潘建偉：從墨子、牛頓到量子力學(xué)，人類追問宇宙本源的千年之旅 | 星聚墨子（1）

　　“‘探索的動機’，是說人類一直在追尋這個問題的答案——我們從何而來，我們的未來是怎么樣的？”

　　2016年，墨子沙龍創(chuàng)辦第一期之時，邀請中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士親自作報告。潘建偉院士以“科學(xué)視角下的人類起源”為題，引領(lǐng)觀眾踏上溯源與思考的旅程，在科學(xué)的星空下點亮第一束光。次年盛夏，他再度登臺，以“探索的動機”叩問科學(xué)初心，喚醒無數(shù)好奇與熱忱。

　　轉(zhuǎn)眼已至十周年。讓我們一同回到故事開始的地方，重溫那些照亮過我們的思想火光，再次走過墨子沙龍這十年——漫長而浪漫的科學(xué)來時路。

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　　第一部分

　　“探索的動機”：從科學(xué)的角度看人類起源

　　說到“探索的動機”，人類一直希望通過理解我們是怎么來，我們的未來是怎么樣的，來尋找一種安全感。但是在過去，因為沒有科學(xué)，宗教成為人類思想的天堂。而這經(jīng)過幾千年的知識積累之后，隨著科學(xué)的出現(xiàn)，發(fā)生了很大改變。

　　我們今天相聚在“墨子沙龍”。墨子，又稱“科圣”，他代表了一種科學(xué)的勝利。我們更多熟悉墨子兼愛非攻的理論，其實他在科學(xué)上也有很大成就。墨子是世界人類文明史上第一個證明光沿著直線行走的人。同時，他提出“端，體之無序而最前者也。端，是無同也。”無序指沒有方向，這句話是說，一個物體的任何邊緣最前處（相當(dāng)于點）都可以構(gòu)成“端”。這段話里已經(jīng)有早期原子概念的雛形。他還說過“止，已久也，無久之不止”，他認(rèn)為，如果沒有阻力的話，物體會永遠(yuǎn)地運動下去。墨子的存在，證明中國在古代已經(jīng)有很多偉大的科學(xué)家，而他提出的很多理論，經(jīng)過上千年才被西方世界重新發(fā)現(xiàn)。

　　▲2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉發(fā)射升空。（圖片來源：中國科學(xué)院）

　　伽利略偶然把玻璃片做成望遠(yuǎn)鏡去看太空，他看到了土星環(huán)。這代表著人可以制造工具去探索整個宇宙。到1687年，牛頓在很多前人知識的基礎(chǔ)之上，發(fā)表了一部專著叫作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，改變了整個人類的進程。

　　
▲《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》拉丁版封面(1687)。（圖片來源：wikipedia）

　　我們平時所談?wù)摰男切堑男D(zhuǎn)等規(guī)律，都是由牛頓定律所統(tǒng)治的。這批科學(xué)發(fā)現(xiàn)，是巨大的思想解放，是物理學(xué)的力與美的證明，我們由此知道，我們只不過是這個星系當(dāng)中的很小的一部分。

　　后來，美國人本杰明·富蘭克林通過風(fēng)箏實驗發(fā)現(xiàn)天上的閃電與地上的電性質(zhì)相同。邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，現(xiàn)代發(fā)電技術(shù)正是基于此原理將動能轉(zhuǎn)化為電能。1864年，英國人麥克斯韋提出電磁場動力學(xué)理論，統(tǒng)一解釋了電磁波規(guī)律，并預(yù)言光是一種電磁波。

　　但一直到此時，人類還沒有回能夠回答前面提出的，從哪里來，到哪里去的問題。如果所有的粒子只要初始狀態(tài)決定好，其未來運動狀態(tài)都可以用前面這幾個方程來精確預(yù)言。那么就是說，宇宙在剛剛開始時就已經(jīng)決定好了，也就是說一切事件，包括我們今天的論壇都是早已確定好的，個人的努力毫無意義。那么這個宇宙到底從何而來呢？

