從墨子號到“宇宙巨眼”，一同解碼百年量子發(fā)展之路

2026年4月26日，墨子沙龍邀請到中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杰出講席教授彭承志，前往浦東青少年活動中心，作題為《量子科技發(fā)展之路》的科普報告。報告系統(tǒng)回顧了量子力學(xué)的百年發(fā)展歷程，深入解讀了我國在量子通信、量子計算、量子精密測量等領(lǐng)域的前沿成果與戰(zhàn)略布局。本文根據(jù)講座內(nèi)容整理而成。

很高興有機(jī)會和大家分享量子科技領(lǐng)域的進(jìn)展。

去年是聯(lián)合國教科文組織設(shè)立的國際量子科學(xué)技術(shù)年，也是量子力學(xué)誕生百年紀(jì)念。回望百年前，全球局勢動蕩，一戰(zhàn)二戰(zhàn)間隔期間戰(zhàn)火紛飛，但歐洲科學(xué)家卻在這樣的背景下創(chuàng)立了量子力學(xué)。彼時正值現(xiàn)代科學(xué)關(guān)鍵發(fā)展階段，中國只能作為旁觀者。百年后的量子力學(xué)百年紀(jì)念活動上，我國潘建偉院士受邀作報告，標(biāo)志著中國科學(xué)家終于在量子力學(xué)國際舞臺上擁有了自己的聲音與地位。

回溯量子力學(xué)百年歷程，百年前一眾頂尖物理學(xué)家匯聚，凝練出量子力學(xué)理論，詮釋微觀物理規(guī)律。此后，普朗克等科學(xué)家持續(xù)深耕，依托量子力學(xué)誕生了晶體管、激光、原子彈、核磁共振、高溫超導(dǎo)等重大成果，徹底改變了人類世界。百年間量子力學(xué)領(lǐng)域多次斬獲諾貝爾物理學(xué)獎，如今再度迎來全新發(fā)展高峰，成為極具潛力的前沿學(xué)科。

量子力學(xué)之所以能擁有如此深遠(yuǎn)影響力，源于人類兩種核心思維方式。一種是歸納推演法，從已知現(xiàn)象預(yù)判未來趨勢，人工智能便是這種思維的極致體現(xiàn)，通過學(xué)習(xí)人類所有知識，自主推演生成答案。另一種是還原法，向下拆解深挖微觀本質(zhì)，追溯事物發(fā)展的底層機(jī)理，而量子力學(xué)正是還原法的終極形態(tài)。

量子力學(xué)對世界的底層規(guī)律總結(jié)為兩大核心要點，理解這兩點便掌握了量子力學(xué)大半精髓。第一，世界是量子化的。量子意為一份一份、不可再分的最小單元。手機(jī)屏幕看似畫面連續(xù)，放大后實則由無數(shù)像素點構(gòu)成；如同游戲《Minecraft》由基礎(chǔ)方塊組成，現(xiàn)實世界的物質(zhì)、能量也存在最小單元，原子、分子、光子都是世界的基礎(chǔ) “方塊”，世間萬物并非無限連續(xù)，而是由離散的最小單元構(gòu)成。

第二，微觀世界存在疊加態(tài)。經(jīng)典世界中事物狀態(tài)確定，人物位置可精準(zhǔn)界定，但量子微觀單元完全不同，可同時處于多種狀態(tài)疊加。就像一個量子粒子能同時處在兩個位置，無確定形態(tài)。可以通俗理解：組成人體的每一個原子都處于自由疊加、位置不定的狀態(tài)，但海量原子聚集后，相互牽制抵消了疊加特性，最終呈現(xiàn)出經(jīng)典世界確定的狀態(tài)。個體微觀是疊加態(tài)，宏觀經(jīng)典世界只是量子疊加特性的子集，確定性只是特殊情況。

依托量子化與疊加態(tài)兩大特性，量子力學(xué)為信息社會開辟三大核心發(fā)展方向：量子通信、量子計算與模擬、量子精密測量。本次報告將圍繞量子疊加與量子糾纏，介紹量子通信、量子計算的發(fā)展現(xiàn)狀，同時展望量子測量與天文學(xué)融合的未來前景。

