【新闻】墨子沙龙第一期—潘建伟院士《探索的动机》

2016年2月20日，墨子沙龙第一期在中国科学技术大学上海研究院举行，中国科学技术大学中国科学院院士潘建伟教授做了名为《探索的动机》的报告。本次报告视频可以在腾讯视频网站上观看，大家也可以订阅墨子沙龙腾讯账号。本次活动视频点击观看 《探索的动机》

以下为全文记录：

本月有个很重大的事情发生，2月11日，激光干涉观测站宣布首次探测到引力波。《纽约客》写了一个报道，“十几亿年前，距离这里有数百万个河外星系之外，两个黑洞发生了碰撞，碰撞产生的引力波向四周传播，在地球上，恐龙崛起，演化，消亡。引力波继续前进，大概五万年前，引力波到达了我们的银河系，正当智人开始取代其近亲尼安德特人开始成为地球上最主要的人猿。100年前，爱因斯坦，灵长类物种中进化的最先进的人类的一员，预言了引力波的存在，激发了数十年的猜测和无果的寻找。20年前，一个巨大的探测器开始建设：激光干涉引力波探测站。”经过20多年的努力，我们终于探测到引力波了。

引用这个我想强调一点，当我们成为人类之后，一个永恒的话题，就是我今天报告的主题：探索的动机。我们一直在反复的问这么一个问题：我们从哪里来？到哪里去？为什么我们要问这个问题呢？因为我们人类有了自己的意识，认识到我们在自然界中是一个独立的存在的时候，他就开始思考一些问题。他第一是感到非常孤独，第二因为有各种各样的灾难、疾病，心灵上有很多烦恼、很多恐惧、很多不安。这时候他们就特别想问这个问题：我们从哪里来，我们的未来会怎样。更深层次的意义上讲，我们寻找的什么呢，是一种心灵上的安全感。

比较简单的出路是宗教。当时的宗教给人类一个思想的天堂。耶稣创立基督教之前，有奴隶、奴隶主，有贵族，人是不平等的。有了基督教之后，圣经中说，上帝创造了宇宙、万物和人类；无论贫富、贵贱、人种，都是上帝的子民。我们大家都是兄弟，大家是受到平等对待的，这会给人带来很大的满足感。原来我是上帝造出来，我是非常安全的，而且我们是上帝的子民，我们大家都是平等的，这就是为什么在许多年前的苦难的时代，这个宗教可以得到如此广泛的接受？我看房龙的《圣经的故事》才了解了。

（宗教的产生）是我们人类思想史上的第一次解放。佛教、道教等宗教，本质上也都是如此。宗教带来的心灵的满足还是比较容易得到的。信奉了宗教，心灵可以立即感到平静，人类会觉得有上帝在关照着你，你就比较安全了。遗憾的是，虽然几千年前就有了科学，但那时的科学并没有很好的解答人类起源的问题，因此人们还是主要信奉宗教。我在这里要强调一下，我并不是信教者，我前面讲的那些东西，并不意味着我是信教者。但是我很喜欢到教堂去听他们的美妙的歌曲，给人心灵上带来很好的享受。

 

非常遗憾的是，玻璃不是中国发明的，西方先发明了玻璃，对玻璃进行打磨制作了望远镜。四百年前，伽利略用望远镜观测天体。伽利略发现土星环随着时间以一年为周期变化，有时候土星环是一个圆形，有时候是类似耳朵的形状。伽利略通过观测验证了哥白尼的地球不是宇宙的中心的理论。当时的基督教告诉人们，地球是宇宙的中心。哥白尼发现了日心说，虽然现在我们发现，太阳也不是宇宙的中心，稍后我们会讲到银河系在宇宙中的位置。伽利略在当时并不敢发表自己的观测结果，但他确实发现当时整个星系是围绕太阳转动的。随后开普勒也做了大量的工作，收集了很多数据，并且发现在同样的时间里行星向径在轨道平面上所扫过的面积相等。开普勒的工作为人们总结行星的运动规律奠定了基础。

