2020/12/27   IAE 全球產官學研智庫

紀念量子科學誕生120週年｜朱嘉明：量子科學，未來十年最大的變量

2020年12月14日被公認為量子科學誕生120週年紀念日。 為此，《商業周刊/中文版》邀請到數字資產研究院學術與技術委員會主席朱嘉明教授，在The Year Ahead展望峰會上發表題為為“量子科學，未來十年最大的變量”的主題演講 。 本文系朱嘉明教授根據演講記錄所做的修訂文本，現在授權發表，以紀念120年前物理學家普朗克改變歷史的偉大時刻。

兩年前的2018年12月，朱嘉明在北京組織了“區塊鍊和數學”會議，量子計算是其中的主要內容。  2019年11月，在針對“如果量子科技在可以預見的未來發生重大突破，量子計算機和量子網絡真的來臨，原來的區塊鏈理論和區塊鏈技術基礎，包括密碼數學，哈希函數， 都可能發生根本性的動搖，還會波及到今天人們開始普遍關心的“數字貨幣、比特幣”，甚至央行“數字貨幣”的未來場景”的大背景下，朱嘉明又在廣州“華南理工大學 ”組織了一場關於“量子技術與區塊鏈”的研討會。 這次會議通報討論了所謂的“量子霸權”問題，如何評估，如何應對。 僅僅過去一年，全球範圍內的量子科技不斷有所突破，證明了關注量子科技的發展速度是必要的。 朱嘉明不僅是研究數字經濟，數字資產和區塊鏈的先行者，也是近年來持續呼籲各界關注量子科技的倡導者。

12月11日，由《商業周刊/中文版》主辦，梅賽德斯-奔馳作為首席戰略合作夥伴的“The Year Ahead展望2021峰會”繼續進行中。 數字資產研究院學術與技術委員會主席、著名經濟學家朱嘉明教授帶來“量子科學，未來十年最大的變量”的主題演講。 朱嘉明在開場白中說：如果未來的經濟增長和科技革命是一個函數關係，那麼，量子科技則是科技革命中最重要的“自變量”。

以下是朱嘉明先生的發言：

以科學史的立場，20世紀無疑是被物理定義的世紀。 因為在過去的20世紀中，幾乎最為重大的技術革命，包括：原子能、半導體、計算機、IT革命、互聯網都是基於物理科學的推動。 而20世紀的物理學革命旗手，一位是普朗克，另一位就是愛因斯坦。

讓我們回到兩個場景。 第一個場景，時間：1900年12月14日，星期五；地點：柏林；人物：普朗克。 那天他在柏林的一個物理學例會上發表了題為《論正常光譜中的能量分佈》的演講。 這篇論文提出了驚世駭俗的觀點：物質的輻射或者吸收的能量不是連續的、而是一份一份進行的，只能取某個最小值的整倍數“，這個“最小值”就是量子。普朗 克確定能量量子和振動頻率的數學關係，進而提出了這樣簡單的公式：ε=hv，即能量=普朗克常數X振動頻率。從那一天起，量子科學誕生了，現代物理的蝴蝶飛向 天空。第二個場景，時間：1905年；地點：伯爾尼；人物：愛因斯坦。愛因斯坦在受到普朗克的啟發下，認識到光束由有限數目的能量組成，能量量子不能再分。 確定了光量子的能量和（輻射）頻率之間的關係，正式提出了狹義相對論。代表狹義相對論的共識橫空出世：E=mc²。
普朗克和愛因斯坦都關注能量結構和能量的分佈。 這恰恰是現代物理的關鍵所在。 我們可以這樣講：20世紀是由這ε=hv和E=mc² 兩個“最簡單”的公式開始的，確切的，20世紀的全部發展沒有超越出這兩個公式所確定的範圍。 對於這段歷史最為精彩的總結來自羅韋利撰寫的《現實不似你所見-量子引力之旅》：“20世紀物理學的兩大支柱，廣義相對論與量子力學。二者大相徑庭。廣義相對論 是一塊堅實的寶石，它由愛因斯坦一個人綜合以往的理論構思而成，是關於引力、空間和時間簡潔而自恰的理論。量子力學或者說量子理論宇宙想法，是經過四分之一 世紀漫長醞釀，由許多科學家做出貢獻，進行試驗最終形成的；量子力學在試驗上取得了無可比擬的成功，帶來了改變我們日常生活的應用。”

