潘建偉：從墨子、牛頓到量子力學，人類追問宇宙本源的千年之旅 | 星聚墨子（1）

　　“‘探索的動機’，是說人類一直在追尋這個問題的答案——我們從何而來，我們的未來是怎么樣的？”

　　2016年，墨子沙龍創辦第一期之時，邀請中國科學技術大學潘建偉院士親自作報告。潘建偉院士以“科學視角下的人類起源”為題，引領觀眾踏上溯源與思考的旅程，在科學的星空下點亮第一束光。次年盛夏，他再度登臺，以“探索的動機”叩問科學初心，喚醒無數好奇與熱忱。

　　轉眼已至十周年。讓我們一同回到故事開始的地方，重溫那些照亮過我們的思想火光，再次走過墨子沙龍這十年——漫長而浪漫的科學來時路。

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　　第一部分

　　“探索的動機”：從科學的角度看人類起源

　　說到“探索的動機”，人類一直希望通過理解我們是怎么來，我們的未來是怎么樣的，來尋找一種安全感。但是在過去，因為沒有科學，宗教成為人類思想的天堂。而這經過幾千年的知識積累之后，隨著科學的出現，發生了很大改變。

　　我們今天相聚在“墨子沙龍”。墨子，又稱“科圣”，他代表了一種科學的勝利。我們更多熟悉墨子兼愛非攻的理論，其實他在科學上也有很大成就。墨子是世界人類文明史上第一個證明光沿著直線行走的人。同時，他提出“端，體之無序而最前者也。端，是無同也。”無序指沒有方向，這句話是說，一個物體的任何邊緣最前處（相當于點）都可以構成“端”。這段話里已經有早期原子概念的雛形。他還說過“止，已久也，無久之不止”，他認為，如果沒有阻力的話，物體會永遠地運動下去。墨子的存在，證明中國在古代已經有很多偉大的科學家，而他提出的很多理論，經過上千年才被西方世界重新發現。

　　▲2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉發射升空。（圖片來源：中國科學院）

　　伽利略偶然把玻璃片做成望遠鏡去看太空，他看到了土星環。這代表著人可以制造工具去探索整個宇宙。到1687年，牛頓在很多前人知識的基礎之上，發表了一部專著叫作《自然哲學的數學原理》，改變了整個人類的進程。

　　
▲《自然哲學的數學原理》拉丁版封面(1687)。（圖片來源：wikipedia）

　　我們平時所談論的星星的旋轉等規律，都是由牛頓定律所統治的。這批科學發現，是巨大的思想解放，是物理學的力與美的證明，我們由此知道，我們只不過是這個星系當中的很小的一部分。

　　后來，美國人本杰明·富蘭克林通過風箏實驗發現天上的閃電與地上的電性質相同。邁克爾·法拉第發現了電磁感應現象，現代發電技術正是基于此原理將動能轉化為電能。1864年，英國人麥克斯韋提出電磁場動力學理論，統一解釋了電磁波規律，并預言光是一種電磁波。

　　但一直到此時，人類還沒有回能夠回答前面提出的，從哪里來，到哪里去的問題。如果所有的粒子只要初始狀態決定好，其未來運動狀態都可以用前面這幾個方程來精確預言。那么就是說，宇宙在剛剛開始時就已經決定好了，也就是說一切事件，包括我們今天的論壇都是早已確定好的，個人的努力毫無意義。那么這個宇宙到底從何而來呢？

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　　第二部分

　　信息交互與人類發展的關系

　　到了上世紀初，出現了兩位偉大的科學家。一位叫弗蘭克，提出了量子論，他說所有微觀世界的規律都是由量子論所控。一位是愛因斯坦，他提出了相對論，他說時間和空間的規律都是由相對論所描述。當我們把量子力學和相對論兩個理論結合在一起時，我們居然能夠來初步回答宇宙的起源與演化，這兩個理論結合后形成一個大統一理論，可稱為大爆炸理論。它揭示出，宇宙的誕生和地球的形成是一個非常復雜的過程。

　　▲左：2019年7月，英國格拉斯哥大學的物理學家保羅-安托萬·莫羅（Paul-Antoine Moreau）帶領團隊首次拍攝到量子糾纏影像；右：2019年4月，事件視界望遠鏡（EHT）國際合作項目首次拍攝到黑洞影像。

　　這些科學發現告訴我們，人對整個世界的演化，是有影響的。不同于牛頓力學，量子力學，是非常積極的。

　　量子是物理學的概念，作為不可再分割的基本個體，用來形容微觀世界的一種傾向，物質或粒子的能量都傾向于不連續的變化，即事物不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態。

　　大家一定讀過吳承恩的《西游記》，在《西游記》里他有許多無限的想象，比如孫悟空，他猴毛一拔可以有分身術、筋斗云，使這個人在各個地方都存在，而在量子物理的世界里，孫悟空的分身術是存在的。

　　舉個例子，我要從德國柏林飛到中國北京，飛機有兩種飛行路線，一條是柏林-中轉莫斯科-到北京，另一條是柏林-中轉新加坡-到北京，如果我在飛機上睡著了，那么我不知道飛機到底是從莫斯科中轉還是在新加坡中轉，這時，用量子力學看世界的我會說“我現在同時在莫斯科和新加坡”，也就是量子的疊加態；而當我睜開眼睛看的時候，我才知道到底是從莫斯科中轉還是從新加坡中轉，這也正是量子力學的積極哲學，“看到即改變”，當你把視線關注到量子的運動軌跡，其狀態就會隨之發生。

