量子科学,未来十年最大变量——朱嘉明教授“The Year Ahead 展望2021峰会”演讲

朱嘉明教授,在彭博2020年年会上发表题为“量子科学,未来十年最大的变量”的主题演讲。本文系朱嘉明教授根据演讲记录所做的修订文本,现在授权发表,以纪念120年前量子物理学家们改变历史的伟大时刻。

作者:朱嘉明教授

来源:朱嘉明教授在 “The Year Ahead 展望2021峰会”上演讲

编者按:

2020年12月14日是德国物理学家普朗克黑体辐射论文发表及提出量子论120年周年纪念日。《彭博商业周刊》邀请到数字资产研究院学术与技术委员会主席朱嘉明教授,在彭博2020年年会上发表题为“量子科学,未来十年最大的变量”的主题演讲。本文系朱嘉明教授根据演讲记录所做的修订文本,现在授权发表,以纪念120年前量子物理学家们改变历史的伟大时刻。

两年前的2018年12月,朱嘉明在北京组织了“区块链和数学”会议,量子计算是其中的主要内容。2019年11月,在针对“如果量子科技在可以预见的未来发生重大突破,量子计算机和量子网络真的来临,原来的区块链理论和区块链技术基础,包括密码数学,哈希函数,都可能发生根本性的动摇,还会波及到今天人们开始普遍关心的“数字货币、比特币”,甚至央行“数字货币”的未来场景”的大背景下,朱嘉明又在广州“华南理工大学”组织了一场关于“量子技术与区块链”的研讨会。

这次会议通报讨论了所谓的“量子霸权”问题,如何评估,如何应对。仅仅过去一年,全球范围内的量子科技不断有所突破,证明了关注量子科技的发展速度是必要的。朱嘉明不仅是研究数字经济,数字资产和区块链的先行者,也是近年来持续呼吁各界关注量子科技的倡导者。

2020年12月11日,由《商业周刊/中文版》主办,梅赛德斯-奔驰作为首席战略合作伙伴的“The Year Ahead 展望2021峰会”继续进行中。朱嘉明教授带来“量子科学,未来十年最大的变量”的主题演讲。朱嘉明在开场白中说:如果未来的经济增长和科技革命是一个函数关系,那么,量子科技则是科技革命中最重要的“自变量”。

以下是朱嘉明教授的发言:

量子科学,未来十年最大的变量

以科学史的立场,20世纪无疑是被物理定义的世纪。因为在过去的20世纪中,几乎最为重大的技术革命,包括:原子能、半导体、计算机、IT革命、互联网都是基于物理科学的推动。而20世纪的物理学革命旗手,一位是普朗克,另一位就是爱因斯坦。

让我们回到两个场景。第一个场景,时间:1900年12月14日,星期五;地点:柏林;人物:普朗克。那天他在柏林的一个物理学例会上发表了题为《论正常光谱中的能量分布》的演讲。这篇论文提出了惊世骇俗的观点:物质的辐射或者吸收的能量不是连续的、而是一份一份进行的,只能取某个最小值的整倍数“,这个“最小值”就是光量子。

普朗克确定能量量子和振动频率的数学关系,进而提出了这样简单的公式:ε=hv,即能量=普朗克常熟✖️振动频率。从那一天起,量子科学诞生了,现代物理的蝴蝶飞向天空。第二个场景,时间:1905年;地点:伯尔尼;人物:爱因斯坦。爱因斯坦在受到普朗克的启发下,认识到光束由有限数目的能量组成,能量量子不能再分。确定了光量子的能量和(辐射)频率之间的关系,正式提出了狭义相对讨论。代表狭义相对论的共识横空出世:E=mc²。

普朗克与爱因斯坦  图片来源:网络

普朗克和爱因斯坦都关注能量结构和能量的分布。这恰恰是现代物理的关键所在。我们可以这样讲:20世纪是由这ε=hv和E=mc² 两个“最简单”的公式开始的,确切的,20世纪的全部发展没有超越出这两个公式所确定的范围。

对于这段历史最为精彩的总结来自罗韦利撰写的《现实不似你所见-量子引力之旅》:“20世纪物理学的两大支柱,广义相对论与量子力学。二者大相径庭。广义相对论是一块坚实的宝石,它由爱因斯坦一个人综合以往的理论构思而成,是关于引力、空间和时间简洁而自恰的理论。量子力学或者说量子理论宇宙想法,是经过四分之一世纪漫长酝酿,由许多科学家做出贡献,进行试验最终形成的;量子力学在试验上取得了无可比拟的成功,带来了改变我们日常生活的应用。”

