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量子科技为何重要

2020年10月21日 点击:[]

中共中央政治局日前就量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习。习近平总书记主持学习时强调:“量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。”“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。”

量子科技为什么重要?

首先,量子力学建立以后,就成为整个微观物理学的理论框架,带来了后者一个又一个的成功。

量子力学解释了化学。元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等,都是量子力学规律所导致。

量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越各种尺度,从光到基本粒子,到原子核,到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质。量子力学对于认识这些都起了重要的作用,也因此成为现代技术的基础。

在微观的尺度上,各种基本力的统一是理论物理的重大问题,依赖于量子力学。其他的未解之谜(如暗物质和暗能量)的解决也依赖于量子力学。

很多天文现象,例如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射,乃至宇宙结构的起源等,都是因为量子力学规律。

很多材料性质,比如导体、绝缘体、磁体、超导等,源于电子的量子行为。

量子力学带来了丰富的技术和应用,深刻地改变了人类的文明和历史。它让我们拥有了来自原子核能量这一新能源,也让我们更有效利用太阳能。核弹影响了世界历史,核电则是核能的和平利用。

量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。没有量子力学,互联网和智能手机也不会存在。

量子力学也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具,包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等。

所以,量子是我们的老朋友。事实上,20世纪90年代,诺贝尔奖得主莱德曼就指出,量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在的比例还要高得多,很难找到与量子无关的新技术。所以说,量子力学是当代文明的一个重要基础。

这些较传统的科学技术,建立在量子力学基础之上,发展已经比较成熟。而近年来,有了一些量子科技新领域。基于对单个量子态的操控,量子科学技术出现了新的方向和新的生命力,正在迎来持续量子革命的第二次高潮,也可以说是第二次量子革命。比如,通过用量子态作为信息的载体,量子力学不仅像以前那样为信息技术提供硬件基础,而且还提供了软件基础。

这为中国量子力学和量子信息学发展提供了契机。我国在相关领域已经取得不少成就,而且在有些领域已经世界领先。希望能出现更多引领潮流的工作。去年谷歌公司成功研制的一个量子处理器,能够在200秒内完成一项计算任务,是目前超级计算机需要很长时间才能完成的,这就是所谓的量子优势。这样的成果,也应该在中国出现。

正如习近平总书记指出的,近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域,加快发展量子科技,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

(作者系量子物理学家、复旦大学物理学系教授)



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