「高端專家訪談」再建量子時代的“漢唐盛世”——張慶瑞_風聞

編者按：張慶瑞，鴻海顧問兼台灣大學物理學系教授，俄羅斯國際工程院（RIAE）院士，國際電機電子工程師學會會士（IEEEFellow）、美國物理學會會士（APSFellow），台灣大學—IBM量子電腦中心主任，凝態物理學學者。曾擔任亞洲磁性協會理事長，台灣磁性協會理事長及台灣物理學會理事長。

文/吳星鐸

4月25日，國際院士講堂首期活動在北京友誼賓館貴賓樓多功能廳成功舉行，台灣大學原代理校長、物理量子專家、俄羅斯國際工程院院士張慶瑞教授作了題為《量子糾纏與現代科技》的主題報告。來自政府部門、高校院所、科研機構和高新企業的代表200餘人參加。

張慶瑞院士講述了第二次量子科技革命的重要性，介紹了量子計算機、量子通信與量子傳感器的出現和隨之形成的量子物聯網未來產業，以及現代公民應該具備哪些基本量子素養以面對時代的嶄新變局等；分享了今年初上市的暢銷書《量子大趨勢》的主要內容。這本書就如何將量子科技教育納入現代教育提出了方案，介紹了未來量子科技產業及其對人類社會的影響，將晦澀、深奧的量子知識轉化成通俗易懂的生活常識。

薛定諤的那隻貓，是否安然無恙?

王陽明的那朵花，是否明白開放?

愛因斯坦的月亮，是否依然那麼明亮?

銀河系兩端的量子，是否依然糾纏不休、波粒二象?

這是筆者為4月25日國際院士講堂主持詞寫的一個小段落。聆聽張慶瑞院士的分享，受益良多，聽講、採訪，筆者跟隨張院士的腳步，在量子世界裏徜徉。

此次北京之行，張慶瑞院士除了參加北京環球英才交流促進會主辦的國際院士講堂之外，還赴清華大學求真學院演講，參觀北京量子信息科學研究院，並於4月26日在北京環球英才交流促進會的外國專家書屋接受了筆者的專訪。張院士舉重若輕，撥開雲霧，引領人們看到量子浪潮的本質，正如他的《量子大趨勢》一書中的詩句：“人工智能天間語，量子能級蓋古音，機率自然源妙算，運籌帷幄引龍吟。”

諾貝爾獎頒給量子成果，意味着什麼?

問：您這次北京之行整體感受如何?用一個詞形容的話會是什麼呢?

張慶瑞：持續變化，持續成長。我有一段時間沒有來這裏。這次看到老朋友們這三年的進步蠻大的，設備跟規模都成長蠻多的。另外接觸的新朋友，每一個人都很積極，對未來正向而樂觀。人的企圖心和夢想在變大，也有足夠的資源去實現夢想。

問：您的《量子大趨勢》這本書將晦澀、深奧的量子知識轉化成通俗易懂的文字，介紹了未來量子科技產業及其對人類社會的影響。請您簡單分享一下寫書的感受。而在書中，您寫了12首量子詩，我非常喜歡，在主持詞中開場引用了“縱橫概率因緣間，量子疊加漫越天，二象並存波和粒，糾纏誰與並駢肩”，結尾時引用了“人工智能”那首。您是如何想到在這本科普書中融入詩的創作呢?

張慶瑞：這本書坦白講不是刻意寫的，只是演講多了，積累了豐富的內容。疫情期間，我被關在家裏9個月出不來，恰好有書商來找我，問我能不能把講的東西寫出來，於是就開始了寫書的過程，寫了大概19萬字，後來濃縮成15萬字，在北京發行。最開始的定位是非理工系的大一大二的學生能讀懂，兼顧科學與普及。至於詩歌，我從小是念章回小説長大的，我想讓這本書與其他的科普書有所不同，所以加了一些章回的特色，也就是“有詩為證”，用一個星期集中創作了12首詩。

問：請您談談2022年獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家對量子領域作出的貢獻，這對於量子研究的發展意味着什麼?

