這些是小學生提的量子問題，你敢信？ | 科技袁人_風聞

**導言：這屆小朋友是我見到的提問最有深度的！■ 視頻鏈接：**https://v.douyin.com/jwhJk8d/

本視頻發佈於2022年7月15日，點贊量已達**4971****■ 精彩呈現：**最近（2022年6月26日），我應國盾量子和科大出版社之邀，對科大附中五年級和七年級的小朋友們做了一場題為《量子信息：第二次量子革命》的報告。

同時簽名銷售我的科普書《量子信息簡話》以及我審校、我的朋友張文卓博士翻譯的科普書《編程宇宙》。

原本我擔心這麼低年級的同學們能不能聽懂，能不能問出有意義的問題，但結果令我吃驚：這屆小朋友是我見到的提問最有深度的！

例如，有一位小朋友問：既然量子密碼不可破解，那麼假如敵人用了量子密碼，那我們怎麼辦？

我告訴他：這是個很好的問題，答案是嘗試在物理層面竊密。量子密碼的不可破解，指的是不可被數學破解，也就是説你不可能通過解某個數學問題來竊密。所以剩下的辦法就是在物理儀器上做手腳，爭取破壞量子密碼的保密條件，最終偷到信息。然而也存在相反方向的研究，即量子密碼的通信方使用量子力學的原理，防止一切可能的物理破解。在原理上這是有可能做到的，只是通信效率會下降。例如一些用到量子糾纏的量子密碼方案，就是提高了安全性，而降低了效率。雙方的攻防十分有趣，具體需要看《量子信息簡話》。

又有一位小朋友問：美國的量子計算機“懸鈴木”被經典計算機反超了（中國的量子躍遷 | 袁嵐峯），那麼其他的量子計算機是不是也都可能被經典計算機反超？我回答他：這個問題十分深入，答案是驚人的。量子計算機對經典計算機的優越性目前並沒有得到嚴格的數學證明，也就是説不能排除這樣的可能，量子計算機能幹的事最終發現跟經典計算機能幹的事完全一樣，即量子計算機完全沒有價值。

然而，這種狀況對於計算機科學家來説並不陌生，因為他們早已在這種“沙上建塔”的可能性下生活幾十年了。計算機科學中最大的未解之謎叫做P對NP問題，其中P是所有能夠快速求解的問題的集合，NP是所有能夠快速驗證解的問題的集合。

例如因數分解，把一個大數分解成兩個質因數是困難的，但把兩個質數乘起來看看它是不是等於要分解的那個數是容易的。又如數獨這樣的填數字遊戲，找出一個數獨遊戲的解是困難的，而把一組數字填進去看看它是不是一個解是容易的。所以因數分解和數獨都屬於NP，而看起來不屬於P。

現在的問題是，P是不是等於NP，即所有可快速驗證的問題是否都可以快速求解？從直覺來看，P顯然不等於NP，它應該是NP的真子集。然而真正驚人的是，這一點迄今沒有得到證明！經過無數聰明人幾十年的研究之後，P是否等於NP仍然沒有結論。因此許多人開始反向思考，也許P確實等於NP呢？假如P等於NP，就會顛覆許多理論的基礎，例如密碼學。

因此，量子計算機的奇特處境對計算機科學家來説並不是一個新事物。我們在直覺上認為量子計算機對經典計算機有優勢是極其可能的，而且這種優勢是革命性的，因此誰都不敢自居落後。同時，在理論沒有嚴格證明的情況下，我們希望通過實驗來增強信心。這就是為什麼會有量子優越性的研究，即造出一台量子計算機，它對某個問題超過現有最強的經典計算機。這雖然不是嚴格證明，但至少説明並沒有某種物理規律阻止我們造出這樣的量子計算機，因此還是大大增強了我們的信心。

