量子力學能夠解釋意識的起源?

潘建偉院士在工作中。圖片來源：中國網新聞中心

非常高興今天能夠有機會給大家介紹我們的工作。我今天報告的題目就叫做「漫話量子」。2016年8月16日，「墨子號」量子星在九泉衛星發射中心成功發射升空。

現在看發射時的錄像感覺很輕鬆，但其實在發射前的30秒，我自己也是雙掌合十。儘管沒念阿彌陀佛，但是也在說老天保佑，希望我們的衛星能夠成功地進入太空。後來在9月15日，「天宮二號」又在九泉衛星發射中心成功發射了。 

「天宮二號」也搭載了我們空地量子密鑰分配裝置。大家可能會覺得奇怪，為什麼我們在一個月裡面連續發射了兩個和量子相關的載荷火箭，發射之後又出現了什麼樣的情景？

我們對發射前後相關的報導做了一個簡單的收集。我們發現墨子號衛星發射之後，不僅受到了國內廣泛的關注，還受到了國際上廣泛的關注。比如美國的《紐約時報》，英國的《新科學家》、《BBC》和《金融時報》等等，基本上國際上比較有影響的媒體，都對我們中國成功發射的量子衛星進行了報導。今年年底英國《自然》雜誌評選的2016年度國際的重大科學事件中，量子星發射與引力波的發現等重大科技成果一起入選。幾乎同時，《科學美國人》也評選了2016年度改變世界的十大技術，其中也有量子衛星發射。我仔細看了這十項技術包括什麼，發現這裡面只有量子星技術是來自於美國本土之外的創新性科技成果。

其實量子衛星的發射具有標誌性的意義，就是希望能夠讓中國重新回到科技創新一個國際的頂峰上面去。 

選「墨子號」這個名字，是因為墨子是中國歷史上的第一位科聖。墨子生活在2400年前，他主張「兼愛、非攻」，也就是平等、博愛、反對戰爭。墨子在《墨經》裡面提到「端，體之無序而最前者也」。這個「端」指的是小顆粒，是組成所有物質的最基本的單位。從這個含義上講，墨子是所有科學家裡面最早提出原子概念雛形的人。與他同時期的希臘的科學家、哲學家德謨克利特也提出了相同的觀點。

此外他在《墨經》裡面還提到「止，以久也，無久之不止」。久是力的意思。這句話說的是一個物體之所以會停下來，主要因為受到力的作用，如果說沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的。這與我們在高中學到的牛頓慣性定律是完全一樣的。但是與墨子同時期的著名哲學家亞里斯多德卻說，如果一個物體不受到力的作用就會停下來。後來牛頓提出慣性定律精確的表達形式，否定了亞里斯多德的觀點。而早在2000多年之前，我們中國就已經有一位偉大的科學家提出了非常基本的物理學概念。 

我們經常有一種想法，認為中國人也許不適合來做科學。我們當時取「墨子星」這個名字，就是想告訴大家：我們中國人不僅其他事情可以做得很好，科學也可以做得很好。 

此外，墨子還有一個很重要的工作與「量子星」的工作是緊密聯繫在一起的。現在我們都知道光線是沿著直線傳播，但是在古時候這個事情並不清楚。如何通過一個實驗來證明光是沿著直線傳播的呢？墨子在2000多年之前就做過一個小孔成像實驗。他站在門外面，門上挖一個小孔，門裡面有一面牆，結果發現牆上的影子是倒過來的。我們知道光只有沿著直線傳播才會發生這種現象。所以，我們將世界上首顆「量子星」取名為「墨子號」，一方面是為了紀念墨子在我們中國科學方面所取得的一些重大的進步，同時也為了紀念他在光學方面取得的一些成就。

其實「量子星」有一個非常有意思的、有代表性的意義。正如2016年年底《華爾街日報》發表的一篇文章所說，在沉寂了1000年之後，中國發誓要回到發明創新之巔。「墨子號」的發射，確實在社會上取得了一些良好反響。這麼一顆有影響的衛星它到底是什麼東西呢？為什麼會引起如此廣泛的國際關注呢？下面我會簡要地介紹一下量子的基本概念。 

