a破解需極強(qiáng)的數(shù)學(xué)能力，這類人才在量子計(jì)算中同樣關(guān)鍵。一位原本不涉足量子信息的同事，轉(zhuǎn)行后成為我們團(tuán)隊(duì)核心力量；另一位原來是光通信領(lǐng)域的同事轉(zhuǎn)至量子通信領(lǐng)域，也發(fā)揮了重要作用。

因此，量子信息領(lǐng)域真正需要的是多元化背景的人才。

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：至今最讓您著迷的量子之謎或者是量子現(xiàn)象是什么？

潘建偉：其實(shí)我當(dāng)年最感興趣的就是量子疊加原理。傳統(tǒng)計(jì)算中，一個(gè)比特只能處于0或1；但在量子世界，量子比特可處于 |0? 和 |1? 的疊加態(tài)。如果你有兩個(gè)比特的話，就會(huì)產(chǎn)生糾纏的概念，會(huì)形成如∣00?+∣11? 的糾纏態(tài)。

這句話是什么意思呢？這意味著：比如我將兩個(gè)糾纏的量子比特分離——一個(gè)送給你，一個(gè)留在我這里——即使我倆相距遙遠(yuǎn)，當(dāng)你去觀測(cè)你手中的比特，結(jié)果一旦確定時(shí)（如得到0），我手里的量子比特狀態(tài)也會(huì)瞬間坍縮為關(guān)聯(lián)狀態(tài)（如0）。這種現(xiàn)象稱為量子糾纏，愛因斯坦稱之為遙遠(yuǎn)地點(diǎn)間的詭異互動(dòng)。這是讓我最困惑，然后也特別想搞清楚的。

到目前為止，所有的實(shí)驗(yàn)都證明了量子糾纏現(xiàn)象確實(shí)是存在的。但為什么會(huì)有這種現(xiàn)象？我們到目前為止也沒辦法解釋，但我們是利用這種現(xiàn)象來做量子信息處理的。

量子糾纏為什么是讓我覺得最神奇的呢？我記得有一次楊振寧先生講過，他說要理解量子糾纏可能很難了，它是自然界這個(gè)造物主來向我們顯示他的強(qiáng)大。你可以理解萬(wàn)有引力，理解無(wú)線電，但自然界有時(shí)就會(huì)讓你意識(shí)到某些現(xiàn)象超出了人類理解的邊界。

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：人類有可能實(shí)現(xiàn)星際穿越嗎？

潘建偉：其實(shí)我們中國(guó)古代就有諸如飛天、嫦娥登月的傳說，現(xiàn)在我們登月都是沒有問題了。我記得在航天器誕生前，開普勒曾致信伽利略，預(yù)言“未來人類將建造飛船實(shí)現(xiàn)星際旅行”——這一設(shè)想在數(shù)百年后成為現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)有量子物理學(xué)原理并沒有禁止基于量子糾纏的星際穿越探索，因此我認(rèn)為在將來的某一天是有可能實(shí)現(xiàn)的。例如，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地點(diǎn)之間復(fù)雜量子狀態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。但傳輸人類是否可行？這需要回答一個(gè)根本問題：生命現(xiàn)象與非生命系統(tǒng)是否存在本質(zhì)差異？目前科學(xué)尚未定論。正因如此，我對(duì)這一問題保持開放的態(tài)度。

深圳衛(wèi)視科創(chuàng)最前沿：您在采訪曾提到過，美國(guó)為什么一直能占據(jù)世界科技發(fā)展的中心？那現(xiàn)在您的看法有什么變化嗎？

潘建偉：我覺得沒有什么變化。美國(guó)的科技金融，是美國(guó)在這么多年來保持科技強(qiáng)國(guó)地位的一個(gè)非常重要的因素。

現(xiàn)在在歐洲，即使是像馬斯克這樣具有極強(qiáng)創(chuàng)新能力的企業(yè)家都難以獲得高強(qiáng)度的投入。歐洲以傳統(tǒng)實(shí)業(yè)為核心（如西門子、寶馬等），主要依賴穩(wěn)定現(xiàn)金流而非前瞻性資本投入，這種模式難以支撐高失敗風(fēng)險(xiǎn)的顛覆性創(chuàng)新。而SpaceX持續(xù)高成本的火箭發(fā)射屢次失敗且長(zhǎng)期未盈利，就很難在歐洲生存下去。

但在美國(guó)，你一旦看好某個(gè)科技的發(fā)展前景后，就可以把未來的收益折現(xiàn)到現(xiàn)在，可以持續(xù)地募集到足夠的經(jīng)費(fèi)去做他想做的，認(rèn)為是對(duì)的事情。

所以我認(rèn)為中國(guó)要想成為科技強(qiáng)國(guó)的話，需要既有實(shí)體又有科技金融，把這兩者很好地結(jié)合在一起，這對(duì)我們中國(guó)未來的科技發(fā)展是非常重要的。