1642年伽利略去世，1643年牛顿出生，在我们评价物理学历史的时候，伽利略是第一个重要的人物，然后就是牛顿。牛顿在1686年建立了微积分的基础上，将伽利略的观测结果和开普勒的行星运动三大定律加以总结，写了《自然哲学的数学原理》，并提出了三大运动定律。

他还根据开普勒的理论提出了万有引力的概念， M1乘M2除以R平方再乘以万有引力常数，就是万有引力。从此，苹果落地、行星围绕太阳转动，都可以计算出来。这带来了人类历史上思想上的大解放，人类从此了解到，世界是独立于人类而存在的，人类可以对世界进行凝视深思，可以对世界部分进行了解和研究。人们发现，行星转动的规律、自然落体运动的规律都是由牛顿定律所统治的，人类的思想是很大的解放。这本质上是物理学的美且具有有强大力量的证明。人类从此知道，我们只不过是这个星系中很小的一部分。这时的人类还只能计算轨道，还无法解答我们从哪里来，到哪里去的问题。但科学家们已经意识到宇宙的奥秘是可窥视的，这就是思想的巨大解放，并且因为这种规律而领会到了先天的和谐，从而给心灵带来了自由和宁静。这和人们从宗教中追求宁静和安全这种最终的目标其实是一样的。这就是我想要说的，科学家探索的动机。

随后科学继续向前发展，美国人富兰克林通过风筝实验探索了闪电，法拉第发现了电磁感应的现象。电可以变化为磁，磁通过运动转化为电。我们今天可以发电，都是得益于法拉第的电磁感应定律。人类可以将动能转化为电能，电能也可以转化为动能，甚至可以转化为光能，等等。

在前人的科研基础上，我们迎来了第二次革命。1864年，英国人麦克斯维尔发表了《电磁场的动力学理论》，就是这个看起来很漂亮的公式，他建立了电磁场的动力学。我们叫他电动力学。麦克斯维尔发现一切光电磁的规律，都可以由这个方程组所统一，本来人们认为有电磁波，有光等不同的形式，他发现光也是一种电磁波。很多（看似）独立的现象被完全统一了，科学家们经历了这两次激动人心的科学创新后，确定了科学发现是可靠的。当科学家们在走向科学这个心灵天堂时，虽然比宗教的道路要更加坚信，但这些伟大的科学家们在追求的过程中，最后都得到了一种心灵的解放和自由。这就是科学家去追求科学真理的主要原因。

但直到那时，人们仍然无法回答我们从哪里来，往哪里去这个问题。这时候，大部分的科学家对科学的进展还是比较满意的，但出现了一个新的问题：既然现在的一切由初始状态来决定，所有粒子未来的运动状态都可以用前面几个方程来精确预言。电磁波的产生、以光速往前传递，都是可计算的，牛顿力学也是这样。那么这样一来的话呢，有了方程之后，我们所有东西都可以算出来了。有些科学家，把这个理论建立起来之后，他们就自杀了。他们说，我们世界是不是决定论啊，就说一切事件，包括将来你是会成为企业家，另外一个人会成为物理学家，第二个可能会成为政治家啊。我们都可以用电动力学和牛顿力学的方程把他算出来，也就是说，在这个宇宙刚刚开始的时候就已经决定了，一切事件，包括我们今天的论坛，都是早已确定好了，个人的努力是毫无意义的。科学告诉我们，其实没有上帝，月球绕着地球转，没有什么超越人的、神秘的力量控制着我们，个人的努力在宇宙的规律下看似毫无意义，但宇宙从何而来，当时的人类无法回答。

到了上个世纪初，有两位非常伟大的科学家，一个叫普朗克，他提出了量子论。所有微观世界的规律都由量子论所控制。爱因斯坦提出了相对论，时间和空间的规律都由相对论描述，当我们把这两个理论结合在一起，非常有意思，我们居然能够初步解释宇宙的起源与演化，这就是大爆炸理论，他告诉我们宇宙的景象大概是什么样的。首先我们来探讨一下宇宙到底有多大。当天气比较好能见度较高时，在夜空中肉眼可见的恒星大约有2500颗，像太阳一样的恒星，这个数目（在宇宙中）是很少的。那么宇宙本身到底有多大呢，肉眼可见的这2500个恒星，只是银河系中很小的一部分，在银河系里面有多少颗恒星呢，它有数千亿颗，也就是数千亿个太阳。银河系本身就已经是一个非常大的星系，而宇宙目前按照理论所预测的，大概有130亿光年这么大，那么到底有多大呢，目前我们可观测的宇宙里已经有数千亿个“银河系”了。

