「高端专家访谈」再建量子时代的“汉唐盛世”——张庆瑞

编者按：张庆瑞，鸿海顾问兼台湾大学物理学系教授，俄罗斯国际工程院（RIAE）院士，国际电机电子工程师学会会士（IEEEFellow）、美国物理学会会士（APSFellow），台湾大学—IBM量子电脑中心主任，凝态物理学学者。曾担任亚洲磁性协会理事长，台湾磁性协会理事长及台湾物理学会理事长。

文/吴星铎

4月25日，国际院士讲堂首期活动在北京友谊宾馆贵宾楼多功能厅成功举行，台湾大学原代理校长、物理量子专家、俄罗斯国际工程院院士张庆瑞教授作了题为《量子纠缠与现代科技》的主题报告。来自政府部门、高校院所、科研机构和高新企业的代表200余人参加。
张庆瑞院士讲述了第二次量子科技革命的重要性，介绍了量子计算机、量子通信与量子传感器的出现和随之形成的量子物联网未来产业，以及现代公民应该具备哪些基本量子素养以面对时代的崭新变局等；分享了今年初上市的畅销书《量子大趋势》的主要内容。这本书就如何将量子科技教育纳入现代教育提出了方案，介绍了未来量子科技产业及其对人类社会的影响，将晦涩、深奥的量子知识转化成通俗易懂的生活常识。

薛定谔的那只猫，是否安然无恙?

王阳明的那朵花，是否明白开放?

爱因斯坦的月亮，是否依然那么明亮?

银河系两端的量子，是否依然纠缠不休、波粒二象?

这是笔者为4月25日国际院士讲堂主持词写的一个小段落。聆听张庆瑞院士的分享，受益良多，听讲、采访，笔者跟随张院士的脚步，在量子世界里徜徉。

此次北京之行，张庆瑞院士除了参加北京环球英才交流促进会主办的国际院士讲堂之外，还赴清华大学求真学院演讲，参观北京量子信息科学研究院，并于4月26日在北京环球英才交流促进会的外国专家书屋接受了笔者的专访。张院士举重若轻，拨开云雾，引领人们看到量子浪潮的本质，正如他的《量子大趋势》一书中的诗句：“人工智能天间语，量子能级盖古音，机率自然源妙算，运筹帷幄引龙吟。”

诺贝尔奖颁给量子成果，意味着什么?

问：您这次北京之行整体感受如何?用一个词形容的话会是什么呢?
张庆瑞：持续变化，持续成长。我有一段时间没有来这里。这次看到老朋友们这三年的进步蛮大的，设备跟规模都成长蛮多的。另外接触的新朋友，每一个人都很积极，对未来正向而乐观。人的企图心和梦想在变大，也有足够的资源去实现梦想。

问：您的《量子大趋势》这本书将晦涩、深奥的量子知识转化成通俗易懂的文字，介绍了未来量子科技产业及其对人类社会的影响。请您简单分享一下写书的感受。而在书中，您写了12首量子诗，我非常喜欢，在主持词中开场引用了“纵横概率因缘间，量子叠加漫越天，二象并存波和粒，纠缠谁与并骈肩”，结尾时引用了“人工智能”那首。您是如何想到在这本科普书中融入诗的创作呢?
张庆瑞：这本书坦白讲不是刻意写的，只是演讲多了，积累了丰富的内容。疫情期间，我被关在家里9个月出不来，恰好有书商来找我，问我能不能把讲的东西写出来，于是就开始了写书的过程，写了大概19万字，后来浓缩成15万字，在北京发行。最开始的定位是非理工系的大一大二的学生能读懂，兼顾科学与普及。至于诗歌，我从小是念章回小说长大的，我想让这本书与其他的科普书有所不同，所以加了一些章回的特色，也就是“有诗为证”，用一个星期集中创作了12首诗。