今天在这里纪念量子科学诞生120周年,承认量子科技改变了20世纪人类经济形态,并且需要面对量子科学愈发强劲的影响世界未来。为此,与听众分享三个相关问题:

1. 量子科学史的启发

 量子科学”属于具有渊源的物理学家“群体”奠定的科学。“量子科学”不是由一个人创造的,而是由一个群体,由19世纪末到20世纪上半期一批最有智慧的大脑集体创造的。他们的代表人物有普朗克、薛定谔、狄拉克、波尔、奥本海默、海森堡等。

回顾这些历史性伟人的贡献,不得不提及1927年在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议,这是被称之为“决战量子之巅”的会议。

这张照片是著名的,一共29位,其中17位得了诺贝尔奖。这个会议主体是量子和光子问题,分为了试验派,爱因斯坦派,和哥本哈根派。这些智慧的大脑在那样的一个时刻聚集在一起,他们的地理分布是非常有限的。从瑞士的伯尔尼到丹麦的哥本哈根,到柏林、维也纳、中间是荷兰的莱顿。南到北1200公里,东到西1400公里。所有的距离小于北京到上海的距离。

量子力学的诞生范围

让我们再想像一下,就是这些智慧的大脑,在一个这么大的范围内,他们的思考,讨论和辩论影响了物理学的100年。索尔维会议的资助者索尔维,他是一个成功的企业家,他的历史留名不是因为他的财富,而是因为他支持了物理学的探讨和探索。

量子科学”属于典型的开放性科学。因为量子科学产生了一系列交叉科学:量子数学,基于时间和空间量子性而建立的数学,用于描述真实的物理世界;量子宇宙学,来自物理学应用于宇宙起源研究的试探性理论;量子天体物理学,利用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、物理条件、化学组成和演化规律的学科;

量子化学,研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系;分子与分子之间的相互作用;分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题;量子生物学,利用量子力学研究生物过程和分子动态结构,研究量子水平的分子动态结构和能量转移。总之, “量子科学”像一个主干,延伸出来了一个量子科学的集群。

量子科学”是基于实验的大科学。量子科学和其科学最大的不同之处是需要强大的试验条件,因此量子科学是基于试验的大科学。没有试验就没有量子科学和量子技术的进展。量子科学是大科学。

大科学是指投资大、多学科交叉的大型的基础科学研究项目。由于其建造成本相当大、设备体量大、研究目标大、牵涉面大,意义重大,因此谓之大科学。量子科学属于大科学。

量子科学未来发展,不是说哪一个企业家以一人之力,少数教授以他们的想象力,就可以实现突破的。2008年建在日内瓦的强子对撞机,“量子望远镜“,”核聚变实验堆”,中国发射的“量子空间试验中心”,都属于巨额的资本和跨学科量子科技的“基础设施”。今天上午的话题是在讲“科技与新基建”,其实最大的新基础建设是支持科学研究的基础设施建设。

科学同时派生出全新的科学哲学理念。在20世纪开始的时候,牛顿在17世纪所创建的的经典力学被认为是非常完整的、无懈可击的科学体系。人们甚至认为:未来大家仅仅是对牛顿力学加以精确的测算而已。但是,量子力学和相对论颠覆了“牛顿力学”。

“量子科学”的“分离性、不可确定性和关联性”,崭新时空观念,例如,世纪不再是所谓的“矢量”。人们根据“相对论”和“量子科学”理解的时空,与人们在经验感受的是不一样的,改变了牛顿力学的绝对时间和空间思维模式。其中,最重要的是所谓的“决定论”问题。

在1980年代的《走向未来》丛书中,有一本是《上帝怎样掷色子》,在当时是极为前沿的内容。其背景是在在1927年的布鲁塞尔物理学大会上,波尔和爱因斯坦的重要争论就是如何看待随机性?爱因斯坦确实说:“上帝是不掷色子的。”也就是说,爱因斯坦相信这个世界是既定的和完美的,我们看到世界缺陷,不是世界本身的缺陷,而是因为人们认知有问题。而波尔,也就是哥本哈根学派认为:“这个世界是很随机的,上帝有可能掷色子。”因此“上帝是不是掷色子”就是一个因为量子科学提出之后最严肃的一个哲学问题。

2. 为什么说“量子科学”是未来十年最大的变量?

