對話科學探索獎發起人潘建偉：科學研究是一種生活方式

編者按：本文來自「騰訊科技」，作者 孫實 喬輝 佟金恆。36氪經授權轉載。

劃重點：

• 1量子力學對應的是經典力學。微觀世界是不確定的，不可預測的，只能計算可能性；

• 2量子疊加原理：著名的「薛定諤的貓」思想實驗就是把微觀世界的疊加原理放大到宏觀世界出現的悖論；

• 3人們可以利用量子糾纏來做量子秘鑰分發，利用量子秘鑰分發來做量子保密通信；

• 4選擇從事科學研究是一種生活方式，興趣是必要條件。科學研究的對錯由自然界客觀去判定，不受其他主觀因素影響；

• 5科學探索獎不單單是物質上的獎勵，同時也是精神上的獎勵。是社會對從事基礎科學研究的科學家的尊重和肯定。

2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」在酒泉衛星發射中心成功發射，配合地面台站在太空與地面之間進行遠距離量子通信實驗研究；2017年，潘建偉入選《自然》年度「十大科學人物」；2019年2月，由潘建偉領銜的「墨子號」 量子衛星科研團隊獲得克利夫蘭獎，這也是該獎項設立90多年來，中國科學家團隊首次獲得這一重要榮譽。

近日，騰訊科技獨家對話中國科學院院士潘建偉，對量子科學進行討論，回顧潘建偉在量子科學研究中遇到的無數困難和質疑，並給青年科學家提出建議。

什麼是量子力學？

量子力學是區別於傳統力學的。

第一次科學革命是以經典物理學為代表的，包括牛頓力學、電動力學都是第一次科學革命當中的重大科學成果。在這些理論裡，一旦作用在物體上的力和初始條件是知道的話，一個物理體系會演化到什麼狀態，可以事先很精確地把它計算出來。這就意味著一種決定論。

打個比方，如果構成一個人身上的所有粒子，都是按照經典物理學規律來運行的話，那麼這個人所說的每一句話、做的每一個行動，原理上都是可以預先計算出來的，就像機器人一樣了。當然，我們相信人自身一定是有主觀能動性的，但是經典物理學肯定解釋不了。

量子力學是在上個世紀初建立起來的、描述微觀粒子規律的一個新理論，有兩個基本原理。

第一個基本原理是「相干疊加原理」。比如，在微觀世界的一個原子，它會有高能級和低能級。如果原子處在低能級的狀態叫做0，高能級叫做1的話，它會在0和1之間「跳來跳去」，但是在某些時候，原子不僅可以處於0或者1的狀態，也可以處於0+1的疊加狀態。

這是量子力學和牛頓力學不一樣的基本特徵。不僅是原子，分子、光子等微觀粒子都可以處於多個狀態的相干疊加。處於這樣相干疊加的狀態，你去測粒子到底是0還是1是難以測準的，因為粒子原本就既不是0也不是1。

而對處於這樣的狀態的粒子進行測量的話，會對它有干擾，比如從0+1變成了0或者1。所以量子力學就告訴我們，觀測者的行為，也就是測量，會對客體的演化產生影響。從這一點看，量子力學打破了牛頓力學的機械決定論，在哲學上是更加積極的。

第二個基本原理，叫做「不可分割性」。比如手電筒裡發出的一束光，我們對它的能量不斷地衰減，最後就會成為一份一份不連續的能量顆粒，不可再分割了。這種最小的能量顆粒就是光量子或光子，代表著光能量的最小單元。

量子力學在現實生活中有什麼應用嗎？

其實量子力學是我們很多現代科技的基礎。比如核磁共振，就是利用量子力學的一些基本技術發展起來的；晶體管的理論基礎就是量子力學；在很小的手機上能夠存這麼大量的信息，就是利用量子力學的一種巨磁阻效應，還有超導等等。量子力學在材料科學、生命科學、能源科學，包括信息科學領域都是基礎理論。可以說我們每天都在用量子力學的效應，只不過多數人不需要知道它的根源是什麼。

量子糾纏、量子通信和量子計算是什麼？

量子糾纏：

科學家不滿足於僅僅是利用量子力學的效應，還想進一步搞清楚量子力學的基本原理。比如大家就在想，一個粒子可以處於0+1，兩個粒子是不是可以處於00+11呢？這是什麼意思呢？這就叫做「量子糾纏」。量子糾纏會有什麼現象呢？用一個形象一點的比喻，有兩個平時玩遊戲用的骰子，每個骰子有6個結果。

