量子力學的建立使人類對世界的認識從宏觀深入到微觀
記者：量子科技大家都非常關注，黨的十九屆五中全會《建議》在「十四五」規劃和2035年遠景目標中特別提到了量子科技的發展。能不能請您對我們的讀者再科普一下，量子科技最本質的特點是什麼？
薛其坤：量子科技的核心要義，可以比較著去理解。宏觀世界物體的運動規律遵從牛頓運動規律。大家都知道牛頓力學，如果我們知道了一個物體的初始狀態和受力情況，通過求解牛頓第二定律方程就可以測定這個物體未來的狀態，即任何一個時刻的位置、速度等狀態參數。以火箭為例，如果知道了推力的大小和方向，我們就可以精確地計算出在未來某一個時刻這個火箭的位置，速度有多快等信息，這是人類利用牛頓力學控制物體運動狀態和發展高技術的一個典型例子。
從本質上講，量子力學是關於微觀世界物體運動規律的一門學問。
物質是由原子組成的，原子由原子核和繞原子核運動的電子組成，原子核則由質子和中子組成。這些微觀粒子是用肉眼看不到的。它們的運動規律和宏觀物體遵從的牛頓力學等是不一樣的：比如說，我們不能同時精確測量它的位置和它的速度，這就是微觀粒子遵從的測不準原理。而宏觀物體，我們既可以精確測定它的位置，同時也能精確地測定它的速度。另外，微觀粒子具有波的性質。比如，一個小球是一個粒子，手機用的信號是無線電波，粒子和波是兩類完全不同的東西。而在微觀世界，比如電子，它既像小球，是個粒子，但同時它又和電磁波一樣，具有波的性質，具有波粒二象性。描述微觀粒子的運動狀態和運動規律的學問，就是量子力學。上面提到的測不準原理和波粒二象性是量子力學的一些基本概念，這些概念很難用常識去理解。
量子力學的發展歷程比較漫長，已經有110多年的歷史了。衛星從地球的某一個位置到達月球附近，其運動的軌跡在大家印象中是連續的。但是在量子力學中，描述粒子狀態的物理量的取值是不連續的，像臺階一樣。不連續的最小間隔，實際上就對應量子的概念。這個量子概念，是100多年前德國科學家馬克斯·普朗克提出來的。
量子力學的建立使人類對世界的認識從宏觀深入到微觀，是近400年現代科學發展史上一個革命性飛躍。20世紀有3個重大科學發現，即相對論、量子力學和DNA，所以量子力學是公認的上世紀最偉大的科學發現之一。
有了量子力學理論的突破，全新的量子技術也隨之逐漸誕生。上世紀50年代，人們在量子力學的基礎上發明了電晶體，有了電子電晶體或半導體電晶體，後來就有了電子計算機，有了網際網路，有了今天的信息社會。可以說，通過對微觀世界的研究，人們在上世紀不但建立了量子力學，而且在量子力學基礎上，發展了現在的信息技術。目前信息技術時代的科學基礎，就是量子力學，可被稱為量子科技第一時代。
薛其坤院士在實驗室研究量子材料研發技術。（資料照片）
第二次量子革命是我國幾百年來第一次有能力有基礎全面介入和參與的一次技術革命
記者：也就是說，如果沒有當時的革命性的發現，就沒有現在的網際網路。
薛其坤：是的，沒有量子力學，就沒有電子計算機，沒有電子計算機，也就談不上網際網路。量子力學的發展導致了半導體電晶體的發明、電子計算機的發明、雷射的發明，就有了光纖通信。集成電路有了，手機晶片有了，就有了移動通信。這個邏輯關係是非常清楚的。
量子技術直接應用的例子就是全球定位系統。無論是美國的GPS還是中國的北鬥系統，它依賴的最根本技術就是對時間的精確測量技術。大家熟知的石英鐘，1年誤差1秒左右。上世紀五六十年代，美國發展出基於量子技術的原子鐘，達到了幾百萬年誤差僅為1秒的測量精度。為什麼這對全球定位系統起到最關鍵的作用呢？要衛星定位一輛車在什麼地方，需要利用三四顆衛星通過電磁波精確測量車與衛星的距離，從而實現定位。當車移動1米的時候，這個移動引起的電磁波傳播時間變化是很小很小的，因為電磁波是以光速傳播的，約等於每秒30萬公裡。這個微小的時間變化，沒有精度高的時鐘是無法測量準確的。有了幾百萬年誤差只有一秒的原子鐘，全球定位系統的精度就能達到10米，甚至小於1米。這樣，就可以準確地測定車在哪裡，就有了準確的谷歌地圖、高德地圖等。時間的精確測量可以催生全新的技術，同樣，重量、長度等物理量的精確測量也類似，也會催生全新的技術產生。量子科學與技術的發展不但催生了全球定位系統的出現，很多其他先進的應用技術也都發展起來了。一系列量子技術的應用，開創了量子科技第一時代——現代資訊時代。
