点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命
首页> 光明科普> 图文 > 正文

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

来源:光明网—科普中国2025-07-23 09:20

  今年是个特别的年份——1925年6月,海森堡在德国黑尔戈兰岛上建立了矩阵力学,用他的方程精准解析了氢原子光谱,这标志着现代量子理论正式诞生。到2025年,量子力学恰好走过了100年。

  量子力学的诞生,像一把钥匙打开了现代信息技术的大门。没有它,就不会有今天的计算机、互联网,更不会有我们习以为常的卫星导航系统。过去100年里,它为以信息技术为代表的第三次产业变革注入了核心动力,深刻改变了人类文明的进程。

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

  中国科学院院士、2017年未来科学大奖物质科学奖获得者潘建伟

  而现在,我们正站在新的起点上。随着人类操控单个原子、分子、光子的能力不断提升,一个全新的学科——量子信息科学正在蓬勃发展。未来20年,它或许会与人工智能深度融合,催生又一次重大的产业变革。

  量子信息:安全、算力与感知的新可能

  很多人会问,量子信息到底有什么用?简单说,它能在三个关键领域带来突破性进展:信息安全传输、强大计算能力、精确感知物理世界。

  上个月,我和领域内的科学家们在德国黑尔戈兰岛相聚,既回顾了量子力学百年成就,也展望了量子信息科技未来20年的前景。我们一致认为,这个领域的进步将极大推动整个科技发展,甚至能帮助我们更深刻地理解生命科学、物质科学、材料科学中的复杂现象。

  先说信息安全。量子世界有个神奇的特性叫“量子纠缠”,它能让遥远地点的粒子产生精确关联。利用这种关联,我们可以生成原理上不可破解的量子密码,实现信息论可证的最高级别安全信息传输——也就是说,这种安全性是数学上能严格证明的,绝对可靠。

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

  图片由AI生成

  现在,中国电信已经有大约500万量子保密手机用户了。相信未来20年,越来越多的人会用上这种由量子密码守护的信息安全手段,让我们的通信多一层“金钟罩”。

  再讲讲时频技术。大家熟悉的GPS和北斗导航系统,其原子钟的精度大约是1000万年误差1秒。但如果用上量子技术,我们能造出100亿年甚至更久才误差1秒的时频设备。这意味着什么?它能让时间测量和导航精度迈上一个新台阶。目前,中国科学家正和国际同行一起,构建远距离的时频分发网络,未来我们的定位、通信都会更精准、更高效,甚至还可以为时间单位“秒”提供新的定义。

  最让人激动的,还是量子计算机。如果未来20年我们能造出通用量子计算机,它将提供一种革命性的计算能力。现在人工智能领域对算力的需求越来越大,而量子计算机有望成为解决这个问题的关键。

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

  祖冲之三号芯片示意图

  不过,量子计算机目前面临一个大挑战:错误率。传统计算机的单次操作错误率很低,就算运算很久,结果依然可信;但量子计算机不一样,单次操作错误率较高,算的时间一长,结果就可能偏离正确答案,变得不可信。

  怎么解决?我们需要“量子纠错”技术。打个比方,一根火柴棍立在地上,很快就会倒;但三根火柴棍互相支撑,就能立很久;如果有很多火柴棍搭建出稳固结构,就能抵抗周围的振动。量子纠错也是这个道理:用很多量子比特(就像火柴棍)构建一个对环境干扰不敏感的系统,哪怕有外界影响,计算也不会出错。

  现在量子纠错已经有了可喜进展,我们希望能在5到10年内解决这个问题。或许到2040年,甚至2035年,容错通用量子计算机就能真正建成。想想看,那会给世界带来多大的改变?

  量子世界的神奇:纠缠与未知

  在量子世界的诸多现象里,最让我着迷的是量子叠加和量子纠缠。

  经典世界里,一个比特要么是0,要么是1;但在量子世界,一个量子比特可以处于“0+1”的相干叠加状态。如果有两个量子比特,就会产生纠缠——比如处于“00+11”的状态。

  这是什么意思?假设我把两个纠缠的微观粒子分开,一个给你,一个我留着。哪怕我们相距千里,甚至更远,当你观测你手中的粒子,得到一个确定结果时,我手中的粒子状态也会瞬间确定。爱因斯坦曾把这种现象称为“遥远地点之间的诡异互动”。

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

  图片由AI生成

  我大学本科时就对这个现象着迷,做本科论文时专门研究它,后来做实验也总想弄明白背后的原理。直到现在,所有实验都证明量子纠缠确实存在,但“为什么会这样”,我们依然没有答案。就像杨振宁先生说的,量子纠缠可能是自然界向我们展示它的强大——有些东西我们能理解,比如万有引力、无线电,但总有一些奥秘让我们意识到人类认识的局限。

  但这并不妨碍我们利用它。量子通信、量子计算,很多前沿技术都建立在对量子纠缠的应用上。我们或许暂时无法解释“为什么”,但可以先学会“怎么用”。

  科研关键词:选择、跨界与兴趣

  常有年轻人问我,优秀的科研团队需要什么特质?我想起杨振宁先生的一句话:对年轻人来说,选一个正在蓬勃发展的领域,加上自身能力,就能较快取得成果;如果选了夕阳领域,再强的能力也难有突破——就像一棵树上没什么果子了,跳得再高也摘不到多少。