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　　第二部分

　　信息交互與人類發(fā)展的關(guān)系

　　到了上世紀(jì)初，出現(xiàn)了兩位偉大的科學(xué)家。一位叫弗蘭克，提出了量子論，他說所有微觀世界的規(guī)律都是由量子論所控。一位是愛因斯坦，他提出了相對論，他說時間和空間的規(guī)律都是由相對論所描述。當(dāng)我們把量子力學(xué)和相對論兩個理論結(jié)合在一起時，我們居然能夠來初步回答宇宙的起源與演化，這兩個理論結(jié)合后形成一個大統(tǒng)一理論，可稱為大爆炸理論。它揭示出，宇宙的誕生和地球的形成是一個非常復(fù)雜的過程。

　　▲左：2019年7月，英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家保羅-安托萬·莫羅（Paul-Antoine Moreau）帶領(lǐng)團隊首次拍攝到量子糾纏影像；右：2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作項目首次拍攝到黑洞影像。

　　這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)告訴我們，人對整個世界的演化，是有影響的。不同于牛頓力學(xué)，量子力學(xué)，是非常積極的。

　　量子是物理學(xué)的概念，作為不可再分割的基本個體，用來形容微觀世界的一種傾向，物質(zhì)或粒子的能量都傾向于不連續(xù)的變化，即事物不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態(tài)。

　　大家一定讀過吳承恩的《西游記》，在《西游記》里他有許多無限的想象，比如孫悟空，他猴毛一拔可以有分身術(shù)、筋斗云，使這個人在各個地方都存在，而在量子物理的世界里，孫悟空的分身術(shù)是存在的。

　　舉個例子，我要從德國柏林飛到中國北京，飛機有兩種飛行路線，一條是柏林-中轉(zhuǎn)莫斯科-到北京，另一條是柏林-中轉(zhuǎn)新加坡-到北京，如果我在飛機上睡著了，那么我不知道飛機到底是從莫斯科中轉(zhuǎn)還是在新加坡中轉(zhuǎn)，這時，用量子力學(xué)看世界的我會說“我現(xiàn)在同時在莫斯科和新加坡”，也就是量子的疊加態(tài)；而當(dāng)我睜開眼睛看的時候，我才知道到底是從莫斯科中轉(zhuǎn)還是從新加坡中轉(zhuǎn)，這也正是量子力學(xué)的積極哲學(xué)，“看到即改變”，當(dāng)你把視線關(guān)注到量子的運動軌跡，其狀態(tài)就會隨之發(fā)生。

　　一個粒子可以處于兩個狀態(tài)的疊加。兩個粒子也可以處于一種非常奇怪的狀態(tài)的疊加。這樣一種現(xiàn)象叫作量子糾纏。或者從不太嚴(yán)格的意義上講，甚至可以把它叫作“遙遠(yuǎn)地點之間的心電感應(yīng)”。利用這個，量子通信就誕生了，它在原理上可以實現(xiàn)無條件安全的通信。

　　在信息科技發(fā)展過程中，我們已經(jīng)遇到了計算能力的瓶頸。在大數(shù)據(jù)時代，每天產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)對超級計算機的能耗也帶來了更高的要求。同時整個網(wǎng)絡(luò)社會面臨著各種各樣的竊聽和黑色攻擊，RSA加密算法陸續(xù)被破解。我們的社會要往前進步，就必須要解決這些難題。而量子力學(xué)，就是上世紀(jì)初建立起來，經(jīng)過近百年發(fā)展，可解決這些重大問題的學(xué)科。

　　我們可以來構(gòu)造一種非常強大的量子計算機，可以讓我們通過量子計算，在大數(shù)據(jù)爆炸時代，把有效的知識給提取出來。從這個角度上講，科學(xué)不僅能給人類帶來心靈的自由和安寧，還保證了思想的獨立。

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　　第三部分

　　量子通信與量子計算

　　目前我們對世界的認(rèn)識也許只有一種，但是隨著量子科學(xué)的研究深入開展，會有更多知識產(chǎn)生，幫助我們理解世界。就像我前文提到的，孫悟空的筋斗云，世界上是否真的有這種法術(shù)存在呢？

