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探“微观世界” 抓“关键变量”——我国科学家与量子“纠缠”的故事

来源:新华网    时间:2020-10-28    

  约一个世纪前,“上帝到底掷不掷骰子”的爱因斯坦-玻尔论战,为人类开启了量子世界之门。

  进入21世纪,量子科技发展突飞猛进。习近平总书记指出,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。

  要让量子技术这个决胜未来的关键掌握在中国人手中!这是“中国量子军团”心中的梦想火种。


这是在安徽创新馆拍摄的“墨子号”量子卫星模型(8月25日摄) 

  120年前量子论诞生之时,中国只能做看客。而今,凭借一批科学家取得的多光子纠缠、量子反常霍尔效应、“墨子号”卫星等突破,中国已成为全球“第二次量子革命”的重要推动者与引领者。

  百年量子,探究微观世界推动人类文明

  10月23日11时,清华大学物理系一间普通办公室,阳光穿过窗户洒满书桌。中科院院士薛其坤正伏案工作,他关注着世界量子科研的新进展,也思考着如何加快培养青年人才。

图为薛其坤(资料照片)

  个子不高、乡音浓浓,从沂蒙山区走出来的薛其坤,朴实而风趣。奋斗与执着,是无数次接近真理的过程,也是他量子路上的人生信条。

  量子反常霍尔效应——全球物理学最热门的课题之一,因薛其坤团队的首次成功观测,中国标注了量子研究新高度。这项成果将推动新一代低能耗电子器件发展,加速信息革命进程。

  1900年,德国物理学家普朗克提出量子论,如今它与相对论并称现代物理学两大支柱。但20世纪初,量子论以其“怪异”“悖论”引起轩然大波。

中科院院士潘建伟在办公室内与“墨子号”量子卫星模型合影(2018年12月13日摄) 

  “什么纠缠、叠加,量子理论为什么这么怪?”1992年,一个名叫潘建伟的中国科学技术大学本科生,在毕业论文中向量子论发起挑战。始于此,他迷上了微观世界的奥妙与未知,一生与量子“纠缠”。

  20世纪,量子论催生出核能、激光、半导体,进而发展出计算机、手机、互联网,史称第一次量子革命。21世纪以来,新发现、新技术密集涌现,“第二次量子革命的战鼓已敲响!”英国《自然》杂志说。

  量子科技的潜力难以想象:量子通信理论上可做到绝对保密,量子计算让运算能力指数级增长,量子测量则将精度提升至“原子级”。

  世界竞逐因此你追我赶。

这是中国科学技术大学展示的“高速量子密钥生成终端”模型(2019年8月22日摄)

  创新自信,中国崛起为世界“量子劲旅”

  2000多年前的墨子不会想到,他的名字有朝一日会成为中国科技创新的一个标志。

  全球首颗量子卫星“墨子号”于2016年发射,这意味着,中国将“绝对保密”的量子通信向实用化推进了一大步。


中科院院士潘建伟在实验室内了解科研情况(2016年2月25日摄)

  41岁当选院士,46岁带领团队发射“墨子号”,47岁建成世界首条量子通信干线“京沪干线”……如今已名震国际学界的潘建伟认为,能拥抱“中国机遇”,是他最大的幸运。

  当前,量子科技已是多国战略布局的重点。但很少有人知道,研究量子有多难。

  中科院院士王建宇比喻,实现量子卫星“天地实验”,“相当于人在万米高空,把硬币扔进地面的一个储钱罐。”

  中科大教授郭国平说,研制量子计算机,就像“用原子垒起一座金字塔”。

  中国量子信息研究起步比发达国家晚了约20年。但21世纪以来,中国异军突起,取得了多项重大原创成果——

科研人员在中国科学技术大学先进技术研究院量子通信“京沪干线”总控中心工作(2017年9月29日摄)

  多次刷新量子纠缠数量的世界纪录,2013年首次观测到量子反常霍尔效应,2017年开通“京沪干线”实现世界首次洲际量子保密通信……

  英国《自然》杂志评价,中国在量子领域,“从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅”。

  “中国量子科研正处在黄金时代。”“墨子号”副总设计师彭承志说,日益强大的国力、催人奋进的氛围是根本保障。

  关键变量,小小量子有望撬动远大未来


科研人员在中国科学技术大学自旋量子计算研究室内工作(2019年8月22日摄) 

  创新决胜未来,人才关乎成败。

  日前,2020国际量子大会召开,吸引了全球103个国家和地区数千名学者参会,38岁的中科大教授陆朝阳任组委会主席。

  越来越多的青年闯入微观世界,在与量子的“纠缠”中崭露锋芒,“敢于冒险”的火花在创新中绽放。

  34岁的中科大教授林毅恒,成功制备出原子和分子间“跨界”量子纠缠;合肥本源量子公司董事长孔伟成是个“90后”,目标是3年内研制出50到100比特的量子计算机……

  习近平总书记强调,当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。

  目前,量子科技处于从实验室迈向市场的关键期。我国量子科技发展存在不少短板,面临多重挑战。

  潘建伟认为,我国量子通信研究水平国际领先,量子计算与发达国家处于同一水平线,量子测量还有差距。“我们必须统筹创新要素,牢牢掌握创新和发展主动权!”

  “像婴儿一样,刚学走路的时候跌跌撞撞,之后便会健步如飞走上大道。”中科院院士郭光灿认为,应抢抓机遇推动量子应用。

  抓关键变量,增发展动能。

这是正在建设中的中科院量子信息与量子科技创新研究院(无人机照片,4月13日摄)。 

  在北京,成立了量子信息科学研究院推动产业化;在安徽合肥,产业聚集的“量子大街”初具规模;在山东济南,规划到2030年实现量子产业规模300亿元……

  “莱特兄弟发明的第一架飞机只飞了12秒,但它证明了人类能飞上天空。”陆朝阳说,随着对量子规律更深刻的认识,量子科学将开启人类更美好的未来。

 

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