对话科学探索奖发起人潘建伟:科学研究是一种生活方式

划重点:

  • 1量子力学对应的是经典力学。微观世界是不确定的,不可预测的,只能计算可能性;
  • 2量子叠加原理:著名的“薛定谔的猫”思想实验就是把微观世界的叠加原理放大到宏观世界出现的悖论;
  • 3人们可以利用量子纠缠来做量子秘钥分发,利用量子秘钥分发来做量子保密通信;
  • 4选择从事科学研究是一种生活方式,兴趣是必要条件。科学研究的对错由自然界客观去判定,不受其他主观因素影响;
  • 5科学探索奖不单单是物质上的奖励,同时也是精神上的奖励。是社会对从事基础科学研究的科学家的尊重和肯定。

腾讯科技 文/ 孙实 乔辉 佟金恒

2016年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射,配合地面台站在太空与地面之间进行远距离量子通信实验研究;2017年,潘建伟入选《自然》年度“十大科学人物”;2019年2月,由潘建伟领衔的“墨子号” 量子卫星科研团队获得克利夫兰奖,这也是该奖项设立90多年来,中国科学家团队首次获得这一重要荣誉。

近日,腾讯科技独家对话中国科学院院士潘建伟,对量子科学进行讨论,回顾潘建伟在量子科学研究中遇到的无数困难和质疑,并给青年科学家提出建议。

什么是量子力学?

量子力学是区别于传统力学的。

第一次科学革命是以经典物理学为代表的,包括牛顿力学、电动力学都是第一次科学革命当中的重大科学成果。在这些理论里,一旦作用在物体上的力和初始条件是知道的话,一个物理体系会演化到什么状态,可以事先很精确地把它计算出来。这就意味着一种决定论。

打个比方,如果构成一个人身上的所有粒子,都是按照经典物理学规律来运行的话,那么这个人所说的每一句话、做的每一个行动,原理上都是可以预先计算出来的,就像机器人一样了。当然,我们相信人自身一定是有主观能动性的,但是经典物理学肯定解释不了。

量子力学是在上个世纪初建立起来的、描述微观粒子规律的一个新理论,有两个基本原理。

第一个基本原理是“相干叠加原理”。比如,在微观世界的一个原子,它会有高能级和低能级。如果原子处在低能级的状态叫做0,高能级叫做1的话,它会在0和1之间“跳来跳去”,但是在某些时候,原子不仅可以处于0或者1的状态,也可以处于0+1的叠加状态,这是量子力学和牛顿力学不一样的基本特征。不仅是原子,分子、光子等微观粒子都可以处于多个状态的相干叠加。处于这样相干叠加的状态,你去测粒子到底是0还是1是难以测准的,因为粒子原本就既不是0也不是1。

而对处于这样的状态的粒子进行测量的话,会对它有干扰,比如从0+1变成了0或者1。所以量子力学就告诉我们,观测者的行为,也就是测量,会对客体的演化产生影响。从这一点看,量子力学打破了牛顿力学的机械决定论,在哲学上是更加积极的。

第二个基本原理,叫做“不可分割性”。比如手电筒里发出的一束光,我们对它的能量不断地衰减,最后就会成为一份一份不连续的能量颗粒,不可再分割了。这种最小的能量颗粒就是光量子或光子,代表着光能量的最小单元。

量子力学在现实生活中有什么应用吗?

其实量子力学是我们很多现代科技的基础。比如核磁共振,就是利用量子力学的一些基本技术发展起来的;晶体管的理论基础就是量子力学;在很小的手机上能够存这么大量的信息,就是利用量子力学的一种巨磁阻效应,还有超导等等。量子力学在材料科学、生命科学、能源科学,包括信息科学领域都是基础理论。可以说我们每天都在用量子力学的效应,只不过多数人不需要知道它的根源是什么。

量子纠缠、量子通信和量子计算是什么?