今天在這裡紀念量子科學誕生120週年，承認量子科技改變了20世紀人類經濟形態，並且需要面對量子科學愈發強勁的影響世界未來。 為此，與聽眾分享三個相關問題：

數字資產研究院學術與技術委員會主席朱嘉明教授

1.量子科學史的啟發

1.1. 量子科學”屬於具有淵源的物理學家“群體”奠定的科學。“量子科學”不是由一個人創造的，而是由一個群體，由19世紀末到20世紀上半期一批最有智慧的大腦 集體創造的。他們的代表人物有普朗克、薛定諤、狄拉克、波爾、奧本海默、海森堡等。

回顧這些歷史性偉人的貢獻，不斷不提及1927年在布魯塞爾召開的第五屆索爾維會議，這是被稱之為“決戰量子之巔”的會議。

這張照片是著名的，一共29位，其中17位得了諾貝爾獎。 這個會議主體是量子和光子問題，分為了試驗派，愛因斯坦派，和哥本哈根派。 這些智慧的大腦在那樣的一個時刻聚集在一起，他們的地理分佈是非常有限的。 從瑞士的伯爾尼到丹麥的哥本哈根，到柏林、維也納、中間是荷蘭的萊頓。 南到北1200公里，東到西1400公里。 所有的距離小於北京到上海的距離。

 量子力學的誕生範圍

讓我們再想像一下，就是這些智慧的大腦，在一個這麼大的範圍內，他們的思考，討論和辯論影響了物理學的100年。 索爾維會議的資助者索爾維，他是一個成功的企業家，他的歷史留名不是因為他的財富，而是因為他支持了物理學的探討和探索。

 1.2.量子科學”屬於典型的開放性科學。因為量子科學產生了一系列交叉科學：量子數學，基於時間和空間量子性而建立的數學，用於描述真實的物理世界；量子宇宙學，來自物理 學應用於宇宙起源研究的試探性理論；量子天體物理學，利用物理學的技術、方法和理論來研究天體的形態、結構、物理條件、化學組成和演化規律的學科；量子化學，研究範圍包括 穩定和不穩定分子的結構、性能及其結構與性能之間的關係；分子與分子之間的相互作用；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題；量子生物學，利用量子力學研究 生物過程和分子動態結構，研究量子水平的分子動態結構和能量轉移。總之， “量子科學”像一個主幹，延伸出來了一個量子科學的集群。

 1.3.量子科學”是基於實驗的大科學。量子科學和其科學最大的不同之處是需要強大的試驗條件，因此量子科學是基於試驗的大科學。沒有試驗就沒有量子科學和量子技術的進展 。量子科學是大科學。大科學是指投資大、多學科交叉的大型的基礎科學研究項目。由於其建造成本相當大、設備體量大、研究目標大、牽涉面大，意義重大，因此謂 之大科學。量子科學屬於大科學。量子科學未來發展，不是說哪一個企業家以一人之力，少數教授以他們的想像力，就可以實現突破的。2008年建在日內瓦的強子對撞 機，“量子望遠鏡“，”核聚變實驗堆”，中國發射的“量子空間試驗中心”，都屬於巨額的資本和跨學科量子科技的“基礎設施”。今天上午的話題是在講“科技與 新基建”，其實最大的新基礎建設是支持科學研究的基礎設施建設。

 1.4.科學同時派生出全新的科學哲學理念。 在20世紀開始的時候，牛頓在17世紀所創建的的經典力學被認為是非常完整的、無懈可擊的科學體系。 人們甚至認為：未來大家僅僅是對牛頓力學加以精確的測算而已。 但是，量子力學和相對論顛覆了“牛頓力學”。  “量子科學”的“分離性、不可確定性和關聯性”，嶄新時空觀念，例如，世紀不再是所謂的“矢量”。 人們根據“相對論”和“量子科學”理解的時空，與人們在經驗感受的是不一樣的，改變了牛頓力學的絕對時間和空間思維模式。 其中，最重要的是所謂的“決定論”問題。

在1980年代的《走向未來》叢書中，有一本是《上帝怎樣擲骰子》，在當時是極為前沿的內容。 其背景是在在1927年的布魯塞爾物理學大會上，波爾和愛因斯坦的重要爭論就是如何看待隨機性？ 愛因斯坦確實說：“上帝是不擲骰子的。”也就是說，愛因斯坦相信這個世界是既定的和完美的，我們看到世界缺陷，不是世界本身的缺陷，而是因為人們認知 有問題。 而波爾，也就是哥本哈根學派認為：“這個世界是很隨機的，上帝有可能擲骰子。”因此“上帝是不是擲骰子”就是一個因為量子科學提出之後最嚴肅的一個哲學問題。

2.為什麼說“量子科學”是未來十年最大的變量？

   
從1900年至今，過去120年間，“量子科學”經歷了兩個基於階段：基於工業社會和後工業社會的第一次“量子科學革命”；基於信息社會和經濟與數字經濟的第二次“ 量子科學革命”。