从1900年至今,过去120年间,“量子科学”经历了两个基于阶段:基于工业社会和后工业社会的第一次“量子科学革命”;基于信息社会和经济与数字经济的第二次“量子科学革命”。

第一次“量子科技革命”。第一次“量子革命”开始的1900年,工业革命方兴未艾,美国成为工业大国,引领世界潮流。在工业革命的大背景下,特别是第二次世界大战和冷战,在很大程度上推动了第一次量子科技革命,从原子能到核能、激光、半导体、计算机、互联网、智能手机, 都与第一次量子科技革命休戚相关。与此同时,量子科学理论持续突破,例如:1964年“夸克模型”;1974年“霍金黑洞辐射理论”,最近有些媒体报道,试验证明黑洞存在,也就是霍金理论是可以被证明的。

第二次“量子科技革命”。1980年代之后,开启了第二次“量子科学革命”。大背景是世界快速进入后工业社会和信息社会。IT革命成为主导,硅谷崛起。其中,最有里程碑意义的事件是1981年夏天IBM和麻省理工学院组织的“计算物理第一次会议”(First Conference on the Physics of Computation),会议地点在麻省理工学院校园不远的Endicott House。

计算科学和量子物理史上最有影响力的主要人物出席了这次会议。包括康拉德·楚泽(Konrad Zuse),查尔斯·贝内特(Charles Bennett),理查德·菲利普斯·费曼(Richard Phillips Feynman)。理查德·菲利普斯·费曼在量子理论有重大贡献,他在会议上正式提出使用量子效应进行计算的想法,即需要量子计算机。

这个会议形成了主要的共识:量子计算机会将信息存储在所谓的量子比特,也就是量子位中,并且可以使用量子纠缠和量子干涉来找到指数级大数据计算的解决方案。只有几百个量子比特的量子计算机所执行的计算量,要比已知宇宙中的原子数量更大。无论如何,这是划时代的。

理查德·菲利普斯·费曼(Richard Phillips Feynman,1918—1988) 图片来源:

自1980年代理查德·菲利普斯·费曼之后,在量子科学领域,还有也写了理论性突破,博阿凯1984年有“超弦理论”,1990年代的M理论。

第二次“量子科技革命”的实质性进展。下图是崔巍教授帮助整理的,罗列了自1984年“量子通信BB84协议”提出至今量子科技取得的主要进展。

图片来源:崔巍教授团队

从这个表可以看出,自1984年到现在30余年,量子科技的主要领域集中在量子通信、因数分解、算法、计算机、保密通讯等等。今天讲“纳米技术”,讲7nm。新冠病毒是100nm,1nm是头发直径的几万分之一。芯片是讲2nm、3nm、7nm,所有的这些东西离开量子科学和工具/技术。值得重视的是:2019年量子计算机发展加速,打破了人们以为的量子计算机还属于远不可及的技术的保守认知。

结论:在1980年代到2020年,量子科学大体完成了从R到D的拐点,量子技术体系臻于完善。第二次量子科技革命基本特征是基于量子特性本身的量子器件为基础的革命。量子技术开始与信息社会和数字社会形成了交互作用的状态,彻底改变和继续改变着我们对微观世界和宏观世界的认识。

3. 量子霸权和量子霸权竞争

量子科学、量子计算、量子测试,正在成为国家的力量、资本的力量、企业焦距和竞争的全新领域。

“量子霸权”的提出和定义。2012年美国物理学家普雷斯基尔在《量子杂志》上首先使用了“量子霸权”概念,把“量子霸权”定义为:当量子计算机做到了经典计算机做不到的事情的关键节点,无论所做的任务是否有实际意义、量子霸权已经形成。

“量子霸权”集中的领域。公认的是三个领域:量子通讯、量子计算、量子精密测算三个领域。

图片来源:www.dcits.com/lzzt/jsjs.html

2019年9月20日谷歌公布了一个报告,因为实现了53量子位计算机,因此说获得了“量子霸权”。对此,IBM是不同意的。但是,从我的观点来讲,谷歌是否获得“量子霸权”的竞争已经真实开始。

国家成为“量子霸权“竞争的重要组成部分。实现“量子霸权”代表着超越经典量子技术能力从理论走进实验,标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。2002年美国国防部提出《量子信息科学和技术发展规划》。

美国提出两个基本目标未来:

(1)在未来五年中美国的公司和实验室将演示量子网络基础科学和关键技术,包括:量子互联、量子终端机、量子存储器、高通量量子信道和洲际量子纠缠分发,同时将查明这些科学技术潜在的影响和改善应用带来商业、科学、卫生和国家安全方面的好处。