假設這兩個骰子糾纏在一起之後，把它們分隔非常遙遠，一個在合肥我的辦公室，另一個在深圳騰訊的辦公室裡。你去扔在合肥的那個骰子，它隨機地得到結果1，結果在騰訊辦公室的那個骰子扔出的結果也是1；你再仍一次如果變成6，深圳那個也變成6了。量子糾纏就有這麼一種關聯的隨機性。

量子通信：

有了這種關聯的隨機性之後，就可以實現量子通信了。具體來說，比如我們倆手中有好多粒子，都糾纏在一起了，就像扔骰子一樣，你在深圳的辦公室和我在合肥的辦公室扔，這兩個結果完全一樣，而且別人猜不出來某次扔出的結果是什麼。利用這種隨機數的關聯，就可以來做量子密鑰分發，隨機數就是密鑰。

有了這組密鑰之後，我要傳送的信息、文件，就可以用這個隨機數來加密，加密完之後就變成一堆亂碼，別人讀不出來，這個密鑰只有你和我有，只有你我才能讀出來，可以用這種方法來做保密通信。這是量子通信目前比較成熟的一種應用方式。

量子隱形傳態：

量子通信還有什麼其他的用途呢？假如有一個粒子處於某一量子狀態，你想把它所攜帶的量子信息從北京傳到深圳過去。除了把這個粒子直接送到深圳之外，還有另一種方法。利用量子糾纏的幫助，做一定的操做，可以不用把這個粒子本身傳過去，但是可以把這個粒子所攜帶的信息從一個地方轉移到一個非常遙遠的地方。

這個速度是很快的，可以以光的速度來進行傳遞，這就叫做量子隱形傳態。本質上我們的計算機就是一個信息處理的網絡，信息從這個處理單元到那個處理單元，這麼跑來跑去。利用量子隱形傳態，可以讓量子信息在網絡裡面傳來傳去，這樣就構建了一個量子信息處理的網絡，也就是量子計算機。

量子計算：

在傳統的計算機裡面，一個比特只能處於0或者1這兩個狀態裡面的某一個。到量子計算機裡面，一個量子比特則可以同時處於0和1這兩個狀態的相干疊加。在我們這個手提電腦裡面，兩個比特要麼就是00，要麼是01，要麼是10，要麼是11，某一時刻只能處於這4種狀態之一。

在量子計算機裡，兩個量子比特，可以同時處於00，10，01，11這4種狀態的疊加。這麼一來，原理上量子計算機就可以同時對多個數據進行並行的處理，計算能力就呈指數增長。如果能達到100個量子比特，量子計算機處理某些特定問題的計算能力就會比我們現在的超級計算機快很多很多了。

能否用實驗證明量子糾纏是否存在？

愛因斯坦很不喜歡量子糾纏，他覺得相距遙遠的兩個骰子怎麼會有這種跨越空間的關聯呢？他把量子糾纏稱作「遙遠地點之間的詭異互動」，他認為量子力學一定是哪裡出錯了，才導致了如此詭異的結論。我當年在大學的時候學習了量子力學之後，也被量子疊加、量子糾纏搞糊塗了。

我為什麼後來一直在做量子力學基礎檢驗，研究量子糾纏，因為我本來也是相信愛因斯坦的，我希望能夠通過實驗證明愛因斯坦是對的。

但是大量的實驗證明，量子糾纏的「詭異互動」的確是存在的。我們2017年的時候利用「墨子號」量子衛星做了一個比較好的實驗，證明了糾纏在相距1200公里之後仍然是存在的。

現在學術界都相信，確實量子力學裡面有這樣一種內稟的、超越空間關聯的隨機性，不僅是所有人預測不了對量子糾纏下一次的測量結果是什麼，哪怕統治宇宙萬物的理論，也預測不了，或者說「上帝」也預測不了。

這麼做完會覺得特別的神奇，為什麼會有糾纏呢？經常有人會問我，糾纏到底是怎麼回事？我解釋過好幾次，大家都覺得很難理解。到現在為止，儘管在實驗上實實在在可以無數次重複出來驗證糾纏的存在，但是誰也不知道為什麼會有量子糾纏。