2.1.第一次“量子科技革命”。 第一次“量子革命”開始的1900年，工業革命方興未艾，美國成為工業大國，引領世界潮流。 在工業革命的大背景下，特別是第二次世界大戰和冷戰，在很大程度上推動了第一次量子科技革命，從原子能到核能、激光、半導體、計算機、互聯網、智能手機， 都與 第一次量子科技革命休戚相關。 與此同時，量子科學理論持續突破，例如：1964年“夸克模型”；1974年“霍金黑洞輻射理論”，最近有些媒體報導，試驗證明黑洞存在，也就是霍金理論是可以被證明的。

2.2.第二次“量子科技革命”。  1980年代之後，開啟了第二次“量子科學革命”。 大背景是世界快速進入後工業社會和信息社會。  IT革命成為主導。 矽谷崛起。 其中，最有里程碑意義的事件是1981年夏天IBM和麻省理工學院組織的“計算物理第一次會議”（First Conference on the Physics of Computation），會議地點在麻省理工學院校園不遠的Endicott  House。 計算科學和量子物理史上最有影響力的主要人物出席了這次會議。 包括康拉德·楚澤（Konrad Zuse），查爾斯·貝內特（Charles Bennett），理查德·菲利普斯·費曼（Richard Phillips Feynman）。 理查德·菲利普斯·費曼在量子理論有重大貢獻，他在會議上正式提出使用量子效應進行計算的想法，即需要量子計算機。 這個會議形成了主要的共識：量子計算機會將信息存儲在所謂的量子比特，也就是量子位中，並且可以使用量子糾纏和量子乾涉來找到指數級大數據計算的解決方案。 只有幾百個量子比特的量子計算機所執行的計算量，要比已知宇宙中的原子數量更大。 無論如何，這是劃時代的。

理查德·菲利普斯·費曼（Richard Phillips Feynman，1918—1988）

 自1980年代理查德·菲利普斯·費曼之後，在量子科學領域，還有也寫了理論性突破，博阿凱1984年有“超弦理論”，1990年代的=M理論。

2.3.第二次“量子科技革命”的實質性進展。 下圖是崔巍教授幫助整理的，羅列了自1984年“量子通信BB84協議”提出至今量子科技取得的主要進展。

 
可以看出，自1984年到現在30餘年，量子科技的主要領域集中在量子通信、因數分解、算法、計算機、保密通訊等等。 今天講“納米技術”，講7nm。 新冠病毒是100nm，1nm是頭髮直徑的幾萬分之一。 芯片是講2nm、3nm、7nm，所有的這些東西離開量子科學和工具/技術。 值得重視的是：2019年量子計算機發展加速，打破了人們以為的量子計算機還屬於遠不可及的技術的保守認知。

結論：在1980年代到2020年，量子科學大體完成了從R到D的拐點，量子技術體系臻於完善。 第二次量子科技革命基本特徵是基於量子特性本身的量子器件為基礎的革命。 量子技術開始與信息社會和數字社會形成了交互作用的狀態，徹底改變和繼續改變著我們對微觀世界和宏觀世界的認識。

3.量子霸權和量子霸權競爭

量子科學、量子計算、量子測試，正在成為國家的力量、資本的力量、企業焦距和競爭的全新領域。

3.1.“量子霸權”的提出和定義。  2012年美國物理學家普雷斯基爾在《量子雜誌》上首先使用了“量子霸權”概念，把“量子霸權”定義為：當量子計算機做到了經典計算機做不到的事情的關鍵節點， 無論所做的任務是否有實際意義、量子霸權已經形成。

3.2.“量子霸權”集中的領域。 公認的是三個領域：量子通訊、量子計算、量子精密測算三個領域。

 

 2019年9月20日谷歌公佈了一個報告，因為實現了53量子位計算機，因此說獲得了“量子霸權”。 對此，IBM是不同意的。 但是，從我的觀點來講，谷歌是否獲得“量子霸權”的競爭已經真實開始。

3.3.國家成為“量子霸權“競爭的重要組成部分。 實現“量子霸權”代表著超越經典量子技術能力從理論走進實驗，標誌著一個新的計算能力飛躍時代的開始。  2002年美國國防部提出《量子信息科學和技術發展規劃》。 美國提出兩個基本目標未來：（1）在未來五年中美國的公司和實驗室將演示量子網絡基礎科學和關鍵技術，包括：量子互聯、量子終端機、量子存儲器、高通量量子信道和 洲際天機糾纏分發，同時將查明這些科學技術潛在的影響和改善應用帶來商業、科學、衛生和國家安全方面的好處。  （2）在未來的20年中量子互聯網鏈路將利用網絡化量子設備實現經典技術無法實現的新功能，同時促進對量子糾纏作用的理解。