其實量子非常簡單。比如說我有一杯水，把這杯水不斷地細分之後用放大鏡看，能看到水是由一顆顆小顆粒組成的。我們把這樣的小顆粒叫做水分子，水分子是水的最小顆粒。又比如你把一塊金屬鐵不斷切開，最後會變成一個個鐵原子。光也是這樣，也是由很多小顆粒組成。比如一個15瓦的電燈泡，它大概每秒會發射出1018個小顆粒，這些小顆粒就叫做光子。像分子、原子、光子這樣構成物質世界的最基本單元就叫做量子。

所以量子其實很簡單。我們每天都大把大把地吃進量子；光照過來，好多光子打到你身上，那是無窮多的量子。這些小顆粒不能被繼續割，不存在二分之一的水分子，二分之一的光子，二分之一的鐵原子，因為它是構成物質的最基本的單元。這就是量子。

量子有一個非常奇怪的特徵。大家在《西遊記》裡可能看到過，孫悟空的毫毛一抓，一吹，孫悟空就可以在不同的地方出現。雖然日常生活中沒有遇到過這樣的事，但在量子世界卻有這樣的概念。

經典物理世界裡面的人，要麼在這裡，要麼就在那裡。也就是說我在上海就不可能在北京，在北京就不可能在上海。所以在某一個時間裡面我只能在某一個地方。量子世界中則不一樣，在某些特定的情況下，如果整個宇宙中沒有人或儀器知道你在哪裡的時候，那麼你就可以在所有的地方。這是什麼意思呢？這裡舉一個簡單的例子。

假設我坐飛機從法蘭克福飛回上海。從法蘭克福到上海有兩條航線，分別途徑莫斯科和新加坡。路上因為太累，我就在飛機上睡著了，所以不知道我是（途經）哪個地方飛回來的。到了上海之後，我的同事陳宇翱到機場接我的時候問：「潘老師你這次是從哪邊過來的？」莫斯科在下大雪，途徑那裡會覺得非常冷，而新加坡地處熱帶，從那裡經過會覺得熱。此時我不知道自己經過了哪裡，所以我感到又冷又熱。陳宇翱說你肯定是累得發生了錯覺，下次你坐飛機不要睡覺（要看看到底從哪邊過來的）。 

後來我坐了一萬次飛機，每次都睜大眼睛看我是從哪條路上回來的。結果發現，我要麼非常熱，要麼非常冷——我總是從某一邊過來的。於是我很放心，以後坐飛機又睡覺了，結果我到達上海之後再次感到又冷又熱。也許你會覺得這是胡說，因為你坐飛機也經常睡覺，但是從來沒有發生過這樣的現象。

（從量子物理的角度解釋）這是因為你雖然睡覺了，但你旁邊的人是醒著的。就算你旁邊的人也睡了，飛行員還醒著。即使飛行員都睡著了，地面上的雷達還在看。而在我的經歷中，整個宇宙中沒有任何一臺儀器能夠告訴我，我是在哪個地方。這時候就會發生又冷又熱的現象。

類似的情況在微觀世界中經常發生，而宏觀世界中不多見。因為一個物體在宏觀世界中運動的時候，周圍有很多觀察者在探測你的軌跡。但是當微觀中一個原子運動的時候，由於周圍是真空，沒有儀器測量它處於什麼狀態。這時這個原子就會出現在任何一個地方。這樣的分析在微觀世界裡面是成立的，已經被無數實驗證實了。

這告訴我們：量子客體的狀態會被我們的測量影響。也就是說，你決定是不是睜開眼睛去看，會影響飛機這麼大一個客體到底是同時處於兩個地方，還是只在某個地方。你輕輕地睜一下眼睛，這個世界就發生了變化。

如果你仔細地去想一想，會發現其實這個道理很深刻。在牛頓力學裡有個定理F=MA，通過它可以計算出粒子什麼時候會運動到什麼地方，什麼時候會碰到什麼地方，什麼時候轉回來，甚至連行星的軌道都是可以計算出來。所以牛頓力學告訴我們，一旦一個物體的初始狀態確定了，根據牛頓力學，所有粒子的未來運動狀態都是可以精確預言的。就好比說在座的各位什麼時候死，誰會成為教授，誰會成為總統，與跟我們個人奮鬥並不相關聯，是早就已經決定好的。這是牛頓力學告訴我們的結論。 