張慶瑞：2022年諾貝爾物理學獎表彰了法國科學家Alain Aspect、美國科學家John F. Clauser和奧地利科學家Anton Zeilinger三人，他們展示了對糾纏狀態的粒子進行考察和控制的潛力。他們的獲獎理由是“進行了糾纏光子的實驗，驗證了量子不遵循貝爾不等式，並開創了量子信息科學”。

所以簡單講，他們三人一同證明，量子糾纏是可被實際操作的，只是一開始因為設備不完整，所以有漏洞，現在漏洞慢慢被填補起來，而逐漸發展出標準程序來操控量子糾纏，隨着大家的相信與投入，科學研究很快將會變成科技。

諾貝爾物理學獎委員會主席AndersIrbäck説，越來越明顯的是一種新的量子技術正在出現，我們可以看到獲獎者對糾纏態的研究非常重要，甚至超越瞭解釋量子力學的基本問題。

諾貝爾獎頒給量子成果，簡單來説，是時候了，這預示着量子的時代來臨了。“第二次量子科技革命”就好像剛開始的晚宴，盛裝的主角們正要陸續登場。量子科技正在強烈呼喚：“不要逃避，放棄量子就是放棄未來!”讀者們可以將困難的量子知識轉化成生活常識，給自己一個接近量子的機會，就會了解“量子固自然，功能蓋古今”。只有接受量子，使用量子，你才會成為標準的現代量子公民。(筆者按：“量子固自然，功能蓋古今”是張院士寫於書中序言的一句詩)

走進奇妙的量子世界：離散與疊加

問：對於一些不熟悉量子物理學的讀者來説，您能簡單科普一下什麼是量子嗎?

張慶瑞：量子其實不是一種物質或粒子，而是一種現象，是在微觀世界很常見的現象，但是在宏觀世界卻很不容易觀察到。最早由德國物理學家普朗克提出，量子一詞來自拉丁語“Quantus”，本意為“有多少”，既是構成物質的最基本單元，也是物理世界裏最小且不可分割的基本個體。量子並不是一個像電子一樣的“子”，也就是説，它不是一個真正的東西，而是一種概念。如果一個物理量存在最小的不可分割的單位，那麼這個最小單位就稱為“量子”。經典世界中各種物理現象是連續變化的，例如温度、身高、體重等的改變。在微觀的世界中，能量的狀態是不連續的、離散的，在微觀世界裏的這種不可無限分割性，就稱為量子化。《墨子•經説下》中也有提到“不可斫也”，意思是物質分割到一定程度就不能再分割下去了。

問：大部分讀者都聽過“薛定諤的貓”，請您為我們介紹一下其背後的量子疊加現象?

張慶瑞：從古至今同一個時空下，人類只能處在時空中的一個特定狀態，但量子在微觀世界中則是永遠處於多重狀態的組合，疊加態各狀態的概率分佈是處於隨機狀態，直到被觀測時才會變成確定狀態。像飄浮在空中且不斷旋轉的硬幣，硬幣不斷轉動的過程就類似量子疊加出正面和反面的概率，直到硬幣落地停止旋轉後，才能確定結果是正面還是反面。這種狀況就是常聽到的“薛定諤的貓”——箱子沒打開前，生或死的狀態完全不能確定。這與日常生活經驗中對“存在的事物永遠有確定狀態”的觀念是衝突的，客廳中的吊燈是亮或是暗，不可能有模稜兩可的答案。但在量子的世界裏，物體的確可以處於疊加態，原子大小等級的電燈泡是可以同時處於開啓與關閉的狀態，而這個在微觀世界裏的奇怪性質，正是量子計算無限威力的主要來源之一。

量子糾纏、量子測量與現代科技

問：您的這次講堂標題是《量子糾纏與現代科技》，究竟什麼是量子糾纏?如何理解這個所謂“鬼魅一般的超距作用”?

張慶瑞：在量子力學中，幾個粒子在彼此交互作用後，會形成一個整體的綜合狀態，已經無法單獨描述個別粒子的分別狀態，這種現象被稱為“量子糾纏”。愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，這是量子力學裏最詭異的現象。處於糾纏態的兩個粒子，在被測量之前，彼此相關狀態就是一個整體而非兩個獨立個體，但無論兩者相距多遠，只要糾纏態不被破壞，一旦對其中的一個粒子進行測量，另外的一個粒子的狀態也會因此確定下來。至於愛因斯坦所説的“鬼魅一般的超距作用”，我認為，糾纏本身雖然有點像波爾所謂的非定域性的物理，但其實就像麥芽糖一樣，藕斷絲連，絲拉得很長，但仍然是一個整體。我科普演講有時也會半開玩笑地講，這有一點像婚姻，結婚之前是獨立，沒有糾纏的個體，結婚之後就變成糾纏的兩個人，你到哪裏去吃飯，你太太電話就追蹤過來，希望知道你在幹嗎。

問：量子糾纏之於現代科技的意義何在?

