“量子科技革命是重大历史机遇”

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①薛其坤院士在实验室研究量子材料的研制技术。

②薛其坤院士在清华大学物理系的办公室。

③南方科技大学校园一角。

(资料照片)

本报记者徐立京

量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观到微观

记者:量子科学技术大家都很关注，党的十九届中央委员会第五次全体会议《建议》在《十四五(十四个五年计划)》的计划和2035年远景目标中特别提到了量子科学技术的飞速发展。 能让我们的网民再普及一次科学吗？ 量子科学技术最本质的优势是什么？

薛那坤:量子科学技术的核心要义，比较可以理解。 宏观世界物体的运动规律遵循牛顿的运动规律。 已知牛顿力学只要知道一个物体的初始状态和受力状况，通过求解牛顿第二定律方程式，就可以测量该物体未来的状态，即任意时刻的位置、速度等状态参数。 以火箭为例，如果知道推力的大小和方向，就可以精确计算出未来某一时刻火箭的位置、速度有多快等新闻，这是人类利用牛顿力学控制物体运动状态，高度发展的技术的典型例子。

本质上，量子力学是关于微观世界物体运动规律的学问。

物质是由原子构成的。 原子由原子核和围绕原子核运动的电子组成。 原子核由质子和中子组成。 这些微观粒子肉眼看不见。 它们的运动规律与宏观物体所遵循的牛顿力学等不同。 例如，我们无法准确测量其位置及其速度。 这就是微观粒子遵循的测量不准确的原理。 宏观物体，我们可以精确测量其位置，而且可以精确测量其速度。 另外，微观粒子具有波浪的性质。 例如，小球是粒子，手机信号是电波，粒子和波是完全不同的东西。 在电子这样的微观世界里，像小球一样是粒子，但像电磁波一样具有波的性质，具有波粒二象性。 记述微观粒子的运动状态和运动规律的学问就是量子力学。 上述不可测原理和波粒二象性是量子力学的基本概念，这些概念用常识不太能理解。

量子力学迅速发展的历史比较悠久，已经有110多年的历史。 卫星从地球的某个位置到达月球附近，其运动轨迹在大家的印象中是连续的。 但是在量子力学中，描述粒子状态的物理量的取值像阶梯一样不连续。 不连续的最小间隔实际上对应于量子的概念。 这个量子概念是一百多年前德国科学家马克斯·普朗克提出的。

量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观到微观深入，是近400年来现代科学飞速发展史上的革命性飞跃。 20世纪有相对论、量子力学和dna三大科学发现，因此量子力学是公认的上个世纪最伟大的科学发现之一。

有了量子力学理论的突破，新的量子技术也正在诞生。 20世纪50年代，人们基于量子力学发明了晶体管，有电子晶体管和半导体晶体管，然后有电子计算机，有互联网，有今天的新闻社会。 通过对微观世界的研究，人们不仅在上个世纪建立了量子力学，而且以量子力学为基础，迅速发展了当今的新闻技术。 当今新闻技术时代的科学基础是量子力学，被称为量子科学的第一时代。

第二次量子革命是我国几百年来第一次可以进行基础性全面干预和参与的技术革命

记者:也就是说，如果没有当时革命性的发现，就没有现在的互联网。

薛那坤:对。 如果没有量子力学，就没有电子计算机，没有电子计算机，没有网络。 量子力学的迅速发展，带来了半导体晶体管的发明、电子计算机的发明、激光的发明，从而实现了光纤通信。 有了集成电路，有了手机芯片，就可以进行移动通信。 这个逻辑关系非常明确。