牛頓力學一方面讓我們雄心勃勃，因為凡人也可以預言神聖星星的軌道，但另一方面又告訴我們人是宿命的，奮鬥毫無意義。然而量子力學卻說，當你決定睜開眼睛看一看這個世界的時候，這個世界已經被你影響，變得跟原來完全不同。從這個角度上講，它的哲學意義是非常積極的。

量子力學還有一個非常積極的地方，是跟一個與我們息息相關的目標聯繫在一起的。在這之前，我想進一步介紹一下它的另一個物理性質。 

前面我只是講了量子力學的基本原理，量子是最小的顆粒，如果你不再看它的時候，它可以在任何一個地方。如果把這個小小的體系用到信息系統裡面去的時候會如何呢？比如說有一隻貓，它在日常的情況下能處在死和活兩個狀態，但是在量子世界裡，它可以處於死和活兩個狀態的相干疊加。將死和活這兩個狀態分別對應0和1，就可以將狀態處理成信息。當死和活的狀態變來變去的時候，信息就會發生變化。 

在量子世界裡，因為信息處於0和1狀態的疊加。這時如果你去看信息的內容，就會對這個狀態產生影響。所以這個狀態是永遠測不準的，也就不能被精確地複製。

當我們把這樣一個單粒子的體系拓展到兩粒子體系的時候，一種更奇怪的現象就發生了，我們稱其為量子糾纏。

一隻貓可以處於死和活狀態的相關疊加，如果有兩隻貓的話，是不是可以處於這樣一種活活和死死狀態的疊加呢？量子力學是允許的，這種狀態是什麼意思呢？ 

如果我給在座的各位一個禮物——兩個糾纏骰子中的一個，你回家後去扔骰子會隨機地得到一串結果。我雖然沒看到你的結果是什麼，但我可以通過自己保留的另一個骰子猜到，為什麼呢？因為這兩個骰子是糾纏在一起的，你扔出3的話，我這裡也是3，你那裡是2，我這裡也是2。

處於糾纏的兩個客體，不管它們相距多麼遙遠，其中一個狀態發生變化，另外一個狀態也會發生相應的變化。我們把這種東西就叫做「遙遠地點之間的詭異互動」。

人類一直對一些問題特別感興趣，比如我們從哪裡來，我們會到哪裡去。有了量子力學的基本概念之後，我們就能夠對這些問題做出回答，而這是牛頓力學做不到的。為什麼牛頓晚年信仰宗教，因為他的理論能夠解釋軌道為什麼這麼轉，周期是多少，但無法解釋為什麼這個宇宙本來會動起來，為什麼星星會開始運動起來，所以他假定是上帝在推動。在他的理論裡面時間是均勻流逝且無窮無盡的，空間也是均勻而無限大的。

但是有了量子力學之後，我們把量子力學和相對論結合在一起就可以來建立一種理論，叫大爆炸理論。根據大爆炸理論，宇宙是誕生於15億年前一個基點的爆炸，而這個爆炸是由於量子漲落產生的。大爆炸時溫度高達幾億度，所以只有質子、中子、光子、電子；幾分鐘之後才會有氫、氘、氦元素的形成；30萬年之後，才有原子形成；億年之後才會形成恆星。宇宙經過100億年的懷孕之後，我們的太陽系才正式誕生。太陽系形成之後，地球等行星慢慢形成穩定的結構，又經過幾十億年的進化，才慢慢進化出現在的人類。

引力波的預言證實之後，《紐約客》曾報導說：「十幾億年前，兩個黑洞發生了碰撞，釋放出引力波。大概在五萬年前，引力波到達了我們的銀河系，這個時候我們的智人開始取代其近親尼安德特人，成為地球上最主要的人猿。100年前，愛因斯坦——靈長類物種中進化的最先進的人類的一員——預言了引力波的存在。」2016年，我們終於探測到了引力波的存在。我想說，正是因為近代科學的發展，我們才能夠回答宇宙是怎麼起源的、怎麼演化的問題。