量子纠缠:

科学家不满足于仅仅是利用量子力学的效应,还想进一步搞清楚量子力学的基本原理。比如大家就在想,一个粒子可以处于0+1,两个粒子是不是可以处于00+11呢?这是什么意思呢?这就叫做“量子纠缠”。量子纠缠会有什么现象呢?用一个形象一点的比喻,有两个平时玩游戏用的骰子,每个骰子有6个结果。假设这两个骰子纠缠在一起之后,把它们分隔非常遥远,一个在合肥我的办公室,另一个在深圳腾讯的办公室里。你去扔在合肥的那个骰子,它随机地得到结果1,结果在腾讯办公室的那个骰子扔出的结果也是1;你再仍一次如果变成6,深圳那个也变成6了。量子纠缠就有这么一种关联的随机性。

量子通信:

有了这种关联的随机性之后,就可以实现量子通信了。具体来说,比如我们俩手中有好多粒子,都纠缠在一起了,就像扔骰子一样,你在深圳的办公室和我在合肥的办公室扔,这两个结果完全一样,而且别人猜不出来某次扔出的结果是什么。利用这种随机数的关联,就可以来做量子密钥分发,随机数就是密钥。

有了这组密钥之后,我要传送的信息、文件,就可以用这个随机数来加密,加密完之后就变成一堆乱码,别人读不出来,这个密钥只有你和我有,只有你我才能读出来,可以用这种方法来做保密通信。这是量子通信目前比较成熟的一种应用方式。

量子隐形传态:

量子通信还有什么其他的用途呢?假如有一个粒子处于某一量子状态,你想把它所携带的量子信息从北京传到深圳过去。除了把这个粒子直接送到深圳之外,还有另一种方法。利用量子纠缠的帮助,做一定的操做,可以不用把这个粒子本身传过去,但是可以把这个粒子所携带的信息从一个地方转移到一个非常遥远的地方。

这个速度是很快的,可以以光的速度来进行传递,这就叫做量子隐形传态。本质上我们的计算机就是一个信息处理的网络,信息从这个处理单元到那个处理单元,这么跑来跑去。利用量子隐形传态,可以让量子信息在网络里面传来传去,这样就构建了一个量子信息处理的网络,也就是量子计算机。

量子计算:

在传统的计算机里面,一个比特只能处于0或者1这两个状态里面的某一个。到量子计算机里面,一个量子比特则可以同时处于0和1这两个状态的相干叠加。在我们这个手提电脑里面,两个比特要么就是00,要么是01,要么是10,要么是11,某一时刻只能处于这4种状态之一。

在量子计算机里,两个量子比特,可以同时处于00,10,01,11这4种状态的叠加。这么一来,原理上量子计算机就可以同时对多个数据进行并行的处理,计算能力就呈指数增长。如果能达到100个量子比特,量子计算机处理某些特定问题的计算能力就会比我们现在的超级计算机快很多很多了。

能否用实验证明量子纠缠是否存在?

爱因斯坦很不喜欢量子纠缠,他觉得相距遥远的两个骰子怎么会有这种跨越空间的关联呢?他把量子纠缠称作“遥远地点之间的诡异互动”,他认为量子力学一定是哪里出错了,才导致了如此诡异的结论。我当年在大学的时候学习了量子力学之后,也被量子叠加、量子纠缠搞糊涂了。我为什么后来一直在做量子力学基础检验,研究量子纠缠,因为我本来也是相信爱因斯坦的,我希望能够通过实验证明爱因斯坦是对的。

但是大量的实验证明,量子纠缠的“诡异互动”的确是存在的。我们2017年的时候利用“墨子号”量子卫星做了一个比较好的实验,证明了纠缠在相距1200公里之后仍然是存在的。现在学术界都相信,确实量子力学里面有这样一种内禀的、超越空间关联的随机性,不仅是所有人预测不了对量子纠缠下一次的测量结果是什么,哪怕统治宇宙万物的理论,也预测不了,或者说“上帝”也预测不了。

这么做完会觉得特别的神奇,为什么会有纠缠呢?经常有人会问我,纠缠到底是怎么回事?我解释过好几次,大家都觉得很难理解。到现在为止,尽管在实验上实实在在可以无数次重复出来验证纠缠的存在,但是谁也不知道为什么会有量子纠缠。

对于量子纠缠背后的原理,学术界有两种观点。一种认为,随着物理学的发展,纠缠的根源是可以被揭示的,现在搞不明白,可能是由于实验数据不够,或者理论没发展到新的阶段;另外一种观点,就像一位著名物理学家讲过的一句话,他说大自然是非常友好的,它让我们能够理解它;但是它又是非常奇妙的,又不会让我们能够理解它的全部。量子纠缠可能就是大自然留给人类的一个谜。