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量子疊加與量子通信

量子疊加指量子態(tài)無確定狀態(tài)，同時處于多種狀態(tài)之中。量子通信是以量子態(tài)為信息載體的通信方式，其核心優(yōu)勢是絕對信息安全。日常通信追求信號越強(qiáng)越好，而量子通信反其道而行，利用最微弱的量子能量傳輸信息，如同課堂上小聲講悄悄話，避免被竊聽。

信息安全是人類與生俱來的需求，自古希臘、斯巴達(dá)時期就有加密通信技術(shù)，二戰(zhàn)期間密碼攻防更是影響戰(zhàn)局走向。但傳統(tǒng)加密技術(shù)始終存在被破解的風(fēng)險，人類一直渴望實現(xiàn)無法破譯的絕對安全通信，而量子力學(xué)給出了可行答案。

量子通信的安全根基源于量子疊加兩大核心原理。一是量子測量擾動原理：量子疊加態(tài)本身無確定狀態(tài)，只有進(jìn)行觀測測量時，狀態(tài)才會固定，測量行為本身會改變量子態(tài)。一旦有人竊聽量子通信，測量行為會破壞量子態(tài)，通信雙方能立刻察覺竊聽行為。二是量子不可克隆定理：任何量子態(tài)都無法被完美復(fù)制克隆，不存在復(fù)制量子信號進(jìn)行隱秘竊聽的可能，從底層杜絕了偽造竊聽的途徑。

量子通信理論最早由科學(xué)家 Wiesner 提出，他設(shè)想利用量子不可克隆特性打造量子鈔票，杜絕假幣，但受限于技術(shù)和大眾認(rèn)知，想法長期無人認(rèn)可。后來其好友 Bennett 完善理論，發(fā)現(xiàn)量子態(tài)難以長時間存儲固定，但光量子天生高速傳播、不易受環(huán)境干擾，完美適配通信需求。光以每秒三十萬公里的速度勻速傳播，能遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸量子信號，由此奠定了量子密鑰分發(fā)的理論基礎(chǔ)。

1984 年 BB84 量子密鑰分發(fā)理論正式提出，1989 年全球首個量子密鑰分發(fā)實驗落地，僅實現(xiàn) 30 厘米短距離傳輸。除保密通信外，利用量子糾纏還可實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)等前沿應(yīng)用。

回望我國量子通信發(fā)展之路，上世紀(jì)七八十年代，我國在量子前沿領(lǐng)域完全缺席，理論創(chuàng)新、早期實驗均無中國科學(xué)家身影。九十年代起，國家發(fā)展逐步向好，一批優(yōu)秀學(xué)子走出國門深造，潘建偉院士等領(lǐng)軍學(xué)者遠(yuǎn)赴海外頂尖課題組深耕量子信息領(lǐng)域，成為我國量子科技發(fā)展的星星之火。

25 年前，學(xué)成歸國的科研人員立志搭建國內(nèi)頂尖量子實驗室，秉持踏實鉆研的初心，對標(biāo)國際一流水準(zhǔn)深耕量子通信。當(dāng)時領(lǐng)域內(nèi)的終極目標(biāo)，是突破距離限制，實現(xiàn)全球覆蓋的量子保密通信，讓量子加密信號跨越大洋實現(xiàn)全球互通。

依托我國跨學(xué)科科研體制優(yōu)勢，中科院牽頭聯(lián)合航天、衛(wèi)星載荷等科研單位，啟動星地量子通信研發(fā)，計劃將量子光源、探測設(shè)備搭載衛(wèi)星，構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。科研團(tuán)隊扎根青海湖開展野外實驗，在寒冬的湖心山頂、熱氣球平臺完成百公里級量子態(tài)傳輸驗證，成為全球僅有的兩支掌握百公里量子通信技術(shù)的團(tuán)隊之一，與潘建偉院士留學(xué)導(dǎo)師領(lǐng)銜的國際頂尖團(tuán)隊并肩領(lǐng)跑。