宇宙中生命進化出來需要非常長的時間。宇宙到底有多大呢？我們來做個統計，銀河系中有數千億顆恆星，在可見宇宙裡面又有數千億個銀河系，如果我們的生命在整個宇宙中是唯一的（因為這種進化出來的概率是非常小的），那麼我們今天坐在一起交流思想就是很大的緣分。

2001年，我在普林斯頓參加了著名科學家惠勒90歲生日，他在送我的一本書裡面專門畫了「回頭看宇宙」的圖。他認為這個宇宙非常奇怪，它本來是沒有生命的，之後慢慢地進化出人類（也就是這隻眼睛）可以回過來看看這個母親到底是什麼樣的。這就是我們整個宇宙的進化史，非常有意思。

為什麼我們人會有意識？到目前為止我們還不清楚，還需要做進一步的研究。正因為有量子力學這些非常基礎的研究，我們才能夠回答宇宙是如何誕生的、如何進化的。對看似與生活沒有直接關係的課題進行研究，卻可以給我們的生活帶來巨大的變化。

當我們將量子的兩個狀態編碼成信息的時候，一個新的學科「量子信息」就誕生了。它可以被用作高安全性的量子通信，可以進行超高速的量子計算與模擬，也可以進行高度精密的量子精密測量。這些都是這個領域相關的先驅。

量子通信利用單光子不可以再分割，也不能再進行測量的特性。當張三給李四發密鑰，中間有竊聽者既不能將信息分割獲取其中的一部分，也不能拍照，因為拍照會對信息狀態產生影響。通過這樣的方式，張三和李四之間就可以建立一種原理上無條件安全的通信方式，這種通信方式一旦有竊聽就會被發現，而且以這樣的形式產生的密鑰是不可破解的。這是量子研究的第一個比較有趣的應用。

量子的另一個應用有點像《西遊記》裡孫悟空的筋鬥雲。假設我要從北京到上海，由於時間的關係坐飛機過來已經來不及了。按照量子力學的原理，如果北京和上海之間有這麼一團糾纏物質的話，可以把我和這一團北京的糾纏物質做一個測量，測量完之後「我」就變成一堆原始的物質，比如一堆水分子等等，於是得到一組數據，這些數據代表了「我」的全部信息，之後把這個信息通過無線電臺發到上海，在上海的實驗艙裡對「我」進行操作，就可以把我在上海一模一樣地重構出來，也許你會說這怎麼可能呢？那不是複製了嘛。

但這不是一個複製品。因為我在上海做操作的時候，北京的潘建偉已經還原為原始物質，沒有關於我的任何信息，所以能夠逃脫量子力學不可測量定理的限制，在這邊重新重構出來一個我，重構出來這個潘建偉和原來的潘建偉所有的信息和性質是一模一樣的。至少目前看來量子力學的原理就是這樣的。

但是這個技術要實現可能還需要很多年，可能要幾百年甚至更多年，但至少物理上允許這麼做。當然量子還有一個非常美妙的地方，上海的潘建偉不是北京潘建偉的複製品。如果說我能夠複製兩份的話，那我兒子就麻煩了，他不知道誰是爹了。實際上能夠把北京的信息傳過去的前提就是這邊的潘建偉要被摧毀，所以我們在宇宙當中是獨一無二的。

另外量子科學還可以來做一些非常有趣的事情，比如超強能力的量子計算。前幾天學術界有人已經報導了一些結果，目前已經有些系統裡面能夠對100個粒子左右進行相干操作了，如果說我們能夠把這樣一種計算能力利用起來，那麼它相當於對2的100次方的數據進行計算。

我們現在把全世界所有的計算機、手機的計算能力加起來，這個計算能力是多少呢？大概是2的80次方。也就是說我們在一個小小的實驗室裡面做出來的小小的機器，它的計算能力是100萬個地球的計算能力都不能達到的。如果這種技術走向實用，它將是非常強大的，這種能力如果分給每個人，那麼我們每個人在計算能力上的財富，都是遠遠超過世界首富的。 

這裡，我願意引用一下今年麻省理工學院的技術評論中的一段話：當量子計算機發展到50個量子位的時候，就能實現「量子稱霸（quantum supremacy）」，計算能力超過世界上任何傳統計算機，解決任何傳統計算機解決不了的問題。儘管哪天發生我還不知道，但我想應該不會太遙遠。現在像Google、微軟、IBM，包括我們中國的很多人，都在開展這方面的相關工作。