根据量子力学和相对论综合起来的大爆炸理论，宇宙大概在一百多亿年前，在某一个时刻，诞生于某个奇点的爆炸，在一秒钟以内，只有质子、中子、光子、电子这些基本粒子，宇宙是混沌的。爆炸后一分至三分钟的时候，宇宙慢慢的变冷，形成了氢、氘、氦等元素。刚开始形成时宇宙的温度很高，大概有十亿K左右，也就是十亿度左右。到了大概三十万年左右，世界更冷一点，温度只有6000k了，电子开始围绕氢、氦、氘转动，原子开始形成。整个宇宙到了亿年的时候温度大概只有18K了。尽管地球上很温暖，但整个宇宙当中，当宇宙大爆炸后所剩下的背景辐射，到目前为止大概只有3K左右，所以现在整个宇宙是非常寒冷的。爆炸一亿年后，在引力的作用之下，物质渐渐的互相吸引，形成了云块，云块再互相吸引、收缩，积累到足够的密度时，因为自身温度较高，就会引发核聚变，形成了第一代恒星。所以整个宇宙在刚开始是没有光的，是核聚变使恒星发光，宇宙中才有了光。恒星聚变后，慢慢形成了一个稳定的结构，不再继续收缩。物质燃烧时有辐射，宇宙向外膨胀，引力则控制宇宙收缩，互相之间达到这种暂时的平衡，核聚变来抵抗引力的收缩。当恒星在核聚变过程中原料燃烧殆尽后，无法再低于引力的收缩，就开始慢慢的塌缩，最后进行新的爆炸，我们称之为超新星的爆发，在汉朝的时候就有关于超新星爆发的记载。超新星爆发后，恒星的一种命运是形成中子星。中子星内部的引力非常巨大，把原子核都压碎，电子辈压碎到质子里面形成中子。中子星物质的密度是很高的，1立方米的水重量为1吨， 1立方米中子星的物质质量有一百万亿吨，比水重10的14次方倍。如果地球因为引力形成中子星，大概就是一个足球场那么大。普通的中子星半径大概是几十公里，质量无比巨大。恒星的质量如果很大，在超新星爆发后会形成黑洞。黑洞具有极强的引力，会把所有靠近它的物体都吃掉，速度最快的光也无法逃脱。根据经典黑洞理论，黑洞里面什么都出不来，一片漆黑。所以超新星爆炸后，有这样2种典型命运，变成黑洞，或者变成中子星。在超新星爆炸的过程中，产生了新的更重的元素，在引力的作用之下又慢慢的再次结合，就形成了我们第二代的恒星和行星。太阳就是那时形成的第二代恒星，大概在50亿年前，距现在46亿年前，又形成了地球。

下面我想要介绍一下，为什么我们叫墨子沙龙。今天我报告的题目叫做《探索的动机》。墨子叫“科圣”，科学的圣人。非常遗憾的是，近代科学没在中国诞生，我们回想起来，古希腊建立了欧几里得几何原本，（我们）大概可能在初中学习这个欧几里得的证明几何定理的时候，觉得在几千年之前，（古希腊人）就已经能够构造这么完整的科学逻辑体系，给大家留下非常深刻的印象。