站穩(wěn)世界唯二的位置后，我國科研團(tuán)隊并未止步，向著全球唯一、國際領(lǐng)先的目標(biāo)攻堅。2003 年至 2016 年，歷經(jīng)十余年潛心研發(fā)，我國成功發(fā)射墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。墨子號升空后，我國量子通信實現(xiàn)斷崖式國際領(lǐng)先，獨掌星地量子通信核心技術(shù)，引發(fā)全社會廣泛關(guān)注，不再局限于物理專業(yè)圈層。此后我國學(xué)者受邀前往 NASA 作學(xué)術(shù)報告，團(tuán)隊斬獲克里夫蘭國際獎項，彰顯了中國量子科技的國際地位。

如今我國已建成全球規(guī)模最大的光纖與衛(wèi)星融合量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)量子地面站小型化部署，可安裝于樓頂、艦艇、外交使領(lǐng)館等場景，真正落地全球量子保密通信應(yīng)用。墨子號的成功也推動了國際量子領(lǐng)域發(fā)展，為潘建偉院士導(dǎo)師斬獲諾貝爾物理學(xué)獎提供了重要支撐。提出量子密碼理論的兩位先驅(qū)，也先后獲得沃爾夫獎、計算機(jī)領(lǐng)域最高獎圖靈獎，標(biāo)志著量子密碼從物理小眾研究，升級為全球信息社會認(rèn)可的核心技術(shù)。

量子通信的崛起離不開時代機(jī)遇。近十年來，量子計算技術(shù)快速發(fā)展，未來有望破解傳統(tǒng)經(jīng)典密碼，對現(xiàn)有信息安全體系形成巨大沖擊。而我國提前布局量子通信，在量子計算大規(guī)模落地前筑牢信息安全 “盾牌”，為未來信息社會構(gòu)建核心安全基礎(chǔ)設(shè)施，搶占了科技發(fā)展先機(jī)。在我國科學(xué)家的全力攻堅下，量子通信已穩(wěn)居全球領(lǐng)跑地位，成為國家科技競爭力的重要名片。

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量子糾纏與量子計算

量子計算擁有顛覆信息社會的超強(qiáng)算力，其核心底層是量子糾纏。如果說量子疊加是單個粒子的多態(tài)共存，量子糾纏便是兩個及多個粒子的關(guān)聯(lián)疊加，粒子間形成無形關(guān)聯(lián)，狀態(tài)相互綁定、互為影響。

自然界萬物普遍存在量子糾纏，微觀粒子相互作用、人類社會人際關(guān)聯(lián)，本質(zhì)都可類比糾纏特性。經(jīng)典計算機(jī)僅依靠 0 和 1 兩種固定狀態(tài)，無疊加與糾纏能力，算力存在天然上限。面對海量大數(shù)據(jù)、復(fù)雜密碼破解、微觀世界模擬等超高難度計算，經(jīng)典計算機(jī)力不從心。

量子計算的算力優(yōu)勢源于量子比特的疊加特性。1 個量子比特可同時呈現(xiàn) 2 種狀態(tài)，2 個量子比特可呈現(xiàn) 4 種疊加狀態(tài)，200 個量子比特便能表征2 的 200 次方種狀態(tài)。量子計算可同時對海量疊加狀態(tài)并行處理，搭配專屬量子算法，就能快速解決經(jīng)典計算機(jī)萬年都無法完成的運算任務(wù)，其中 Shor 算法可直接破解現(xiàn)有經(jīng)典公鑰密碼體系。

量子計算具備巨大的經(jīng)濟(jì)與社會價值。以比特幣為例，其交易賬本約 100G，蘊含 20% 存量比特幣，價值數(shù)千億美金。一旦通用量子計算機(jī)問世，借助超強(qiáng)算力就能破解加密賬本，掌控海量數(shù)字資產(chǎn)。更重要的是，量子計算將重構(gòu)整個信息社會、金融體系，在新藥研發(fā)、材料模擬、天文探測等領(lǐng)域帶來革命性突破。業(yè)界將通用量子計算機(jī)正式落地、可破解現(xiàn)有密碼體系的時間節(jié)點稱為Q-Day，全球都在為這一時刻提前做好信息安全防護(hù)準(zhǔn)備。