量子還有一個應用，可以用於我們的精密測量。GPS導航、全球定位等很多技術都需要用到精密測量。利用這種量子精密測量的手段，我們可以發展自主導航技術，目前在100天的情況下，已經能夠把潛艇的誤差縮小到幾百米的範圍了，這樣我們就可以長期的潛伏，可以悄悄地開到美國的西海岸不被發現。當然量子精密測量將來主要會應用到汽車上。

我講著講著又回到原來的問題，就是我們的宇宙為什麼會演化出生命，能夠回過來感受這個世界？我們必須得回答一個基本的問題：我們的意識是從哪裡來的？

2016年有個很熱的話題叫做人工智慧。因為阿爾法狗打敗了我們非常頂尖的圍棋手，所以大家都感到非常恐慌，也許機器很快就會戰勝我們人類。但要我說其實我們還不用擔心，至少在量子計算機造出來之前我們不用擔心，為什麼呢？因為我們每天使用的經典計算機，它的運行規則跟牛頓力學是一樣的，它是絕對論的。這是什麼意思呢？就是你每輸進去一個問題，它肯定會輸出一個確定的答案。

假設我是一臺機器人，有人讓我給他拿一杯水，離我同樣距離有兩個地方各有一杯水，我過去把它們取到所需要消耗的能量也是一樣的，送到我主人的手裡所需要的時間也是一樣的，這個時候我這臺計算機無論是多麼強大的人工智慧，都會死機。因為它得選一個能量最節省的，但它不知道該怎麼辦了。這個時候我們要在後面做一個控制，如果兩個一樣的話你拿左邊就可以了。也就是說我們現在的人工智慧都是有決定論的，它根本就沒有自由意志，它根本就不會認識到自己的存在，它連一個非常簡單的事情都決策不了。

這是經典的人工智慧機器人，但是量子力學第一次把觀測者的意識與物質的演化結合起來。所以我們是高度懷疑，或者說高度相信——儘管這個還沒被科學最後證實——量子力學必然參與意識的產生，而且真是因為我們每個人大腦裡面想什麼別人是取不出來的，也不知道你在想什麼，這才保證了我們每個個體的多樣性。如果我們跟手機一樣，所有的信息都可以拷出來，那人就沒什麼意義了，因為你的思想對每個人都是透明的，如果可以完全拷出，我就可以複製成一個一模一樣的想法，但是量子力學告訴我們這是做不到的。

既然現實中我們這麼獨一，所以我們相信量子力學跟我們意識肯定緊密相連，也相信通過對量子計算機的研製，能為我們人腦一些機理的研究會提供有價值的東西。

我最後做一個結尾。我剛才講到一些非常遙遠的事情，大家可能會問：量子到底什麼時候能夠拿來傳遞人類？

這裡我願意引用1609年克卜勒——那個時代非常偉大的科學家——給他的好朋友伽利略寫的信裡的內容，他說：「應該建造適合飛向神聖天空的船與帆，然後也會有這樣的先驅者，面對無邊的太空，他們毫不退縮。」1609年的時候人們不會想到，1961年人類首次進入了太空，1969年人類首次登月。這個事情是在這封信多少年後才發生的？要300多年之後。

第一個量子隱形傳態的傳態的實驗是1997年，我們當時有幸做了這個實驗。十年之後，中國科大的團隊能夠首次傳送兩個粒子的狀態。到2016年，隨著墨子號的發射，我們的技術能力已經能夠實現地星間的1000公裡量子隱形傳態。

我們要在宇宙當中進行探索的話，用目前的飛行手段是永遠都不可能離開太陽系的，因為我們快飛到太陽系邊緣的時候就已經去世了。那麼從這個角度上講，我想也許300年之後，也許500年之後，我們能夠用這些「墨子號」所帶來的成果，也許我們將來能夠利用這些手段來進行星際的旅行。

最後，我引用一下《新科學家》雜誌的評論，他說：你的量子大腦也許在未來的某某時刻，量子力學能夠為我們解釋意識的起源，做出貢獻。

謝謝大家！

附潘建偉院士演講視頻：

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