但是我们中国的古人，已经在某种程度上达到了同样的成果，墨子是我们的一个代表。墨子持什么观点呢？墨子强调大家要兼爱、非攻，在科学上墨子也有很大的成就。墨子是人类文明史上记载的第一个证明光是沿着直线传播的。他在茅草屋（墙）上挖一个小孔，人对着小孔站在外面，（观测者）发现（屋里墙上的）影子是倒过来的。摄像、照相机的原理都来自于小孔成像，墨子的实验也非常简单明了。他还最早提出：端，体之无序最前者也。 “端”是物体不可分割的最原始的东西，这里面已有原子概念的雏形。后面我们会讲到，我们所说的量子，其实就是不可分割的最小的单元。他另外一个观点也很有意思，“止，以久也，无久之不止”，物体运动停止下来主要由于阻力的作用，久就是阻力的意思，没有外力作用的话，物体会永远运动下去。这和牛顿第一定律是完全一样的。没有外力的时候，物体会匀速运动一直走下去。非常遗憾的是，后来我们战国时期圣人太多了，有些圣人通过思考就可以达到人生的追求，知道了世界是怎么样的。后来孟子就对墨子进行了批评，慢慢的我们中国的文化就开始走向儒家，跟哲学联系在一起，科学本身在中国没有得到很好的发展。这也是为什么我要取墨子（沙龙）这个名字，因为我们中国在古时候就已经有很伟大的科学家了，而且他提出的东西是在上千年之后才被西方世界重新发现。

宇宙要诞生生命，比人类的母亲怀胎十月困难的多。150亿年首先是大爆炸，然后过了100亿年，超新星爆发，再经过50亿年形成太阳，这时还没有生命，没有人来理解它，反推它的诞生是什么原理。幸运的是有量子力学和相对论可以反推宇宙的形成。现在我们继续看地球产生后的世界，这是人类生命的摇篮。目前有两种观点，一种认为有外星人的存在，有另外一些“地球”；一种认为地球是唯一的，因为目前为止还没有寻找到外星人来过地球的证据。很可能在整个银河系、宇宙中，我们是唯一的。费米曾做了这样一个论证，叫做费米悖论。地球形成后，因为火山喷发，彗星撞击地球，形成了大气层和海洋。35亿年前，生命开始在地球上进化。从单细胞生物到五亿年以前的初等海洋生物，到四亿年前在陆地上出现了植物。大概在3.6亿年之前，出现了两栖的动物；2.3亿年前呢，恐龙等爬行动物开始出现；1.4亿年前，哺乳动物终于在地球上出现了。人类进化史与宇宙演进史相比是非常短的。人类始祖在五百万年之前才出现在地球上，到180万年之前有了原始人，到了20万年之前，出现了人类真正的祖先智人，一万年前慢慢形成了现代人。到目前为止，人们通过观测到的现象、考古研究，大概勾画出了人类起源的雏形，对于我们从哪里来，要到那里去也有了一个初步的概念。

20万年之前，其实有两种人类同时存在。一类是硕壮人，另外一类是直立人。直立人后来发展成智人，成为我们的祖先。考古发现，硕壮人也会使用工具，大脑容量还高于直立人，我们现在判断人聪明不聪明，大脑容量是一个很重要的因素。为什么脑容量大的人反而灭绝了呢？其中一个本质的区别就是符号和语言的发明。直立人可以交流信息后，就可以将经验、教训告诉其他人，就不再是一个独立的个体，形成了一个集体。集体的智慧要比个体的力量强大，所以我个人认为，直立人在进化中胜出，信息的交互起到了关键的作用。从某种意义上来讲，在村庄或者某个部落里产生语言后，人们就可以互相交流信息，比如什么植物可以吃、什么不可以吃，吃了可能会生病。人们可以因为交流形成一个集体，形成更强大的力量对抗自然的灾害和困难。