  所以,首先要能判断哪个领域是“长满果子”的。量子信息科学现在就是这样的领域,充满活力和可能。

  其次,跨学科合作尤其重要。量子信息涉及算法(需要数学、计算机理论)、硬件(需要材料、微纳加工)、物理机制(需要物理学)。我们团队里,有做光物理的,有做算法的,有做电子学的,大家联合起来,才能做单个人做不了的事。比如提出Glover量子搜寻算法的格罗弗教授,他根本没学过量子力学,只是从计算机理论出发,利用量子比特可以处于叠加态的特性,就做出了重大成果。我们团队最近和人工智能实验室合作,用机器学习快速排列几千个中性原子,效率比手工编程高多了。这说明,量子信息领域需要数学、计算机、物理、电子等各领域的人才。

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

  图片由AI生成

  最后,兴趣是最好的老师。我在上世纪90年代选择量子领域时,它还不是热门。但因为感兴趣,就愿意带着好奇心坚持下去。做科研难免遇到困难,兴趣就是无穷耐心的源泉。

  回望量子力学的100年,从理论诞生到改变世界;展望下一个20年,相信量子信息科学会带来更多惊喜。我们也相信,未来的奇迹,就藏在年轻人的好奇与坚持里。

  (文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访潘建伟院士的内容,记者宋雅娟、蔡琳采访整理)

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

院士科普|百年量子路:从理论诞生到改变未来的量子信息革命

 

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 四川小金:特色农业助推乡村振兴

  • 现场航拍吉隆冰崩堰塞湖

独家策划

推荐阅读
在机器人足球互动区,身高不足1米的小型人形机器人成为射门球员,现场的小观众担任守门员,开启点球大战,战况激烈。
2026-08-28 09:29
由此而言,坚持让人工智能服务立德树人这一根本任务,助力“五育”并举、促进学生全面发展,才能让人工智能成为赋能教育和学生的有力臂膀。
2026-08-28 09:23
“十五五”期间国家电网将加快特高压通道建设
2026-08-28 04:55
“叮——”一声清脆的钟鸣划开展厅的喧嚣,天工3.0机器人的银白机械臂轻叩青铜编钟,《小星星》的旋律徐徐流淌。
2026-08-28 03:55
为推动人工智能医学影像研究的负责任创新和健康发展,国家科技伦理委员会医学伦理分委员会27日发布《人工智能医学影像研究伦理指引》。
2026-08-28 03:55
8月26日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆“冰丝带”闭幕。小型组400米比赛中,北京人形机器人创新中心研发的天工Omni一骑绝尘,以45.66秒的绝对速度率先撞线,其掩面狂奔的“娇羞”姿势更是火遍全网。
2026-08-27 09:55
作为地球上物种多样性最高的动物类群,昆虫的早期起源与登陆演化历史长期存在研究空白。系统研究表明,先驱乔昔虫这一早期干群昆虫具备半水生两栖生活习性,栖息于水陆交界的湿润微环境。
2026-08-27 09:53
中共中央政治局常委、国务院总理李强8月24日至26日在黑龙江、吉林调研。
2026-08-27 09:51
重庆依山而建、傍水而兴,多山多水的复杂地貌,给城市交通建设带来天然挑战,也造就了独一无二的立体交通图景。“悟空立交”的出圈,也是中国超级基建版图的微小切片。广袤中华大地,山河辽阔、地貌多元,从峡谷江河到高原山川,中国基建逢山开路、遇水架桥,在复杂地形上书写了无数建设传奇。
2026-08-27 09:50
记者26日从中国科学技术协会举办的新闻发布会上获悉,以“科技改变生活创新赢得未来”为主题的全国科普月将于9月1日启幕。全国科普月期间还将同步举办世界公众科学素质促进大会,将邀请国内外专家学者围绕“面向智能社会的科学素质”主题展开研讨。
2026-08-27 09:46
当前,人工智能与实体经济持续深度融合,产业变革多线并进。从算力芯片、工业智能装备到低空通航体系,技术创新持续打通落地堵点,全方位推动制造、服务等领域转型升级。
2026-08-26 09:32
这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子,就是胶球。
2026-08-26 05:50
“棉芯1.0”以“网页端+小程序端”双端设计,分别瞄准科研创新与田间生产两大核心场景。
2026-08-26 05:50
工业和信息化部绿色低碳标准化技术委员会日前成立
2026-08-26 05:15
做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去
2026-08-26 05:15
促进人工智能与农业发展相结合,是提升农业科技创新效能的重要着力点。
2026-08-26 05:15
中央气象台首席预报员陈双预计,出伏后,四川盆地、江汉等地将有高温天气出现,上述地区仍需关注“秋老虎”天气。
2026-08-25 09:49
近期,在部分高原、草原景区,投喂、抚摸野生旱獭(土拨鼠)或与其近距离合影打卡,成为不少游客跟风的行为。除了野生旱獭,黄鼠、沙鼠等啮齿动物也是鼠疫的自然宿主,野兔、狐狸、野猫等野生动物也可成为鼠疫的偶然宿主,均存在传播风险。
2026-08-25 09:47
翻看评论区,呼声最高的几条是“旺仔牛奶太甜了”“能不能出低糖版”——不是不爱,是当年的小孩长大了,而有些配方还没跟着长大。
2026-08-25 09:46
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变经济社会的传统发展模式。同时,世界百年未有之大变局加速演进,全球创新版图和竞争格局正在经历深刻调整。
2026-08-25 02:10
加载更多