　　舉個例子，我從北京回來帶了一些禮物，禮物裝在保險箱里，但我把鑰匙忘在了北京。如果這把鑰匙和我們?nèi)粘Ｓ玫蔫€匙是一樣的，我可以給北京的同事打電話，要求他把鑰匙掃描一下，把這些信息發(fā)到上海，找鎖匠造一把一模一樣的鑰匙，打開保險箱。但這把鑰匙內(nèi)部還有其他信息，只靠形狀的信息是不夠的，還需要內(nèi)部0+1、0-1的信息，我又不能測量，因為一測量它的狀態(tài)就改變了，從北京找人送過來時間又過長，該怎么辦呢？

　　1993年，幾位美國科學(xué)家認(rèn)為，利用愛因斯坦的量子糾纏原理，我們不用測量也可以獲得這把鑰匙。假定這把鑰匙在北京和上海之間有很多糾纏的粒子。 我們將糾纏物質(zhì)和里面的鑰匙做一個操作，使他們處于糾纏態(tài)，得到一些數(shù)據(jù)，通過無線電將這些數(shù)據(jù)從北京傳到上海，由上海的機器對這些數(shù)據(jù)做出處理，就可以在上海把鑰匙重新構(gòu)造出來。理論上這是可以實現(xiàn)的。這不是復(fù)制，為了把這把鑰匙從北京傳到上海，必須先把北京的鑰匙摧毀掉，摧毀掉后它的信息全轉(zhuǎn)到上海，和以前北京這個鑰匙是一樣的。

　　也許我們想要實現(xiàn)人的時空傳送，還需要很多很多年的努力，但我想告訴大家的是，我們已經(jīng)證明，在量子世界里，“筋斗云”是存在的。

　　▲電影《星際穿越》劇照。目前的量子物理學(xué)并沒有禁止人類利用量子糾纏進行星際穿越。（圖片來源：豆瓣）

　　很多年前我們在因斯布魯克做了第一個實驗后，在國際上引起了比較大的轟動。[1]在1997年的實驗中，我們只能傳送1個粒子，而當(dāng)科學(xué)技術(shù)可以達到輸送一兩百個粒子時，我們就可以做一個分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。有了這樣的網(wǎng)絡(luò)，我們就可以進行量子計算。

　　我們可以用量子計算來做一些比較簡單的事情，比如對很大的數(shù)字進行分解，比如6等于3乘2，9等于3乘3，如果這個數(shù)有300位，一臺每秒鐘可以算10000億次的計算機，大概需要15萬年的時間。但是量子計算機一秒鐘就可以。這將從本質(zhì)上大大改變我們的計算形式。另外，當(dāng)計算形式得到迅猛發(fā)展的時候，它還可以用于大數(shù)據(jù)，人工智能等領(lǐng)域。

　　▲2025年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊成功構(gòu)建了105比特（包含105個可讀取比特和182個耦合比特）超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之三號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路采樣”任務(wù)的快速求解。（圖片來源：墨子沙龍）

　　科學(xué)的發(fā)展會對我們帶來巨大的改變，一方面，量子通訊可以幫助保護人類安全，另一方面，量子計算機可以應(yīng)用于密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、金融分析等領(lǐng)域。量子計算目前的進展是非常快的，我們計劃用十年左右的時間，建成一個天地一體的全球化的量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，在這個基礎(chǔ)之上，我們會擁有有安全保障的未來互聯(lián)網(wǎng)。

　　宇宙進化出人類，是萬物的精靈，能夠感受世界之美，世界的存在。世界為何如此存在，我們還不清楚，還需要去研究。但是不管怎么樣，用愛因斯坦的話來說，“在科學(xué)的殿堂里有一類人，希望對這個宇宙進行探索，進行凝視，進行思索，能夠找到這樣一些先天和諧的規(guī)律。”在了解了這些規(guī)律之后，人就會擁有智慧，不再困惑，不再為自己在宇宙中的存在感到不安。

　　[1] 1997年，潘建偉和奧地利的同事們首次實現(xiàn)了獨立光子偏振態(tài)的量子隱形傳態(tài)的實驗驗證，這個成果被公認(rèn)為量子信息實驗領(lǐng)域的開山之作。

　　文字整理：詩學(xué)