對於量子糾纏背後的原理，學術界有兩種觀點。一種認為，隨著物理學的發展，糾纏的根源是可以被揭示的，現在搞不明白，可能是由於實驗數據不夠，或者理論沒發展到新的階段；另外一種觀點，就像一位著名物理學家講過的一句話，他說大自然是非常友好的，它讓我們能夠理解它；但是它又是非常奇妙的，又不會讓我們能夠理解它的全部。量子糾纏可能就是大自然留給人類的一個謎。

我也一直想把量子糾纏的根源搞明白，但可能在以後很長一段時間裡面都是搞不明白的。不過，這並不妨礙我們利用量子糾纏來進行量子信息處理。

這就如同萬有引力定律一樣，引力同距離平方的倒數成正比，為什麼一定是平方而不是線性或者是三次方呢？其實也不清楚，但人們照樣可以利用萬有引力定律去計算星體的軌道、發展航天技術等等。

量子科學研究面臨著哪些質疑？您又是怎麼克服的？

其實大多數人都沒學過量子力學，儘管每天都在用量子力學，但是並不瞭解它的這兩個精髓——不可分割性和疊加性。所以公眾對量子科技有兩方面的誤解。一是懷疑量子力學本身的科學性和正確性，二是在量子信息技術推嚮應用時，顧慮這項技術是否成熟。

其實，一個創新性科技從產生到得到廣泛應用，通常需要經歷三個階段。剛開始，公眾接觸到一個全新的領域時會覺得這個技術「不靠譜」，比如，在早期，量子信息甚至被認為是偽科學；當發展到一定階段後公眾又會覺得某項技術原理上可行，但要推嚮應用卻「不成熟」。

這可能是由於我們在過去長期處於跟蹤和模仿狀態，對於現在自主掌握的領先技術不夠自信，往往要等到國外已經發展成熟後才覺得我國應該跟進；而到將來廣泛成熟應用後，到那時人們又可能對某項技術的應用習以為常，覺得這不是什麼「新東西」了。到此才完成了一個創新性技術發展的全過程。

怎麼克服？其實也沒什麼太好的辦法，只有靠耐心。最開始是一些小同行有共同的觀念，

經過一段時間，有越來越多的人來做了，又不斷有好的成果出來，大家慢慢覺得這個東西開始靠譜起來，所以最重要的一點是要學術共同體有一個共識。你只能等待，讓大家慢慢看到是可以理解的，認識到你這個東西確實是有價值的，這是創新技術發展的必然過程，需要有耐心。

中國量子科學研究在世界上是什麼水平？

量子力學是在歐洲建立的，傳到全世界各地，最後為現代信息技術奠定了基礎。由於歷史的原因，我們國家在經典信息技術方面雖然已經有了很大的進步，但畢竟在總體上還是模仿者和跟隨者，這是非常遺憾的。

在量子力學基礎研究方面，國外做得早的多，以前一直領先我們。改革開放後，我們國家慢慢重新派人出去了，有互相的交流，後來有很多傑出的學者回來了，包括科大、清華、北大、中科院物理所等，很多在量子物理方面研究比較傑出的學者，都從國外回來了。這樣一來，再加上國家經濟水平的不斷提升，我國的量子物理研究水平也慢慢上來了，在某些方向已經和發達國家處於同一水平線。

目前大家都認為量子信息研究是歐洲、美國、中國三駕馬車，總體上講是並駕齊驅的。當然，量子信息領域有三個方面，除了我剛才講的量子通信外，還有量子計算和量子精密測量。國際上的學者現在都覺得，目前中國在量子通信方面是處在領導者的地位，量子計算跟他們在同一水平線上。

前陣子MIT的校長就說過，在量子計算方面，將來的競爭就是中國、美國和歐洲的競爭。所以整個量子信息領域，在國家的支持之下，我們是比較有信心的。

中國量子信息科學發展的原因？

我們國家進入到量子信息領域已經有20多年了。我們怎麼從20多年之前剛進入，到現在部分領先了，我覺得原因是多個方面。

第一，得益於改革開放，和國際上的交流開始密切起來，很多人出去求學了。我很幸運，我在奧地利讀博士時候，和同事們一起完成的量子隱形傳態的實驗，是在量子信息領域，不敢說是里程碑，也至少是轉折點一樣的實驗。

後來《自然》雜誌為了慶祝美國物理學會成立100週年，選了百年21篇經典論文，這篇文章被選進去了，也是量子信息領域唯一一篇。從那以後，量子信息實驗研究就進入了快速發展的階段。我還是很幸運，趕上了這個快速發展的時期，掌握了相關的實驗技術。