人类能创造出许多光辉灿烂的成果，只靠信息的交互是不够的。获得雨果奖的科幻小说《三体》中的三体人有这样一个特点，他们只能讲真话，不可以在语言上欺骗他人，但这样的特性对形成个体的多样性是非常不利的。如果我们进化成为智能化的社会，你今天去哪，说了什么话，干了什么事全都录下来，包括大脑里在想什么别人也能全知道，人们没有任何个人隐私，创造力也随之消失。所以在人类进化当中，个人隐私和对其的保护是非常重要的。举个例子，当我在作报告的时候，你们当中可能还有人很喜欢，有人觉得是胡说八大，但你们不会当面告诉我、驳斥我。正因为隐私的存在，才导致了思想的自由与多样性，这是我们创新与进步的根本保证。正因为有这个，当年在古希腊雅典学院才有集体辩论、在中国春秋战国年代才有百家争鸣，各种各样的思想才能出现，如果人类只有统一的思想，世界就没有办法继续前进和发展，最终会成为一个落后的社会大家都读过吴承恩写的《西游记》，在《西游记》里，他发挥了无限的想像，书里有很多有意思的概念，其中一个叫做“天上一日，地上一年”。吴承恩认为神仙在天上生活，时间就过得比较慢，所以神仙可以活的比较长，他天上过一天，地上就过一年了。还有“顺风耳、千里眼”，顺风耳可以听见很远的地方发生的事情，千里眼可以看到很远的地方发生的事情。这就像引力波，我们十几亿年前发生的事情，我们现在可以探测到。

而爱因斯坦在一百年前就预测到，在今天的某一个时刻，引力波要来，我们观测到了。神话中的故事某种意义上随着科学的发展都是可以实现的。在《西游记》中，我们最喜欢的人物就是孙悟空，他有很多神通，比如分身术，毫毛一拔一吹，就能在各个地方同时能存在。比如，可以在我们这个报告厅，可以在北京，也可以在美国，在任何一个地方，同时都可以存在。另外一个是筋斗云，也是非常好的，突然在一个地方消失，然后在很远的地方出现。得益于这些科学的进步，这些神通都在变成现实。

德国的科学家赫兹1888年在实验室里证实了电磁波的存在，当时有一个有趣的现象，两个实验之间相距大概是十米，中间隔了一堵墙，赫兹在电磁波产生后跑步到另一边观测电火花的产生，但是永远都观测不断哦，因为电磁波每秒传播30万公里，远远高于人的速度。后来他拆了实验室的墙，才发现电磁波产生后瞬间发出的电火花。无线电辈发现后，又发明了电话、电视机，我们书里降到的千里眼和顺风耳都变成了现实。而爱因斯坦的相对论也告诉我们，天上一日，地上一年，也是可以成为现实的。举个例子，时间旅行，或者说双生子佯谬。假定有一对双胞胎，其中一个做了宇航员，乘坐一艘飞船到宇宙中旅行，如果飞船的速度非常快，接近了光速，当几十年后这个宇航员回到地球时，他的兄弟已经是一个老年人了，而他却还和以前一样年轻。人在高速飞行的时候，手上戴的表时间走的就会比较慢，这就是天上一日，地上一年。

因为科技的进步，信息交互的效率越来越高，信息传播越来越快。人们因此迎来第一次工业革命、第二次工业革命等等，人类的生活也得到了极大的改善。在原始社会，人们信息的交互通过语言或是文字，口口相传、千里传书，但这几种手段效率都比较低。第一次工业革命后，随着热力学和力学的应用，有了铁路（等交通工具），交互的速率大大变快；随着电动力学的广泛应用，人们又迎来了第二次工业革命，人们的交互越来越频繁和快捷，世界因此变得更小。因为量子力学等（理论）的应用，带来了电子计算机第三次工业革命，形成了现在的互联网。

科学是非常有意思的事情，科学家在科学领域做研究的时候，很少去考虑它的实用性。实用性对科学家来说不是最重要的，但通过对世界基础问题的探索、理解了事物发展的规律后，科学家得到了思想上的解放，科学的进步给人类带来了心灵的安宁和自由。而实际上科学也有巨大的实用机制。在牛顿力学、电力学、热力学等创立之前，人类的工业几千年来没有太大的变化，现在的人类生产力的巨大提高，主要得益于科学技术的进步。我们因此得到一个结论，随着科技的进步，信息的交互、有效信息的提取，已经并且将一直伴随着人类的进化和社会的发展。在这个过程中，科学发展的两个目标，一个是加强信息交互的效率，另一个是保证、加强个人心灵、思想的解放和自由，而这两个目标本质又是一致的。