问：请您谈谈2022年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家对量子领域作出的贡献，这对于量子研究的发展意味着什么?
张庆瑞：2022年诺贝尔物理学奖表彰了法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F. Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger三人，他们展示了对纠缠状态的粒子进行考察和控制的潜力。他们的获奖理由是“进行了纠缠光子的实验，验证了量子不遵循贝尔不等式，并开创了量子信息科学”。
所以简单讲，他们三人一同证明，量子纠缠是可被实际操作的，只是一开始因为设备不完整，所以有漏洞，现在漏洞慢慢被填补起来，而逐渐发展出标准程序来操控量子纠缠，随着大家的相信与投入，科学研究很快将会变成科技。
诺贝尔物理学奖委员会主席AndersIrbäck说，越来越明显的是一种新的量子技术正在出现，我们可以看到获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题。
诺贝尔奖颁给量子成果，简单来说，是时候了，这预示着量子的时代来临了。“第二次量子科技革命”就好像刚开始的晚宴，盛装的主角们正要陆续登场。量子科技正在强烈呼唤：“不要逃避，放弃量子就是放弃未来!”读者们可以将困难的量子知识转化成生活常识，给自己一个接近量子的机会，就会了解“量子固自然，功能盖古今”。只有接受量子，使用量子，你才会成为标准的现代量子公民。(笔者按：“量子固自然，功能盖古今”是张院士写于书中序言的一句诗)

走进奇妙的量子世界：离散与叠加

问：对于一些不熟悉量子物理学的读者来说，您能简单科普一下什么是量子吗?
张庆瑞：量子其实不是一种物质或粒子，而是一种现象，是在微观世界很常见的现象，但是在宏观世界却很不容易观察到。最早由德国物理学家普朗克提出，量子一词来自拉丁语“Quantus”，本意为“有多少”，既是构成物质的最基本单元，也是物理世界里最小且不可分割的基本个体。量子并不是一个像电子一样的“子”，也就是说，它不是一个真正的东西，而是一种概念。如果一个物理量存在最小的不可分割的单位，那么这个最小单位就称为“量子”。经典世界中各种物理现象是连续变化的，例如温度、身高、体重等的改变。在微观的世界中，能量的状态是不连续的、离散的，在微观世界里的这种不可无限分割性，就称为量子化。《墨子•经说下》中也有提到“不可斫也”，意思是物质分割到一定程度就不能再分割下去了。
问：大部分读者都听过“薛定谔的猫”，请您为我们介绍一下其背后的量子叠加现象?
张庆瑞：从古至今同一个时空下，人类只能处在时空中的一个特定状态，但量子在微观世界中则是永远处于多重状态的组合，叠加态各状态的概率分布是处于随机状态，直到被观测时才会变成确定状态。像飘浮在空中且不断旋转的硬币，硬币不断转动的过程就类似量子叠加出正面和反面的概率，直到硬币落地停止旋转后，才能确定结果是正面还是反面。这种状况就是常听到的“薛定谔的猫”——箱子没打开前，生或死的状态完全不能确定。这与日常生活经验中对“存在的事物永远有确定状态”的观念是冲突的，客厅中的吊灯是亮或是暗，不可能有模棱两可的答案。但在量子的世界里，物体的确可以处于叠加态，原子大小等级的电灯泡是可以同时处于开启与关闭的状态，而这个在微观世界里的奇怪性质，正是量子计算无限威力的主要来源之一。

量子纠缠、量子测量与现代科技

问：您的这次讲堂标题是《量子纠缠与现代科技》，究竟什么是量子纠缠?如何理解这个所谓“鬼魅一般的超距作用”?

张庆瑞：在量子力学中，几个粒子在彼此交互作用后，会形成一个整体的综合状态，已经无法单独描述个别粒子的分别状态，这种现象被称为“量子纠缠”。爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，这是量子力学里最诡异的现象。处于纠缠态的两个粒子，在被测量之前，彼此相关状态就是一个整体而非两个独立个体，但无论两者相距多远，只要纠缠态不被破坏，一旦对其中的一个粒子进行测量，另外的一个粒子的状态也会因此确定下来。至于爱因斯坦所说的“鬼魅一般的超距作用”，我认为，纠缠本身虽然有点像波尔所谓的非定域性的物理，但其实就像麦芽糖一样，藕断丝连，丝拉得很长，但仍然是一个整体。我科普演讲有时也会半开玩笑地讲，这有一点像婚姻，结婚之前是独立，没有纠缠的个体，结婚之后就变成纠缠的两个人，你到哪里去吃饭，你太太电话就追踪过来，希望知道你在干吗。

问：量子纠缠之于现代科技的意义何在?