我也一直想把量子纠缠的根源搞明白,但可能在以后很长一段时间里面都是搞不明白的。不过,这并不妨碍我们利用量子纠缠来进行量子信息处理。这就如同万有引力定律一样,引力同距离平方的倒数成正比,为什么一定是平方而不是线性或者是三次方呢?其实也不清楚,但人们照样可以利用万有引力定律去计算星体的轨道、发展航天技术等等。

量子科学研究面临着哪些质疑?

您又是怎么克服的?

其实大多数人都没学过量子力学,尽管每天都在用量子力学,但是并不了解它的这两个精髓——不可分割性和叠加性。所以公众对量子科技有两方面的误解。一是怀疑量子力学本身的科学性和正确性,二是在量子信息技术推向应用时,顾虑这项技术是否成熟。

其实,一个创新性科技从产生到得到广泛应用,通常需要经历三个阶段。刚开始,公众接触到一个全新的领域时会觉得这个技术“不靠谱”,比如,在早期,量子信息甚至被认为是伪科学;当发展到一定阶段后公众又会觉得某项技术原理上可行,但要推向应用却“不成熟”,这可能是由于我们在过去长期处于跟踪和模仿状态,对于现在自主掌握的领先技术不够自信,往往要等到国外已经发展成熟后才觉得我国应该跟进;而到将来广泛成熟应用后,到那时人们又可能对某项技术的应用习以为常,觉得这不是什么“新东西”了。到此才完成了一个创新性技术发展的全过程。

怎么克服?其实也没什么太好的办法,只有靠耐心。最开始是一些小同行有共同的观念,

经过一段时间,有越来越多的人来做了,又不断有好的成果出来,大家慢慢觉得这个东西开始靠谱起来,所以最重要的一点是要学术共同体有一个共识。你只能等待,让大家慢慢看到是可以理解的,认识到你这个东西确实是有价值的,这是创新技术发展的必然过程,需要有耐心。

中国量子科学研究在世界上是什么水平?

量子力学是在欧洲建立的,传到全世界各地,最后为现代信息技术奠定了基础。由于历史的原因,我们国家在经典信息技术方面虽然已经有了很大的进步,但毕竟在总体上还是模仿者和跟随者,这是非常遗憾的。

在量子力学基础研究方面,国外做得早的多,以前一直领先我们。改革开放后,我们国家慢慢重新派人出去了,有互相的交流,后来有很多杰出的学者回来了,包括科大、清华、北大、中科院物理所等,很多在量子物理方面研究比较杰出的学者,都从国外回来了。这样一来,再加上国家经济水平的不断提升,我国的量子物理研究水平也慢慢上来了,在某些方向已经和发达国家处于同一水平线。

目前大家都认为量子信息研究是欧洲、美国、中国三驾马车,总体上讲是并驾齐驱的。当然,量子信息领域有三个方面,除了我刚才讲的量子通信外,还有量子计算和量子精密测量。国际上的学者现在都觉得,目前中国在量子通信方面是处在领导者的地位,量子计算跟他们在同一水平线上。前阵子MIT的校长就说过,在量子计算方面,将来的竞争就是中国、美国和欧洲的竞争。所以整个量子信息领域,在国家的支持之下,我们是比较有信心的。

中国量子信息科学发展的原因?

我们国家进入到量子信息领域已经有20多年了。我们怎么从20多年之前刚进入,到现在部分领先了,我觉得原因是多个方面。

第一,得益于改革开放,和国际上的交流开始密切起来,很多人出去求学了。我很幸运,我在奥地利读博士时候,和同事们一起完成的量子隐形传态的实验,是在量子信息领域,不敢说是里程碑,也至少是转折点一样的实验。后来《自然》杂志为了庆祝美国物理学会成立100周年,选了百年21篇经典论文,这篇文章被选进去了,也是量子信息领域唯一一篇。从那以后,量子信息实验研究就进入了快速发展的阶段。我还是很幸运,赶上了这个快速发展的时期,掌握了相关的实验技术。