　　一個粒子可以處于兩個狀態的疊加。兩個粒子也可以處于一種非常奇怪的狀態的疊加。這樣一種現象叫作量子糾纏。或者從不太嚴格的意義上講，甚至可以把它叫作“遙遠地點之間的心電感應”。利用這個，量子通信就誕生了，它在原理上可以實現無條件安全的通信。

　　在信息科技發展過程中，我們已經遇到了計算能力的瓶頸。在大數據時代，每天產生大量的數據對超級計算機的能耗也帶來了更高的要求。同時整個網絡社會面臨著各種各樣的竊聽和黑色攻擊，RSA加密算法陸續被破解。我們的社會要往前進步，就必須要解決這些難題。而量子力學，就是上世紀初建立起來，經過近百年發展，可解決這些重大問題的學科。

　　我們可以來構造一種非常強大的量子計算機，可以讓我們通過量子計算，在大數據爆炸時代，把有效的知識給提取出來。從這個角度上講，科學不僅能給人類帶來心靈的自由和安寧，還保證了思想的獨立。

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　　第三部分

　　量子通信與量子計算

　　目前我們對世界的認識也許只有一種，但是隨著量子科學的研究深入開展，會有更多知識產生，幫助我們理解世界。就像我前文提到的，孫悟空的筋斗云，世界上是否真的有這種法術存在呢？

　　舉個例子，我從北京回來帶了一些禮物，禮物裝在保險箱里，但我把鑰匙忘在了北京。如果這把鑰匙和我們日常用的鑰匙是一樣的，我可以給北京的同事打電話，要求他把鑰匙掃描一下，把這些信息發到上海，找鎖匠造一把一模一樣的鑰匙，打開保險箱。但這把鑰匙內部還有其他信息，只靠形狀的信息是不夠的，還需要內部0+1、0-1的信息，我又不能測量，因為一測量它的狀態就改變了，從北京找人送過來時間又過長，該怎么辦呢？

　　1993年，幾位美國科學家認為，利用愛因斯坦的量子糾纏原理，我們不用測量也可以獲得這把鑰匙。假定這把鑰匙在北京和上海之間有很多糾纏的粒子。 我們將糾纏物質和里面的鑰匙做一個操作，使他們處于糾纏態，得到一些數據，通過無線電將這些數據從北京傳到上海，由上海的機器對這些數據做出處理，就可以在上海把鑰匙重新構造出來。理論上這是可以實現的。這不是復制，為了把這把鑰匙從北京傳到上海，必須先把北京的鑰匙摧毀掉，摧毀掉后它的信息全轉到上海，和以前北京這個鑰匙是一樣的。

　　也許我們想要實現人的時空傳送，還需要很多很多年的努力，但我想告訴大家的是，我們已經證明，在量子世界里，“筋斗云”是存在的。

　　▲電影《星際穿越》劇照。目前的量子物理學并沒有禁止人類利用量子糾纏進行星際穿越。（圖片來源：豆瓣）

　　很多年前我們在因斯布魯克做了第一個實驗后，在國際上引起了比較大的轟動。[1]在1997年的實驗中，我們只能傳送1個粒子，而當科學技術可以達到輸送一兩百個粒子時，我們就可以做一個分布式量子信息處理網絡的基本單元。有了這樣的網絡，我們就可以進行量子計算。

　　我們可以用量子計算來做一些比較簡單的事情，比如對很大的數字進行分解，比如6等于3乘2，9等于3乘3，如果這個數有300位，一臺每秒鐘可以算10000億次的計算機，大概需要15萬年的時間。但是量子計算機一秒鐘就可以。這將從本質上大大改變我們的計算形式。另外，當計算形式得到迅猛發展的時候，它還可以用于大數據，人工智能等領域。

　　▲2025年，中國科學技術大學團隊成功構建了105比特（包含105個可讀取比特和182個耦合比特）超導量子計算原型機“祖沖之三號”，實現了對“量子隨機線路采樣”任務的快速求解。（圖片來源：墨子沙龍）

　　科學的發展會對我們帶來巨大的改變，一方面，量子通訊可以幫助保護人類安全，另一方面，量子計算機可以應用于密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析等領域。量子計算目前的進展是非常快的，我們計劃用十年左右的時間，建成一個天地一體的全球化的量子通信基礎設施，在這個基礎之上，我們會擁有有安全保障的未來互聯網。

　　宇宙進化出人類，是萬物的精靈，能夠感受世界之美，世界的存在。世界為何如此存在，我們還不清楚，還需要去研究。但是不管怎么樣，用愛因斯坦的話來說，“在科學的殿堂里有一類人，希望對這個宇宙進行探索，進行凝視，進行思索，能夠找到這樣一些先天和諧的規律。”在了解了這些規律之后，人就會擁有智慧，不再困惑，不再為自己在宇宙中的存在感到不安。

　　[1] 1997年，潘建偉和奧地利的同事們首次實現了獨立光子偏振態的量子隱形傳態的實驗驗證，這個成果被公認為量子信息實驗領域的開山之作。

　　文字整理：詩學