张庆瑞：简单讲，量子纠缠不仅为量子运算提供最有效的并行处理方法，而且也是实现量子通信必备的工具，由于对环境变化非常敏感，所以量子纠缠也可以用来制造非常精确而灵敏的量子传感器。

问：您的《量子大趋势》书中引用了王阳明的名言“你未看此花时，此花与汝心同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来”。并说这与量子测量有异曲同工之妙，如何理解量子测量?

张庆瑞：量子测量与经典力学中的测量不同，量子测量会对被测系统产生影响而改变被测系统的状态。量子测量是量子力学的核心问题，单电子的双缝干涉实验更让人彻底感受量子测量的神奇之处。爱因斯坦在花园里面散步的时候，也问过“月亮是否只在你看着他的时候才存在”，在微观世界，你不去测量，你就不知道它在不在。大家或许都玩过刮刮乐，宏观世界的理解，你在刮开来之前，那个数字就一定固定在那里，而在微观世界很有趣，在你没刮开之前，它就像老虎机一样，任何一个数字都有可能出现，在你刮开它的一瞬间，数字才定了下来。你想想看中小学的自习课，老师如果在旁边观察的话，每一个人都乖乖地念书，老师如果不在的时候会发生什么?走动、聊天甚至打架，这就是观测影响结果的现象。

第二次量子科技革命如火如荼

问：能为我们简单介绍一下“第二次量子科技革命”吗?它和“第一次量子科技革命”有何不同?

张庆瑞：“第一次量子科技革命”始于20世纪初，直至现在仍然持续中。“第二次量子科技革命”现在认知是以2018年欧盟的量子旗舰启动会议做开始。“第一次量子科技革命”完成了量子力学理论框架的构建，描述了量子力学的基本特征，实现了量子力学与数学、化学、生物学和宇宙学的结合，同时为核武器、激光、晶体管等技术提供了理论依据。

“第二次量子科技革命”将量子力学的各种特性，如量子纠缠、量子叠加、非局域性、不可克隆性和量子测量等效应，应用在量物子计算机、量子算法、量子传感器、量子通信及量子计算与仿真集等高科技中。“第二次量子科技革命”的灵敏度与功能大举突破了“第一次量子科技革命”传统科技的极限，进而开辟了未来量子科技的新疆界。

目前除中国和美国在积极竞争量子科技的领先地位外，欧洲和亚洲其他传统科技强国也在积极追赶。更值得一提的是，有些科技新兴国家也勇于参与，目前量子科技虽有领先者，然而所有参与者都离起跑线不远，因此“换道超车”远比在半导体科技领域更有机会。

问：第二次量子科技革命有哪些重点研发方向?

张庆瑞：目前的世界趋势是，量子科技革命有以下四大研发方向。其一是量子计算机，提供可编程的通用型计算机，利用量子叠加和纠缠态的优势，解决经典计算机无法处理的特定难题。其二是量子计算，利用量子计算机来仿真自然界的复杂量子多体系统的反应，例如材料特性及化学反应，也可用于解决基础科学、材料发展、量子化学及产业界遇到的各类问题。当然，社会中的海量数据的优化问题也是量子计算的重点方向。其三是量子通信，可防窃听，以量子的不可克隆等特性进行计算、编码和信息传输以建立安全的通信网络，主要技术包括量子密钥分配、量子隐形传输、量子安全直接通信等。其四是量子精密测量，也就是量子传感器。利用量子叠加及量子纠缠开发新型量子感测组件，由于量子态对外界环境变能极其敏感，量子传感器的灵敏度及分辨率均可大幅突破经典极限。量子传感技术应用极广，在声、光、力、电、热各种领域都能发挥极大作用。

问：这四个研发方向成熟之后，是否会形成您书中所说的量子物联网，人们的生活会是怎么样的?