量子技术直接应用的例子是全球定位系统。 无论是美国的gps还是中国的北斗系统，最根本的技术都是时间的精确测量技术。 大家都知道的石英表，一年有一秒左右的误差。 20世纪50年代，美国迅速发展了基于量子技术的原子钟，数百万年的误差达到了仅1秒的测量精度。 为什么要在全球定位系统中扮演最重要的角色呢？ 定位卫星在哪里，需要利用三四颗卫星通过电磁波准确测量车与卫星的距离，实现定位。 车移动1米，这种移动引起的电磁波传输时间的变化很小。 因为电磁波以光速传播，约等于每秒30万公里。 如果没有高精度的时钟，这一点点的时间变化就无法正确测量。 如果有数百万年误差只有1秒的原子钟，全球定位系统的精度将达到10米，甚至不足1米。 这样可以准确测量车在哪里，得到准确的谷歌地图、黄金地图等。 的准确测量可以产生新的技术，同样，重量、长度等物理量的准确测量也是如此，必将产生新的技术。 量子科学和技术的迅速发展不仅推动了全球定位系统的出现，而且许多其他先进应用技术也得到了迅速发展。 一系列量子技术的应用，开启了量子技术第一时代——现代新闻时代。

这些新闻技术是在探索微观世界科学研究的基础上迅速发展起来的。 在基础研究过程中，我们首先发现新的量子现象和量子规律，然后迅速发展技术，即科学研究，直到技术迅速发展。 计算机硬盘是另一个例子。 目前，计算机硬盘的存储密度超过了每平方英寸1t。 一个t是多少？ 是10的12次方。 这个硬盘技术是怎么发现的？ 从1988年到1989年，德国和法国的两位科学家发现了巨大的磁阻效应。 这是检测非常弱的磁信号的量子效应。 高密度新闻存储是通过微小的磁力罗盘实现的，小磁针越小，存储密度越高，但信号越弱。 一旦发现巨磁阻效应，就可以检测出非常小的磁针，非常弱的磁信号。 这意味着，如果用于存储单位体积所含新闻的小磁针密度变高，新闻存储量也将增加，这就是今天硬盘技术的来源。 发现量子效应和量子规律，思考迅速发展的应用的过程称为被动模型。

到了本世纪，这种快速的发展模式发生了重大的跳跃。 这个跳跃是什么？ 是从被动到主动的跳跃。 通过过去100多年的研究，我们对量子世界、微观世界的了解已经比较深入和系统了，在此基础上，我们可以积极设计自然界中没有的量子体系，并迅速发展应用。 目前众所周知的量子通信和量子计算机是积极设计量子系统，迅速发展新闻技术应用的例子。 这也是目前人们关注量子科学技术的重要原因。

我们现在正在使用电子计算机。 在不久的将来，通用量子计算机可能会普及。 量子计算机是按照量子规则进行高速数学和逻辑运算，存储和解决新闻的物理装置。 与目前的计算机相比，量子计算机在新闻存储和运算等方面具有乘方指数和多项式加速等特点。 就像20年前的超级计算机一样，功能没有现在的手机芯片那么强大。 当通用的可纠错量子计算机出现时，具有手机芯片性能、体积像大楼那么大的电子计算机，可能远远强于一个人只解决房间大小的量子计算机新闻的能力。 这种通过积极设计量子系统而迅速发展的新闻技术，我们被称为第二代量子新闻技术。

目前，量子计算机和量子通信等第二代量子技术还处于快速发展的初期阶段，离商用还有很长的路要走。 众所周知，我们国家在前三次工业革命中从未起过领导作用或深入参与。 第二次量子革命是我国几百年来第一次可以进行基础性全面干预和参与的技术革命，是中华民族伟大复兴进程中的重大机遇。

记者:太棒了！

薛那坤:所以，中国应该把这个行业重点放在“十四五”计划和2035年远景目标上，抢先下手。 无论是以蒸汽机为代表的第一次工业革命，还是以电气化为代表的第二次工业革命，我国基本上都错过了。 以新闻技术为代表的第三次工业革命，我们只是尾巴，而且核心技术不是来自我国。 从改革开放到现在，我们基本上通过学习国外发明的技术，引进吸收，使新闻技术重新迅速发展。 所以，我认为历史上第一次能够同时参加技术革命的意义非常重大。 我认为这也是一场考验我们中华民族智慧和能力的革命。

我国整体上位于量子科学技术第一方阵。 现在要抓紧基础研究

记者:我国在那些方面已经变得积极了吗？

薛那坤:量子新闻技术包括量子计算机、量子和量子精密测量/传感三个行业。 虽然我国原创的技术很少，但在量子计算和量子精密测量方面我国还没有与西方国家形成世代差异，在量子通信方面我国在规模和应用探索方面很有特点，如墨子量子卫星的发射。 在相关基础研究上，我国整体处于世界第一方阵。