張慶瑞：簡單講，量子糾纏不僅為量子運算提供最有效的並行處理方法，而且也是實現量子通信必備的工具，由於對環境變化非常敏感，所以量子糾纏也可以用來製造非常精確而靈敏的量子傳感器。

問：您的《量子大趨勢》書中引用了王陽明的名言“你未看此花時，此花與汝心同歸於寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來”。並説這與量子測量有異曲同工之妙，如何理解量子測量?

張慶瑞：量子測量與經典力學中的測量不同，量子測量會對被測系統產生影響而改變被測系統的狀態。量子測量是量子力學的核心問題，單電子的雙縫干涉實驗更讓人徹底感受量子測量的神奇之處。愛因斯坦在花園裏面散步的時候，也問過“月亮是否只在你看着他的時候才存在”，在微觀世界，你不去測量，你就不知道它在不在。大家或許都玩過刮刮樂，宏觀世界的理解，你在刮開來之前，那個數字就一定固定在那裏，而在微觀世界很有趣，在你沒刮開之前，它就像老虎機一樣，任何一個數字都有可能出現，在你刮開它的一瞬間，數字才定了下來。你想想看中小學的自習課，老師如果在旁邊觀察的話，每一個人都乖乖地念書，老師如果不在的時候會發生什麼?走動、聊天甚至打架，這就是觀測影響結果的現象。

第二次量子科技革命如火如荼

問：能為我們簡單介紹一下“第二次量子科技革命”嗎?它和“第一次量子科技革命”有何不同?

張慶瑞：“第一次量子科技革命”始於20世紀初，直至現在仍然持續中。“第二次量子科技革命”現在認知是以2018年歐盟的量子旗艦啓動會議做開始。“第一次量子科技革命”完成了量子力學理論框架的構建，描述了量子力學的基本特徵，實現了量子力學與數學、化學、生物學和宇宙學的結合，同時為核武器、激光、晶體管等技術提供了理論依據。

“第二次量子科技革命”將量子力學的各種特性，如量子糾纏、量子疊加、非局域性、不可克隆性和量子測量等效應，應用在量物子計算機、量子算法、量子傳感器、量子通信及量子計算與仿真集等高科技中。“第二次量子科技革命”的靈敏度與功能大舉突破了“第一次量子科技革命”傳統科技的極限，進而開闢了未來量子科技的新疆界。

目前除中國和美國在積極競爭量子科技的領先地位外，歐洲和亞洲其他傳統科技強國也在積極追趕。更值得一提的是，有些科技新興國家也勇於參與，目前量子科技雖有領先者，然而所有參與者都離起跑線不遠，因此“換道超車”遠比在半導體科技領域更有機會。

問：第二次量子科技革命有哪些重點研發方向?

張慶瑞：目前的世界趨勢是，量子科技革命有以下四大研發方向。其一是量子計算機，提供可編程的通用型計算機，利用量子疊加和糾纏態的優勢，解決經典計算機無法處理的特定難題。其二是量子計算，利用量子計算機來仿真自然界的複雜量子多體系統的反應，例如材料特性及化學反應，也可用於解決基礎科學、材料發展、量子化學及產業界遇到的各類問題。當然，社會中的海量數據的優化問題也是量子計算的重點方向。其三是量子通信，可防竊聽，以量子的不可克隆等特性進行計算、編碼和信息傳輸以建立安全的通信網絡，主要技術包括量子密鑰分配、量子隱形傳輸、量子安全直接通信等。其四是量子精密測量，也就是量子傳感器。利用量子疊加及量子糾纏開發新型量子感測組件，由於量子態對外界環境變能極其敏感，量子傳感器的靈敏度及分辨率均可大幅突破經典極限。量子傳感技術應用極廣，在聲、光、力、電、熱各種領域都能發揮極大作用。

問：這四個研發方向成熟之後，是否會形成您書中所説的量子物聯網，人們的生活會是怎麼樣的?