 歐盟在2016年、德國在2018年、英國在2014年、俄羅斯在2019年、印度在今年，都提出各自的“量子計劃”。

當下的量子技術的發展，1980年代美國總統裡根提出的“星球大戰”（ SDI）計劃具有參考價值。 但是，事實上今天的“量子霸權”爭奪，遠遠超過《星球大戰計劃》，就規模而言、就資本投入、國力投入、人力投入，對現實經濟生活、社會生活、地緣政治所產生影響深遠 而劇烈。 所以，與會者提出二戰前後的“曼哈頓計劃”也可以作為歷史參照系。 因為“量子霸權“競爭更需要在特定的目標下，以國際資源集結更多的學科部門和人才。

 2020年席捲全球的疫情沒有阻止“量子科技”的歷史進程。 例如，2020年6月，霍尼韋爾（Honeywell）公司基於IBM提出的量子體積（Quantum volume）的性能評價概念（影響因素包括量子比特數、測量誤差、設備交叉通信、以及設備連接和電路編譯 效率等），發布了量子體積達64的量子計算機，為當今最強。  2020年 8 月，Google 量子研究團隊宣布其在量子計算機上模擬了迄今最大規模的化學反應。  2020年9月，IBM發布了擴展量子技術路線圖，該路線圖將帶領IBM到2023年實現超過1000量子比特的量子計算設備。 最近，英國量子軟件公司Riverlane宣布，其高性能通用操作系統Deltaflow.OS已經進入了量子計算機商業化關鍵階段。

 非常值得慶幸的是：中國在“十三五”和即將開始的“十四五”已經將“量子科技”列為國家科技戰略組成部分。 在不久前政治局開會，也討論了量子技術的問題。

 

 3.4.主導”量子霸權“ 的企業和資本。 除了國家不可避免，也必須調動國家資源參與”量子霸權“競爭之外，企業和資本的”集結號“已經吹響。

這些科技巨頭，有些大家熟悉、有些大家不熟悉。 最近有這樣的報導：正在大力開發量子計算機的企業中既有谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭，也有Rigetti和IonQ等新創企業，等待付費使用霍尼韋爾量子計算機的公司已經大排長龍， 這也標誌著量子計算即將邁入重要的發展新階段。  2020年11月初，IQM——歐洲超導量子計算機的領導者宣布，其完成了3900萬歐元（約合人民幣3億）的A輪融資，迄今已籌集的資金總額為7100萬歐元（約合人民幣 5.5億）人們常常在商業領域當中講“賽道。現在量子科技的賽道已經鋪好，關鍵玩家早已上場。對於後來者來說，是如何獲得比賽的資格和入場券的問題。

 關於量子科技的商業前景，無非兩種：一是急功近利的商業前景。 實事求是地說，量子技術在短期內很難達到對投資有較高回報的商業效果。 二是中長期的商業前景。 量子技術的商業期間應該是樂觀的，這是因為量子科技代表未來大趨勢。

 在高科技和硬科技，甚至“黑科技”競爭領域，馬斯克創造了將科技、資本，以及人類中長期發展方向結合在一起的商業模式。 值得中國企業家思考。 在2019年，馬雲和馬斯克在上海有一個面對面的對話。 在對話過程中，兩人的差別是非常大的。 馬雲以地球人代表自居，對AI持有相對保守態度；馬斯克代表火星人，主張火星移民，對AI充滿激情和想像力。 在兩人的差別背後，其實是兩種不同的商業模式，或者說科技商業模式的差別。

 必須承認，量子科技的前途任重道遠。 相關學科的協調還是薄弱的，人才是短缺的，相關教育是落後的。 特別是在量子技術的硬技術方面，實現創新和突破的難度是很大的。 但是，中國在量子計算理論，量子技術軟件方面，特別是建立量子技術標準體系方面，還是可以有所創新和可能突破的。 所有這些領域，需要大量的人力投入，中國具有巨大潛在優勢和很大發展空間。

 還有半個多月，不僅是2021年新年，而且是21世紀20年代的開始。 人類全方位進入到科技主宰經濟，科技資本整合金融資本和產業資本的新時代。 將量子科技將引領我們經歷突破信息和物質科學技術的經典極限的激動人心時，將在未來科學技術革命中具有核心和主導的地位。 不足100個量子比特可以存儲整個世界，已經不再是可望不可及的一種理論說法。 可以毫不誇大地說，以量子科技主導的量子產業體係正在出現在地平線上。 所以，回到今天的主題：量子科學是未來十年最大的變量，量子技術是數字時代的基石，量子科學決定未來經濟。編輯:馮艷彬 商業周刊中文版