(2)在未来的20年中量子互联网链路将利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能,同时促进对量子纠缠作用的理解。

欧盟在2016年、德国在2018年、英国在2014年、俄罗斯在2019年、印度在今年,都提出各自的“量子计划”。

当下的量子技术的发展,1980年代美国总统里根提出的“星球大战”(The Strategic Defense Initiative)计划具有参考价值。但是,事实上今天的“量子霸权”争夺,远远超过《星球大战计划》,就规模而言、就资本投入、国力投入、人力投入,对现实经济生活、社会生活、地缘政治所产生影响深远而剧烈。所以,与会者提出二战前后的“曼哈顿计划”也可以作为历史参照系。因为“量子霸权“竞争更需要在特定的目标下,以国际资源集结更多的学科部门和人才。

2020年席卷全球的疫情没有阻止“量子科技”的历史进程。例如,2020年6月,霍尼韦尔(Honeywell)公司基于IBM提出的量子体积(quantum volume)的性能评价概念(影响因素包括量子比特数、测量误差、设备交叉通信、以及设备连接和电路编译效率等),发布了量子体积达64的量子计算机,为当今最强。

2020年 8 月,Google 量子研究团队宣布其在量子计算机上模拟了迄今最大规模的化学反应。2020年9月,IBM发布了扩展量子技术路线图,该路线图将带领IBM到2023年实现超过1000量子比特的量子计算设备。最近,英国量子软件公司Riverlane宣布,其高性能通用操作系统已经进入了量子计算机商业化关键阶段。

非常值得庆幸的是:中国在“十三五”和即将开始的“十四五”已经将“量子科技”列为国家科技战略组成部分。在不久前政治局开会,也讨论了量子技术的问题。

图片来源:新闻联播

主导”量子霸权“ 的企业和资本。除了国家不可避免,也必须调动国家资源参与”量子霸权“竞争之外,企业和资本的”集结号“已经吹响。

这些科技巨头,有些大家熟悉、有些大家不熟悉。最近有这样的报道:正在大力开发量子计算机的企业中既有谷歌、IBM、英特尔等科技巨头,也有Rigetti和IonQ等新创企业,等待付费使用霍尼韦尔量子计算机的公司已经大排长龙,这也标志着量子计算即将迈入重要的发展新阶段。

2020年11月初,IQM——欧洲超导量子计算机的领导者宣布,其完成了3900万欧元(约合人民币3亿)的A轮融资,迄今已筹集的资金总额为7100万欧元(约合人民币亿)人们常常在商业领域当中讲“赛道”。现在量子科技的赛道已经铺好,关键玩家早已上场。对于后来者来说,是如何获得比赛的资格和入场券的问题。

关于量子科技的商业前景,无非两种:一是急功近利的商业前景。实事求是地说,量子技术在短期内很难达到对投资有较高回报的商业效果。二是中长期的商业前景。量子技术的商业期间应该是乐观的,这是因为量子科技代表未来大趋势。

在高科技和硬科技,甚至“黑科技”竞争领域,马斯克创造了将科技、资本,以及人类中长期发展方向结合在一起的商业模式。这值得中国企业家思考。在2019年,马云和马斯克在上海有一个面对面的对话。

在对话过程中,两人的差别是非常大的。马云以地球人代表自居,对AI持有相对保守态度;马斯克代表火星人,主张火星移民,对AI充满激情和想象力。在两人的差别背后,其实是两种不同的商业模式,或者说科技商业模式的差别。

必须承认,量子科技的前途任重道远。相关学科的协调还是薄弱的,人才是短缺的,相关教育是落后的。特别是在量子技术的硬技术方面,实现创新和突破的难度是很大的。但是,中国在量子计算理论,量子技术软件方面,特别是建立量子技术标准体系方面,还是可以有所创新和可能突破的。所有这些领域,需要大量的人力投入,中国具有巨大潜在优势和很大发展空间。

还有半个多月,不仅是2021年新年,而且是21世纪20年代的开始。人类全方位进入到科技主宰经济,科技资本整合金融资本和产业资本的新时代。量子科技在引领我们经历突破信息和物质科学技术的经典极限的激动人心时,将在未来科学技术革命中占据核心和主导的地位。

不足100个量子比特可以存储整个世界,已经不再是可望不可即的一种理论说法。可以毫不夸大的说,以量子科技主导的量子产业体系正在出现在地平线上。所以,回到今天的主题:量子科学是未来十年最大的变量,量子技术是数字时代的基石,量子科学决定未来经济。

谢谢大家!

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