這些信息技術是在探究微觀世界科學研究基礎上發展起來的。在基礎研究過程中，我們先是發現新的量子現象和量子規律，然後再發展技術，即科學研究在先，技術發展在後。計算機硬碟是另一個例子。現在，一個計算機硬碟的存儲密度已經超過每平方英寸1T字節。1個T是多少呢？是10的12次方。這個硬碟技術是怎麼發現的？1988年至1989年，德國和法國的兩位科學家發現了巨磁阻效應，這是一個量子效應，可以用於探測非常微弱的磁信號。高密度信息儲存是靠微小的磁力指南針來實現的，小磁針越小，存儲密度就越高，但信號就越弱。發現了巨磁阻效應以後，人們就能探測非常小的磁針、非常弱的磁信號。這意味著，單位體積包含的用於存儲信息的小磁針密度就可以做得很高，那麼信息存儲量也就增加了，這就是今天硬碟技術的來源。我把這種從發現量子效應和量子規律去思考發展應用的過程叫被動模式。
到了本世紀，這種發展模式發生了一次重大跳躍。這個跳躍是什麼？是被動到主動的跳躍。通過過去100多年的研究，我們對量子世界、對微觀世界的理解已經比較深入和系統了，在此基礎上，我們可以主動設計原來自然界沒有的量子體系去發展應用。目前大家熟悉的量子通信和量子計算機，就是主動設計量子系統而發展信息技術應用的例子。這也是當前大家關注量子科技的重要原因。
我們現在用的是電子計算機，也許不久的將來，通用量子計算機將會得到普及。量子計算機是遵循量子規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理信息的物理裝置。與目前的計算機相比，量子計算機在信息存儲和運算等方面，具有冪指數或多項式加速等優勢。就像20年前的一個超級計算機，功能還不如現在一個手機晶片強大。一旦通用可糾錯量子計算機出現的時候，具有手機晶片性能而體積有一棟樓這麼大的電子計算機，可能都遠遠不如一個體積只有房間大小的量子計算機信息處理的能力強。這種通過主動設計量子系統而發展的信息技術，我們稱為第二代量子信息技術。
目前量子計算機和量子通信等第二代量子技術還處於發展的初期階段，離商用還有很長的路要走。眾所周知，我們國家在前三次工業革命中都沒有起到先導作用或深度參與過。第二次量子革命則是我國幾百年來第一次有能力有基礎全面介入和參與的一次技術革命，是中華民族在偉大復興進程中的一次重大機遇。
記者：太棒了！
薛其坤：這就是為什麼我國在「十四五」規劃和2035年遠景目標中要重點部署這個領域，下好這步先手棋。不管是以蒸汽機為代表的第一次工業革命，還是以電氣化為代表的第二次工業革命，我們國家基本都錯過了。以信息技術為代表的第三次工業革命，我們僅僅趕上了個尾巴，而且核心技術都不源於我國。從改革開放到現在，我們基本上都是在學習國外發明的技術，通過引進吸收再重新發展信息技術。所以，能夠在歷史上第一次同步參與一次技術革命的意義是非常大的，我認為這也是考驗我們中華民族智慧和能力的一次革命。
我國總體上處在量子科技第一方陣。現在一定要在基礎研究上保持定力
記者：我國在哪些方面已經取得主動？
薛其坤：量子信息技術包含三大領域，即量子計算機、量子和量子精密測量／傳感。儘管我國原創的技術很少，但在量子計算和量子精密測量上，我國還沒有與西方國家形成代差，在量子通信上我國在規模和應用探索方面有優勢，例如墨子量子衛星的發射。在相關基礎研究上，我國總體上處於世界第一方陣。