目前距離 Q-Day 仍有較遠(yuǎn)距離，核心難題是量子計算機(jī)的技術(shù)路線尚未定型。全球主流研發(fā)路線包括超導(dǎo)量子比特、光量子比特、原子量子比特、離子阱量子比特等，多條路線并行研發(fā)，尚無明確勝出方向。行業(yè)普遍將量子計算發(fā)展劃分為三個階段：

第一階段是實現(xiàn)量子優(yōu)越性，讓量子計算機(jī)完成某一項經(jīng)典計算機(jī)無法企及的任務(wù)，是量子計算成長的首個里程碑。谷歌率先以企業(yè)力量實現(xiàn)突破，完成量子優(yōu)越性實驗，將量子計算推向公眾視野。隨后我國陸朝陽教授團(tuán)隊研發(fā) “九章” 光量子原型機(jī)，以遠(yuǎn)低于谷歌的經(jīng)費，實現(xiàn) 76 個光子量子優(yōu)越性，秉持多快好省的研發(fā)理念，在光量子路線上比肩國際頂尖水平。

第二階段是量子糾錯技術(shù)突破。量子態(tài)極易受環(huán)境干擾，量子計算機(jī)運算過程會頻繁出錯，錯誤率極高，連續(xù)運算后結(jié)果完全失效。研發(fā)具備自我糾錯、修復(fù)能力的量子計算機(jī)，是從實驗原型走向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步。目前中美在量子糾錯領(lǐng)域并跑競爭，谷歌稍占先機(jī)，我國緊隨其后，競爭態(tài)勢十分焦灼。

第三階段是大規(guī)模量子比特集成，將數(shù)千、數(shù)萬甚至十萬級量子比特集成，打造通用量子計算機(jī)，屆時 Q-Day 正式到來，可全面落地密碼破解、科研模擬等各類應(yīng)用。

量子計算領(lǐng)域呈現(xiàn)萬馬奔騰的競爭格局。中美作為第一梯隊率先邁過量子優(yōu)越性門檻，在糾錯階段激烈角逐；離子阱、中性原子等新興技術(shù)路線作為黑馬快速追趕，依托自然界現(xiàn)成原子、離子資源，無需復(fù)雜芯片制造，實現(xiàn)斷代式低成本研發(fā)，開辟全新突破路徑。

科技無國界，但科學(xué)家有國界，量子計算已成為國與國科技競爭的戰(zhàn)略高地。國際形勢變化后，我國量子領(lǐng)域科研交流受限，面臨設(shè)備技術(shù)封鎖。美國企業(yè)投入巨額資金布局量子計算，規(guī)劃 2030 至 2035 年沖擊 Q-Day。作為科技大國，我國在量子計算領(lǐng)域絕不能落后，必須持續(xù)加大研發(fā)投入，多路線同步布局、全面攻堅，守住前沿科技競爭陣地。

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量子干涉與量子科技跨界融合

量子科技持續(xù)火熱，根本源于科學(xué)內(nèi)生動力，而量子干涉是量子力學(xué)最核心的奧秘之一，也是量子精密測量、天文跨界融合的基礎(chǔ)。

經(jīng)典世界中，向池塘投擲兩塊石子，水波擴(kuò)散后相互交匯，形成波峰波谷交錯的干涉紋路，這是常見的經(jīng)典波干涉現(xiàn)象。量子世界同樣存在干涉效應(yīng)，電子、光子等微觀粒子雖是離散顆粒，卻具備波的特性，會形成量子干涉。費曼曾評價，電子楊氏雙縫干涉實驗是量子力學(xué)的核心，蘊藏量子力學(xué)最深層的規(guī)律。當(dāng)無法區(qū)分微觀粒子的運動路徑時，粒子就會以波的形式產(chǎn)生干涉，呈現(xiàn)出奇妙的量子特性。

量子干涉也是量子糾纏產(chǎn)生的底層邏輯。強(qiáng)光射入特殊晶體后可分裂為一對關(guān)聯(lián)光子，如同雙胞胎粒子。在光路交匯焦點處，無法區(qū)分光子來源與偏振狀態(tài)，量子態(tài)便形成疊加糾纏，兩種粒子狀態(tài)相互綁定，量子糾纏就此自然產(chǎn)生。