二是正好有機遇，你就走到前面了。如果我們沒有改革開放後經濟領域取得的巨大成就，就沒有足夠的科研經費支持。在90年代中後期做實驗很難，買設備的錢都很缺乏。到了2002年、2003年，國家在科研尤其是實驗方面的投入就大幅度提高了。這樣的話，我們自己又有能力，又有足夠的保障，就能夠走到前面去。

還有第三點，我們有需求。我們在傳統信息方面，是模仿者、跟蹤者。但是現在，量子通信可以提供原理上無條件安全的通信方式，量子計算可以大幅度提高計算能力，都有重大的需求，而且在國際上都是比較新的領域，這就給了我們一個「彎道超車」的機遇。

作為科學探索獎發起人之一，您對年輕的科研人員有什麼建議？

關於興趣

我記得1987年高考的時候，我也是可以保送到很好的大學去學經濟管理，那時經管已經比較吃香了。在面臨高考選擇志願的時候，我自己很喜歡物理，物理對我來說，幾條原理知道之後，什麼東西都可以推導出來，我覺得很好，但我又擔心學物理將來沒有足夠的錢養活家人。

我跟我家裡商量一下，父母告訴我，反正我們都有退休工資，也不需要你養，你自己想幹什麼就干什麼。所以真正的其實從事科學研究，首先要喜歡它，因為科學研究其實也是你的一種生活方式。這種生活方式好在什麼地方？其實是由自然界決定的。

比如現在公司老總表揚你一下，你覺得是很大的成就。但是科學研究的成就是由自然界本身決定的，對就是對，錯就是錯。你把勾股定理證明了，那就是對的，別人再怎麼反對，它也不可能是錯的。

第二你既然喜歡了，想幹這個東西，不用太著急有什麼成果，可以加強積累，時候到了肯定會有點成果。第三，要有耐心，機遇總是會來的，不要太著急。

最重要的是有興趣，不要把科學研究單純當做是吃飯的傢伙，而是在科學研究的過程中順便能夠把吃飯給解決了。關鍵是要真正喜歡基礎研究的年輕人去做基礎研究。

關於社會氛圍

我們國內的教師、家長和學生，都存在一種趕熱門的趨勢。像當年，「學好數理化，走遍天下都不怕」的時候，學生們都拚命去考北大物理系、中國科大物理系或者數學系等等；到後來搞金融特別熱的時候，這些高考狀元不管喜歡不喜歡，全部都去學金融，這樣是不好的。其實應該提倡的是，你喜歡做基礎研究就去做基礎研究，其他的因素就不要干擾。

因為年輕人確實心性還沒有定，倒不是說年輕人不適合做基礎研究，社會的氛圍有時候會讓年輕人不太能夠沉下心。哪怕他特別喜歡，你說這個東西沒飯碗、沒前途，大家還是得首先考慮填飽肚皮，像愛因斯坦當年都沒辦法，還在專利局幹過。從這種角度我覺得應該有一種比較好的社會氛圍，讓大家能夠去潛心研究。

作為發起人之一，您認為設立科學探索獎的意義是什麼？

生活壓力

我遇見好多年輕人，他們確實是比較辛苦的，特別是成家之後。現在大家都有很大的生活壓力，我當年也有很大的生活壓力。我一直有這樣一個願望，尤其是對博士畢業之後，35歲左右到45歲之間的年輕人，一方面他們上有老、下有小，但這段時間又是他最有創造力的時候，應當給他們一種穩定的支持，讓他們能夠去潛心研究。

科學探索獎，每年一搞就是50個人，300萬人民幣，基本上這些科學家拿到這筆資助以後，至少在未來8年、10年裡面可以比較安心地開展研究工作了，這很重要。我覺得科學探索獎最重要的意義就是能夠讓年輕人潛心從事科學基礎方面的研究。

榮譽

榮譽感也很重要。一個大獎對年輕人來說不僅在經濟上是一種激勵，也是很好地告訴他，搞基礎研究也可以得到大家的尊重和肯定，這個也很重要。

鼓勵大家更多關注基礎科學

我上大學的時候，儘管很多同學都是非常喜歡理科的，但到了畢業的時候，如果不出國、不去讀研究生，學基礎研究的人找工作都難，所以有不少同學後來都轉行了。從這種角度上講，科學探索獎可以讓基礎研究得到大家的充分關注，我覺得這是一個非常好的事情。

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