記者：沒有代際的區別，這是非常重要的。是不是也可以說我國處在量子科技第一方陣呢？
薛其坤：是的，我覺得用處於第一方陣來描述基本上是正確的。
記者：現在還有哪些國家處在第一方陣？
薛其坤：我們傳統認識上的G7（美國、英國、加拿大、法國、德國、義大利、日本）。總體來講，美國的領域最全面，最關鍵技術領先，綜合實力最強。
記者：我國目前的短板是哪些？
薛其坤：第一，量子技術的人才儲備不足。因為這個技術比較尖端，很長時間都處在基礎研究階段，近20年，我國基礎研究才得到快速發展。人才培養需要時間，不管是量子科技所有領域的人才團隊規模，還是傑出的科學家群體，我們都是不足的。第二，一些基本的材料比如關鍵的元器件和設備仍然依賴進口。和其他領域類似，我們科研人員做量子科技實驗，還要依賴部分進口設備，還需要解決完全自主化問題。但是從時代發展來講，我們基本上達到了在同一個平臺競爭的階段。
記者：我們如果要真正實現經濟高質量發展，這一領域的基礎性研究非常重要。
薛其坤：你講得非常好。實際上，基礎研究的人才培養，需要很長時間，發展基礎研究也是如此。現在一定要保持定力。中華民族的偉大復興，也意味著科學的復興，我們要對世界科學作出貢獻，對人類科學作出貢獻。習近平總書記多次強調基礎研究，重視基礎研究。我認為，習近平總書記是從中華民族偉大復興和打造人類命運共同體兩方面指出它的重要性。通過科學技術的發展，不僅讓我們國家更強大，也為創造人類未來更美好的生活發揮作用。打造人類命運共同體，科學共同體應該是其中的一個部分。
薛其坤院士在清華大學物理系辦公室。（資料照片）
建設一所有中國特色的世界一流研究型大學，培養世界一流人才
記者：您講了一個特別重要的問題，如果我們要在科學技術上保持先進，我們的思想文化支撐是非常重要的。您不久前履新到了南方科技大學，深圳改革開放已走過40年的歷程，南科大也已成立10周年，在這個特別的時間節點，您會怎樣建設南科大？
薛其坤：在深圳經濟特區建設40周年紀念大會上，深圳被列為中國特色社會主義先行示範區，進入了特區發展的新時期。要把先行示範區建設好，除了工業的進步、經濟的發展、社會的繁榮以外，培養人才、高等教育的發展也是非常重要的。
南方科技大學成立時間短，僅有10年，被教育部定為高等教育綜合改革試驗校。南科大的改革，首先應該契合先行示範區和粵港澳大灣區規劃的需要。南科大發展得好，會對先行示範區的建成起到重要推動作用。我的基本想法是，怎麼在中國特色社會主義先行示範區建設一所有中國特色的世界一流研究型大學，培養世界一流人才。這是我擔負的重任，是我需要認真思考的重大問題。
營造小朋友把成為科學家作為理想的濃厚氛圍
記者：您是我國科學家的優秀代表，您想對青年學生說些什麼？
薛其坤：大家生活在資訊時代，先進的現代技術讓我們生活很便捷，但它是怎麼來的呢？要靠科學進步、技術發展。中華民族要實現偉大復興，百姓要過上更美好的生活，科學的進步和技術的發展非常重要。我衷心希望有更多優秀的年輕人能留在科學界，留在基礎研究領域，留在高技術發展領域，潛心鑽研。希望小朋友熱愛科學，把成為科學家作為自己未來的理想。
記者：我小時候的理想就是成為居裡夫人那樣的科學家。
薛其坤：是的，現在要通過體制機制創新，營造小朋友把成為科學家作為理想的濃厚氛圍，為他們成為科學家創造條件。
記者：我想您會給南科大的師生們提供好的環境，因為您理解他們。
薛其坤：我會朝著這個方向努力。我會向師生們學習、向國內外同行學習、向歷史學習，立足深圳、胸懷祖國、面向世界、面向未來、認真思考，爭取在建設新時代世界一流大學方面闖出一條「南科大之路」。（經濟日報記者 徐立京）