回归到现实中，在现今科学发展的情况下，我们又遇到了什么实际困难呢？第一个问题就是计算能力的瓶颈。摩尔定律说，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。同样的功能，单位集成电路的尺寸越来越小，在十年左右将会达到纳米的尺寸。达到纳米尺寸后，牛顿定律、电动力学定律已经不再使用了，半导体晶体管不再那么可靠。在大数据时代，每天都产生大量的数据，我们要处理这些数据，必须建立庞大的数据中心，使用很多超级计算机。超级计算机的能耗是非常巨大的，如果沿着目前的数据处理的发展方向发展是难以维系的。所以现在人们都在考虑的一个问题就是：未来的计算应该是什么样子的？

未来会是智能化的社会，有智能汽车，不用人开车自己会动，有只能机器人，只要设定好程序就可以做好饭。在整个社会智能化之前，我们先要解决信息安全的问题。在现在的网络社会，我们要面对各种各样的窃听和黑客攻击。比如，在个人电脑芯片里，都留有后门，可以把我们的信息泄露出去，另外在我们收发电子邮件时，服务器里面也可以对邮件进行窃听；在信息传输的过程中，光纤本身也可以无感窃听。所以不论是在计算机的终端、服务器、传输过程中都可以进行各种各样的无感窃听。那我们该怎么办呢？干脆把所有信息在送出之前加密一下，有个非常有效的算法叫做RSA加密算法，但是512位的1999年就被破解了，768位的在2009年也被破解了。由于计算能力的增加，新一代的标准密码2012年还没投入使用又被破解了。统计表明，目前网络犯罪每年给全球带来高达几千亿美元的经济损失，这还不包括未来社会走向智能化之后带来的伦理问题，比如人的隐私和安全问题。这些问题是我们社会进步之前必须要解决的。而上世纪初建立的量子力学经过近百年的发展已经为了解决这些重大的问题做好了准备。在讲述如何解决这些问题之前，我们重新回到孙悟空的分身术问题。前面允许的，那么到底有没有分身术呢？量子物理是允许有这种情况的。根据Plank、Heisenberg、Einstein、Schrodinger这些科学家的研究得知，量子世界和牛顿的世界是不一样的。在牛顿的经典物理世界中，苹果要么在桌子上，要么在地上。人在这里，或者再那里，here or there，但他不可能同时在桌子上和在地面上。我们把在桌子上叫做“0”，在地面上叫做“1”，他只能处于两个可能性中的一个；而在量子世界中，他可以同时处于各种地方，这在我们生活当中是没有的。这到底是什么意思呢，我来举一个宏观的例子。比如说我正好到德国去访问了，我从法兰克福坐飞机回上海，假定有两条航线，一条航线从法兰克福经莫斯科到上海，一条航线从法兰克福经新加坡到上海。大家知道，莫斯科现在还是白雪皑皑，新加坡现在是三十多度，非常炎热。如果我坐飞机的时候比较累睡着了，我没有在看到底是从哪条航线过来的。假定在整个宇宙中，没有任何一个人，任何一台机器，任何一个信息能够告诉你，是从哪条航线过来，大家都没在看，当我醒来已经到达上海，回到研究院碰到同事，比如陈宇翱，他问：潘老师，这次你是从莫斯科飞过来的还是新加坡飞过来的？由于当时我是到上海之后才醒过来的，我路上没看，你们大家也没在看，谁都没在看，就我醒过来的时候是又冷又热，就像打摆子一样，我一会冷一会热，一会发抖一会冒汗。那我说我搞不清楚，我可能是同时从两边过来的，这个就叫做量子叠加，非常神奇。陈宇翱说潘老师你下次飞机上就别睡了，好好看一下（是从哪里坐过来的）。我就又坐了一万次飞机，当我看到经过莫斯科，就会感到寒冷，看到经过新加坡，就会感到很热。假定我又坐了一万次飞机，都睡着了，我假定在宇宙中任何一个人都没在看我是从哪边过来的，最后我到了上海的时候，我总是冷热交加。在微观世界里面这种现象是存在的，为了解释这种现象，我们有两个结论：第一，没有观测微观个体时，它可以同时处于两种状态，有相关叠加；第二，一旦对微观个体进行观测，对它的影响是巨大的，它会变成只有一种状态。外界对微观个体的观测和影响是不可忽略的。这和经典物理的理论很不一样，我们原本以为世界是完全独立于个人存在的，它的规律是永恒存在，不变的。在量子力学理论中，他告诉我们，世界在很大程度上独立于你而存在，但你的探索、努力的行为又对这个世界的演化是有影响的。从哲学上讲，是有很积极的意义的，肯定了科学，或者说人类对宇宙本质的探索。最早宗教告诉我们，有上帝、神的存在，我们是平等的，有天堂，这是唯心主义；牛顿力学建立后，他告诉我们天上行星的轨道都是可以计算的，我们知道了月亮上没有嫦娥、没有神仙和人类，我们成为了唯物主义者，从唯心到唯物；但是量子力学又告诉我们，人的行为的测量时可以影响世界的演化的，世界既不是完全唯物，也不是完全唯心的。最新的理论告诉我们，现在的世界是双极的，这对我们的思想是一次非常大的革命。（科学研究）告诉我们，我们的努力是有意义的。