记者:世代之间没有差异。 这很重要。 可以说我国处于量子科学的第一梯队吗？

薛那坤:对。 我认为用最初的方阵来表现基本上是正确的。

记者:现在那些国家在第一方阵里吗？

薛那坤:我们以前传来了认知g7 (美国、英国、加拿大、法国、德国、意大利、日本)。 总体而言，美国行业最全面、最重要的技术领先，综合实力最强。

记者:我国现在的短板是那些？

薛那坤:第一，量子技术的人才储备不足。 因为这项技术比较先进，长期处于基础研究阶段，近20年来，我国的基础研究发展很快。 人才培养需要时间，无论是量子科学技术全行业的人才队伍规模，还是优秀的科学家群体，我们都很缺乏。 第二，关键零部件和设备等基本材料仍然依赖进口。 和其他行业一样，我们科研人员进行量子科学技术实验，依赖一些进口设备，也需要解决完全自主化的问题。 但是，从时代的迅速发展来说，我们基本上到了在同一平台上竞争的阶段。

记者:为了让我们真正实现经济高质量的快速发展，对这个行业的基础性研究很重要。

薛那坤:你说得很好。 事实上，基础研究的人才培养，是长期需要的，快速发展基础研究也是一样。 现在一定要加把劲。 中华民族的伟大复兴，意味着科学的复兴，我们要为世界科学做出贡献，为人类科学做出贡献。 习总书记多次强调基础研究，重视基础研究。 我认为习总书记从中华民族的伟大复兴和人类命运共同体的构建两方面指出了其重要性。 随着科学技术的飞速发展，不仅使我们的国家更加强大，也有助于创造人类未来更美好的生活。 要建立人类命运共同体，科学共同体应该是其中的一部分。

建设有中国特色的世界一流的研究型大学，培养世界一流的人才

记者:你说了特别重要的问题。 如果我们要在科学技术方面保持先进，我们的思想文化的支持就很重要。 不久前进入南方科技大学，深圳改革开放已经走过了40年的历史，南科大也走过了创立10周年，在这个特殊的时间节点上，如何建设南科大？

薛那坤:在深圳经济特区建设40周年纪念大会上，深圳被列为具有中国特色的社会主义先行示范区，进入了特区快速发展的新时期。 建设先行示范区，除了工业进步、经济快速发展、社会繁荣外，培养人才、高等教育快速发展也很重要。

南方科技大学成立时间短，短短十年，被教育部定为高等教育综合改革试点学校。 南科大的改革首先应该符合先行示范区和粤港澳海湾地区规划的需要。 南科大发展迅速，将对先行示范区建设起到重要的推动作用。 我的基本想法是在有中国特色的社会主义先行示范区建设有中国特色的世界一流研究型大学，培养世界一流的人才。 这是我肩负的重任，是我需要认真考虑的重大问题。

让孩子们成为科学家成为理想的浓厚氛围

记者:你是我国科学家的优秀代表。 你想对年轻学生说什么？

薛那坤:大家都生活在新闻时代，先进的现代技术让我们的生活变得方便了，但是大家是怎么来的呢？ 必须依靠科学的进步、技术的迅速发展。 中华民族要实现伟大复兴，人们要过上更好的生活，科学进步和技术快速发展是至关重要的。 我衷心希望越来越多的优秀年轻人留在科学界，留在基础研究行业，留在高科技快速发展行业，专心研究。 希望孩子们热爱科学，把成为科学家作为自己未来的理想。

记者:我小时候的理想是成为居里夫人那样的科学家。

薛那坤:对。 现在要通过体制机制的创新，以创造孩子们成为科学家为理想的浓厚氛围，为他们创造成为科学家的条件。

记者:我认为你将为南科大的师生们提供良好的环境。 因为我理解他们。

薛那坤:我会朝这个方向努力。 我的目标是向师生们学习，向国内外同行学习，向历史学习，立足深圳，胸怀祖国，面向世界，面向未来，认真思考，在建设新时期世界一流大学中开辟“南科大之路”。

(责任:苗苏)