早年墨子號研發(fā)期間，科研團(tuán)隊曾設(shè)想打造天地一體化量子干涉系統(tǒng)，實現(xiàn)地面與衛(wèi)星間的光量子干涉，雖最終未能實現(xiàn)，卻意外開啟了量子與天文學(xué)的跨界合作。天文學(xué)家早已實現(xiàn)宇宙尺度干涉觀測，利用兩臺 8 米級望遠(yuǎn)鏡，相隔百余米捕捉幾千萬光年外的星光，通過光路整合形成干涉效應(yīng)。無法區(qū)分星光來自哪臺望遠(yuǎn)鏡時，等效形成百米級超大口徑望遠(yuǎn)鏡，大幅提升天文觀測精度。

當(dāng)前天文觀測百米基線已是傳統(tǒng)技術(shù)極限，若能突破至公里級基線，打造等效一公里口徑的 “宇宙巨眼”，就能大幅提升觀測分辨率，探索宇宙深空、探尋地外文明、解析宇宙演化規(guī)律。而量子科技恰好能補齊天文觀測的技術(shù)短板，我國量子科研團(tuán)隊在千公里級光纖干涉、弱信號光傳輸、光學(xué)跟瞄設(shè)備等領(lǐng)域積累深厚技術(shù)優(yōu)勢，具備賦能天文觀測的能力。

疫情期間，量子領(lǐng)域與天文學(xué)領(lǐng)域院士及科研團(tuán)隊開展聯(lián)合研討，達(dá)成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的合作共識，探索量子技術(shù)賦能天文觀測的新路徑。巧合的是，美國同行也同步啟動量子與天文交叉研究，印證了這一跨界方向的巨大潛力。

我國科研團(tuán)隊在新疆阿勒泰開展公里級量子天文干涉實驗，摒棄傳統(tǒng)天文觀測的真空管道，用量子通信光纖替代，依托量子技術(shù)保障光信號傳輸精度，直接挑戰(zhàn)全球百米基線極限，沖刺一公里超長觀測基線。首次實驗雖遭遇失敗，但團(tuán)隊快速優(yōu)化方案、調(diào)整設(shè)備，二次聯(lián)試成功捕捉到 630 光年外藍(lán)巨星的微弱干涉信號；后續(xù)又在 600 米短基線實驗中，獲得對比度更優(yōu)的觀測信號，驗證了量子技術(shù)賦能長基線天文干涉的可行性。

目前實驗采用小口徑望遠(yuǎn)鏡，雖驗證了技術(shù)原理，但觀測遙遠(yuǎn)深空天體時，光線信號過于微弱。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國天文設(shè)備存在短板，國內(nèi)缺少兩臺相隔一公里的 2 米級望遠(yuǎn)鏡，僅有云南一處點位有相近設(shè)備，卻僅相隔百米。但時機(jī)恰逢其時，未來五年我國將在冷湖布局近 10 臺 2 米及以上天文望遠(yuǎn)鏡，補齊光學(xué)天文設(shè)備短板。

借助量子糾纏與干涉技術(shù)，可將多臺獨立天文望遠(yuǎn)鏡互聯(lián)互通，不再是簡單的數(shù)量疊加，而是實現(xiàn)指數(shù)級觀測能力倍增，等效打造公里級超大望遠(yuǎn)鏡。量子科技與天文學(xué)的跨界融合，能助力人類探索物理學(xué)的基礎(chǔ)難題，解鎖宇宙更多未知奧秘。

量子科技的發(fā)展之路，既是行業(yè)技術(shù)迭代之路，也是科研團(tuán)隊與青年一代的成長之路。個人的成長始終與行業(yè)進(jìn)步、國家發(fā)展同頻共振，唯有將自身理想融入國家科技發(fā)展大局，才能實現(xiàn)個人與時代的共同成長。愿每一位年輕人都能把握時代機(jī)遇，深耕所學(xué)、逐夢前行。

文字整理：真真