回到墨子提出的端，量子还有一个性能，在叠加之外，量子本质上也是一个最基本的不可分割的单元。我们喝一瓶矿泉水，把一瓶水分成二分之一、四分之一、最后到不可分，成为一个个的水分子，无法再细分，没有二分之一的水分子。氢原子也是如此，光也是如此。我们把光的小颗粒叫做光子。光子、原子、分子是最基本的能量携带者，是构成物质的最基本单元，有不可分割性。最基本单元有什么特性呢？它有可叠加性。比如这只猫，无论你有没有在看它，它只有一个状态，活着是0，死了是1，只能是0和1中的某个状态。在量子的世界中，当猫和我们没有相互作用的时候，它可以处于0和1状态的叠加。目前猫这样相对较大的实体还无法塑造出这种状态，但微观颗粒就已经很容易实现。光的最小单元叫光子，光子会同时竖直和水平方向振动，我们把这种状态叫做0或者1，这就是死活活动状态的叠加。这样的一类状态，我们去测量它，就会对它有影响。所以对单光子的状态是测不准的，测不准就没有办法复制，因为一测它的状态就被影响了。所以我们想要了解原子的状态，拍照之后，它的状态就不再能变化了。我们可以给人拍照，但拍下来的只是图像，并没有把人的所有信息都拍下来，得不到全部的信息就不能对人进行复制。所以，从量子这个最简单的原理，我们得知最小颗粒是测不准的，测不准就不能被复制，不能被克隆。生命科学告诉我们，当两个人的基因序列完全相同的时候，其中一个就是克隆人，但量子物理的观点认为这两个人只是硬件一样，里面的思想、其他的原子的状态，是测不出来的。所以人作为个体，每个都是独一无二的存在。我们不必担心会被复制，量子力学告诉我们，一个原子你都没办法复制，更不用说更复杂的人了。但对这种现象呢，我们这位大物理学家，非常不满，他认为这时不可能的。你不在看他的时候，他可以同时在两个地方都存在，难道我们在看月亮的时候，月亮也不存在吗？他希望把问题搞得更清楚一点，如果有一只猫，它可以处于死和活的状态的叠加。那有两只猫，是不是可以处于一个活活和死死这样相关状态的叠加呢？这样写出来之后，每一位同学看了之后啊，可能觉得莫名其妙，不明白是什么情况。如果这种状态存在，比如我在宏观世界把它创造出来，作为圣诞礼物送给我的女儿和儿子每人一个，再给他们每人一个组合用的色子，让他都处于这个状态。我的孩子一个在北京一个在上海，开始玩这个游戏。比如我的女儿扔了一次色子，得出二这个结果，又扔一次，扔出三这个结果，她把这些结果都写下来，没有告诉任何人。然后她就给原原打电话，让弟弟来猜她手中的结果。如果是主动纠缠态，色子里面存在着很多纠缠态，每次用掉一对纠缠对，最后结果原原仍然能够猜出来。这什么意思呢？一旦可以组一段纠缠态之后，就让两个物体，哪怕相距多么遥远，这边这个结果定了，这边这个结果也就定了。而这两个结果都是完全一模一样的。爱因斯坦当时提出这个概念是想证明量子力学是多么荒唐，这种现象不应该存在。但后来很多实验都证明这种现象确实是存在的。今年初，爱因斯坦的引力波语言也被最终证实了。爱因斯坦预测的量子纠缠的一种怪异现象，在实验上已被证实是存在的。掌握了验证这些预测的科学本领后，我们对世界的了解从哲学问题转到了科学问题，并且产生了新的学科。如果信息的处理也存在0和1同时存在，0+1这种现象的话，就成为了量子通信。原理上可以实现无条件安全的通信，我们也可以因此发明新一代的计算机，这种计算机的输入比我们现在能够想象的计算机输入要快得多。并且它解决了我们所担心的一个问题，那就是人工智能会不会发展的太快，最后取代人类。在未来论坛大家曾经就这个话题进行了热烈的讨论，有些人很担心人工智能最终会消灭掉人类，我说目前我们是可以去放心的发展人工智能。因为计算机无论发展的规模多大，它的信息对人类是透明的，我们可以百分百复制，而人类的大脑是无法复制的。我刚刚降到，可能是量子的过程在起作用。比如我是一个机器人，我的女儿饿了，面前有两块蛋糕，命令机器人去帮她拿块蛋糕来。恰巧这个蛋糕的颜色、质量、离机器人的距离完全一样的时候，机器人要计算用最节省能量的方法、最快的速度拿到一块蛋糕送到我女儿的嘴巴里。但当所有的情况都一样的时候，机器人就死机了，算不出来了，这么简单的问题都解决不了。为了解决这个问题，我们需要对机器人进行预置，遇到这种问题你就到左边拿这块蛋糕，但这样机器人就没有自由意志了，因为它事先被预置了。但人类不同，人会瞬间对称不确定，跑去拿一个蛋糕给女儿吃了就可以了。这说明人类大脑的思维方式和机器是有很大区别的。但未来量子计算机是否会发展到人类大脑的程度呢？我们是不确定的，但这也给了我们一个更深层次的探索的动机。对量子通信的研究并非只是为了通信和计算，而是希望探索人类的意识是从何而来，我们看到的世界是人类大脑对世界的一种衍射，那么大脑是如何来理解这个世界的？我们希望随着这个研究可以得到更多好的知识和发现。