張慶瑞：是的，以上四大量子科技都發展成熟後，就可以結合在一起成為量子物聯網。量子物聯網將比現在的物聯網更敏感、更快速、更聰明且高效。量子物聯網上的量子技術可以提升計算能力，加強實時分析和優化速度，而防竊聽的量子網則是量子物聯網安全傳輸的最佳保證。

人們在量子物聯網上是安全的，沒人可以去竊密。量子物聯網是第二次量子科技革命所有技術的大一統，是量子信息傳輸和儲存的平台，是絕對安全的量子密碼的交換管道，它還能組建一台世界性原子鐘，重新定義時間同步性，是實現量子云計算的方式，全球所有地方的用户都可以通過量子互聯網而彼此糾纏，這其中的各種應用有無窮的想象空間與寬廣的未來。

前景與建議：再建量子時代的“漢唐盛世”

問：對於加強量子科技教育，培養量子公民方面您有何建議?

張慶瑞：在量子教育規劃方面，目前全世界只有美國有較前瞻且全面性的做法。從嬰幼兒的量子童話故事開始，過渡到青少年的量子科幻電影與量子游戲，全面培養量子時代的公民該有的量子常識。高中之後，進階科學教育的培訓與大學量子教育的結合，以及完整地架構量子知識，培養量子時代所需要的科學家與工程師。這個方面值得我們借鑑。

問：對量子科技市場您怎麼看?下一個量子谷會出現在哪裏?

張慶瑞：量子科技市場目前已經儼然形成“淘金熱”，國家資源、風險投資與人力快速投入這熱力四射的新興科技市場，下一個量子谷會在何處出現，將很快明朗。芝加哥宣稱要成為美國的量子谷，取代硅谷成為新世代的量子科技重鎮。加拿大滑鐵盧也在推動量子谷建設，荷蘭的量子三角洲，中國安徽的量子大道上的以國盾量子、本源量子與國儀量影的續集子領軍的量子園區，德國慕尼黑的量子谷，這些都展現了世界各地形成量子產業聚落的意願與爭取世界資源的強烈信心。

問：您如何看待量子科技競爭中中國的前景?

張慶瑞：量子科技絕不是一場短期的國與國之間的競爭，而是長期的人類與自然的集體競爭。中國在全球強力競爭的環境下，如何建立“八百科技鐵騎”，突破全球科技封鎖，再建量子時代的“漢唐盛世”，是所有當代中國人的責任。後硅谷時代，如何能集結全國科技力量，在“第二次量子科技革命”的隱形科技競爭中，進行新形態的無煙火的比拼，在全球競逐量子霸權的氛圍下，如何維持中國的量子主權，進而決戰量子谷，將是這一代中國人無法避免的歷史責任與宿命。

中國目前迫切需要政府和企業加強投入，培訓大量人才，率先凝聚產學研的研發能量，集中民間的金融投資動能，擇定中國發展與參與的重點方向，爭取在後硅谷時代進化成量子生產鏈結構的世界領導者。

後記：“量子固自然，功能蓋古今”一句，筆者十分激賞。在本文成文之際，張院士擴為全詩，相贈筆者。有詩為證：量子固自然，功能蓋古今。鐵騎誰科技，炎黃代代身。縱橫西夏地，糾繞漢唐心。逐鹿五千載，終成九鼎金。

（本文已全文刊載於《國際人才交流》雜誌2023年第6期）

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成立了國內唯一的外教人才專業委員會、來華留學人才專業委員會，建設了“國際友人之家”，獲准承建了北京市首家“外國專家書屋”，不斷優化外國專家國際友人在華工作和生活環境，在新冠疫情期間及時為他們提供有温度的人文關懷服務。

創辦舉辦了“聚英”論壇暨環球英才峯會、全球院士科技創新與合作論壇、“我與外教”全國徵文大賽暨“外教看中國”攝影展評活動，以及“國際名師講堂”“高端專家講座”等，得到國家和北京市人才、科技等部門單位肯定和支持。2022年12月27日獲得“聯合國經社理事會特別諮商地位”。