张庆瑞：是的，以上四大量子科技都发展成熟后，就可以结合在一起成为量子物联网。量子物联网将比现在的物联网更敏感、更快速、更聪明且高效。量子物联网上的量子技术可以提升计算能力，加强实时分析和优化速度，而防窃听的量子网则是量子物联网安全传输的最佳保证。

人们在量子物联网上是安全的，没人可以去窃密。量子物联网是第二次量子科技革命所有技术的大一统，是量子信息传输和储存的平台，是绝对安全的量子密码的交换管道，它还能组建一台世界性原子钟，重新定义时间同步性，是实现量子云计算的方式，全球所有地方的用户都可以通过量子互联网而彼此纠缠，这其中的各种应用有无穷的想象空间与宽广的未来。

前景与建议：再建量子时代的“汉唐盛世”

问：对于加强量子科技教育，培养量子公民方面您有何建议?
张庆瑞：在量子教育规划方面，目前全世界只有美国有较前瞻且全面性的做法。从婴幼儿的量子童话故事开始，过渡到青少年的量子科幻电影与量子游戏，全面培养量子时代的公民该有的量子常识。高中之后，进阶科学教育的培训与大学量子教育的结合，以及完整地架构量子知识，培养量子时代所需要的科学家与工程师。这个方面值得我们借鉴。

问：对量子科技市场您怎么看?下一个量子谷会出现在哪里?
张庆瑞：量子科技市场目前已经俨然形成“淘金热”，国家资源、风险投资与人力快速投入这热力四射的新兴科技市场，下一个量子谷会在何处出现，将很快明朗。芝加哥宣称要成为美国的量子谷，取代硅谷成为新世代的量子科技重镇。加拿大滑铁卢也在推动量子谷建设，荷兰的量子三角洲，中国安徽的量子大道上的以国盾量子、本源量子与国仪量影的续集子领军的量子园区，德国慕尼黑的量子谷，这些都展现了世界各地形成量子产业聚落的意愿与争取世界资源的强烈信心。

问：您如何看待量子科技竞争中中国的前景?
张庆瑞：量子科技绝不是一场短期的国与国之间的竞争，而是长期的人类与自然的集体竞争。中国在全球强力竞争的环境下，如何建立“八百科技铁骑”，突破全球科技封锁，再建量子时代的“汉唐盛世”，是所有当代中国人的责任。后硅谷时代，如何能集结全国科技力量，在“第二次量子科技革命”的隐形科技竞争中，进行新形态的无烟火的比拼，在全球竞逐量子霸权的氛围下，如何维持中国的量子主权，进而决战量子谷，将是这一代中国人无法避免的历史责任与宿命。
中国目前迫切需要政府和企业加强投入，培训大量人才，率先凝聚产学研的研发能量，集中民间的金融投资动能，择定中国发展与参与的重点方向，争取在后硅谷时代进化成量子生产链结构的世界领导者。

后记：
“量子固自然，功能盖古今”一句，笔者十分激赏。在本文成文之际，张院士扩为全诗，相赠笔者。有诗为证：
量子固自然，功能盖古今。
铁骑谁科技，炎黄代代身。
纵横西夏地，纠绕汉唐心。
逐鹿五千载，终成九鼎金。

（本文已全文刊载于《国际人才交流》杂志2023年第6期）

促进会简介

北京环球英才交流促进会，是植根于中关村国家自主创新示范区、专业从事国际人才技术交流合作的4A级社会团体组织。

自2015年3月成立以来，秉持“加强国际人才交流合作，助力创新驱动发展战略，促进人类文明互鉴共荣”的理念，先后与俄罗斯工程院、非洲科学院等210余个国外科学组织、高校院所和人才科创机构等建立合作关系，建立俄罗斯工程院中国中心、非洲科学院中国中心等国际科技创新合作平台，引导中外专家共建了30余个工程技术创新中心，形成全球人才交流和科技创新协作网络。

成立了国内唯一的外教人才专业委员会、来华留学人才专业委员会，建设了“国际友人之家”，获准承建了北京市首家“外国专家书屋”，不断优化外国专家国际友人在华工作和生活环境，在新冠疫情期间及时为他们提供有温度的人文关怀服务。

创办举办了“聚英”论坛暨环球英才峰会、全球院士科技创新与合作论坛、“我与外教”全国征文大赛暨“外教看中国”摄影展评活动，以及“国际名师讲堂”“高端专家讲座”等，得到国家和北京市人才、科技等部门单位肯定和支持。2022年12月27日获得“联合国经社理事会特别咨商地位”。