二是正好有机遇,你就走到前面了。如果我们没有改革开放后经济领域取得的巨大成就,就没有足够的科研经费支持。在90年代中后期做实验很难,买设备的钱都很缺乏。到了2002年、2003年,国家在科研尤其是实验方面的投入就大幅度提高了。这样的话,我们自己又有能力,又有足够的保障,就能够走到前面去。

还有第三点,我们有需求。我们在传统信息方面,是模仿者、跟踪者。但是现在,量子通信可以提供原理上无条件安全的通信方式,量子计算可以大幅度提高计算能力,都有重大的需求,而且在国际上都是比较新的领域,这就给了我们一个“弯道超车”的机遇。

作为科学探索奖发起人之一,您对年轻的科研人员有什么建议?

关于兴趣

我记得1987年高考的时候,我也是可以保送到很好的大学去学经济管理,那时经管已经比较吃香了。在面临高考选择志愿的时候,我自己很喜欢物理,物理对我来说,几条原理知道之后,什么东西都可以推导出来,我觉得很好,但我又担心学物理将来没有足够的钱养活家人。我跟我家里商量一下,父母告诉我,反正我们都有退休工资,也不需要你养,你自己想干什么就干什么。所以真正的其实从事科学研究,首先要喜欢它,因为科学研究其实也是你的一种生活方式。这种生活方式好在什么地方?其实是由自然界决定的。

比如现在公司老总表扬你一下,你觉得是很大的成就。但是科学研究的成就是由自然界本身决定的,对就是对,错就是错。你把勾股定理证明了,那就是对的,别人再怎么反对,它也不可能是错的。

第二你既然喜欢了,想干这个东西,不用太着急有什么成果,可以加强积累,时候到了肯定会有点成果。第三,要有耐心,机遇总是会来的,不要太着急。

最重要的是有兴趣,不要把科学研究单纯当做是吃饭的家伙,而是在科学研究的过程中顺便能够把吃饭给解决了。关键是要真正喜欢基础研究的年轻人去做基础研究。

关于社会氛围

我们国内的教师、家长和学生,都存在一种赶热门的趋势。像当年,“学好数理化,走遍天下都不怕”的时候,学生们都拼命去考北大物理系、中国科大物理系或者数学系等等;到后来搞金融特别热的时候,这些高考状元不管喜欢不喜欢,全部都去学金融,这样是不好的。其实应该提倡的是,你喜欢做基础研究就去做基础研究,其他的因素就不要干扰。

因为年轻人确实心性还没有定,倒不是说年轻人不适合做基础研究,社会的氛围有时候会让年轻人不太能够沉下心。哪怕他特别喜欢,你说这个东西没饭碗、没前途,大家还是得首先考虑填饱肚皮,像爱因斯坦当年都没办法,还在专利局干过。从这种角度我觉得应该有一种比较好的社会氛围,让大家能够去潜心研究。

作为发起人之一,您认为设立科学探索奖的意义是什么?

生活压力

我遇见好多年轻人,他们确实是比较辛苦的,特别是成家之后。现在大家都有很大的生活压力,我当年也有很大的生活压力。我一直有这样一个愿望,尤其是对博士毕业之后,35岁左右到45岁之间的年轻人,一方面他们上有老、下有小,但这段时间又是他最有创造力的时候,应当给他们一种稳定的支持,让他们能够去潜心研究。

科学探索奖,每年一搞就是50个人,300万人民币,基本上这些科学家拿到这笔资助以后,至少在未来8年、10年里面可以比较安心地开展研究工作了,这很重要。我觉得科学探索奖最重要的意义就是能够让年轻人潜心从事科学基础方面的研究。

荣誉

荣誉感也很重要。一个大奖对年轻人来说不仅在经济上是一种激励,也是很好地告诉他,搞基础研究也可以得到大家的尊重和肯定,这个也很重要。

鼓励大家更多关注基础科学

我上大学的时候,尽管很多同学都是非常喜欢理科的,但到了毕业的时候,如果不出国、不去读研究生,学基础研究的人找工作都难,所以有不少同学后来都转行了。从这种角度上讲,科学探索奖可以让基础研究得到大家的充分关注,我觉得这是一个非常好的事情。