還有一位小朋友問：量子計算機的原理是用一個量子體系來模擬數學問題，那麼是不是可以用一個量子體系來模擬另一個物理體系？

我對這個問題感到很驚訝，告訴他：你説的是一個真實的研究領域，叫做量子模擬（quantum simulation）。它的基本思想跟量子計算非常相似，都是用一個量子體系模擬另一個量子體系。唯一的區別在於，量子計算模擬的那個體系是有明確的數學表達式的，只是這個數學表達式的計算量太大，經典計算機算不過來；而量子模擬模擬的那個體系沒有明確的數學表達式，它可能有個方程，但這個方程沒有解析解。因此，量子計算和量子模擬經常被並稱。不久前潘建偉研究組發表了兩個研究，測量超冷費米原子氣體中的第二聲衰減率（量子模擬重大突破，科大團隊首次測得第二聲衰減率 | 科技袁人）和合成三原子分子NaK2（量子三體，中國科學家的重要成果 | 科技袁人），這些就被稱為量子模擬領域的重要成果。所以是的，你説的是一個真實的研究領域。一位中學生甚至小學生能夠敏鋭地意識到量子計算的思想能向什麼方向擴展，這種觸類旁通的能力真是令人驚喜！

最後，主持人説由於時間有限，只能提最後一個問題了，請袁老師來挑一個吧？我説，就你身邊那位女同學吧。結果神奇的事發生了，她問的居然是：“墨子號”量子衞星能不能探測暗物質？

我一邊心裏在嘀咕，小朋友居然都知道暗物質，真是不得了，一邊回答她：這是個非常好的問題，答案是墨子號不是幹這個的。墨子號2016年8月上天的時候，目標是三大科學任務，即星地之間的量子保密通信、地面站到衞星的量子隱形傳態以及衞星向兩個地面站的量子糾纏分發。這些目標都在2017年實現了，而墨子號的原定服役時間只到2019年1月，但此後它的狀態仍然非常好，所以我們在繼續用它做實驗。例如最近，就用墨子號向兩個地面站即青海德令哈站和雲南麗江站分發的糾纏對，實現了德令哈與麗江之間相距1203公里的量子隱形傳態（全世界科學家都想做的實驗，中國科學家首先成功了 | 科技袁人）。然而，探測暗物質並不屬於墨子號的任務。不久的將來，我們會發射更多的量子通信衞星，它們會去做探測暗物質的實驗（潘建偉研究組下一步有什麼新目標？| 科技袁人）。有趣的是，在地面上已經有人用量子精密測量取得了暗物質探測的重要成果。彭新華教授研究組和德國科學家合作，把一種叫做“類軸子”的暗物質候選粒子的存在上限壓低了五個量級，即探測精度比以前的最好結果提高了十萬倍（中科大發布新成果！暗物質究竟是什麼？| 科技袁人）。還有一點特別有趣的是，他們的量子精密測量技術是一種桌面式的實驗，即儀器在一張桌子上就能擺下，而以前的探測方法是一種大型天文學實驗。也就是説，他們的成本比以前的方法低得多，而精度高得多。當然他們還沒有找到暗物質，但已經是這個方向上的最佳結果。好比在魚塘裏捕魚，水很多的時候你就很難抓到魚，而你把魚塘裏的水排幹，魚就無處藏身了。説到這裏的時候，坐在第一排的科大附中校長馬運生博士對我説了一句：她媽媽就是彭新華！

我不由得在心裏大笑，怪不得這位小朋友知道暗物質，原來是她媽媽告訴她的！於是我對她説：我跟令堂是好朋友，我書裏的很多內容就是令堂跟我説的，非常感謝令堂的支持和你提的問題。

不久前，我在參加一次阿里達摩院組織的科技少年創造營活動時（五年級讀完《量子信息簡話》，小朋友們不得了 | 科技袁人），有一位九歲的小朋友問我“什麼是量子”，還有一位五年級的小朋友説他已經讀完了《量子信息簡話》，提出一大堆具體的問題。今天遇到的小朋友們更加不得了，思維深度堪比大學生。所以我要再次跟大家説：對於愛學習、有志向的人來説，這是最好的時代，學習的條件比以前好了太多。少年強則國強，祝同學們奮發向上，早日成才，為國家、為人類做出更大的貢獻。