现在我来讲一下量子通信具体的应用。利用量子的不可分割、不可被复制的性质，（如图所示），（Alice）张三要将一些信息发送给李四（Bob），她先发送一些单光子作为密钥，窃听者想要窃听，只能有两个选择。一个是拿走（作为密钥的）单光子，李四就收不到了（知道了自己被窃听）；另一种是窃听者不拿走密钥，只拍个照，但在拍照过程中，单光子的状态发生改变了，（李四）通过检查发现了有人窃听。利用量子的不可分割和量子叠加导致的不可克隆定力，信息传输过程中存在的窃听肯定能被发现，这样我们可以得到原理上无条件安全的密钥分发的方式。拿到密钥之后，再对信息进行加密，就能实现机密内容不可破译的无条件安全的通信，这时我们目前在做的很好的科学应用。另外一个非常有意思的理论可以解答到底能不能实现孙悟空的筋斗云的问题。利用量子纠缠，确实可以实现筋斗云。因为原理比较复杂，我举一个例子。比如我从北京回来带了一些礼物，礼物装在保险箱里，但我把钥匙忘在了北京，如果这把钥匙和我们日常用的钥匙是一样的，我就给北京的同事打电话，要求他把钥匙扫描一下，把这些信息发到上海，我找锁匠造一把一模一样的钥匙，就可以打开保险箱了。但这把钥匙内部还有其他信息，只靠形状的信息是不够的，还需要内部0+1、0-1的信息，我又不能测量，因为一测量它的状态就改变了，从北京找人送过来时间又太长，怎么办呢？1993年，几位美国的科学家发现，利用爱因斯坦的量子的纠缠原理，我们不用测量也可以。假定这是这把钥匙（或是一个人），另外还有许多纠缠物质，我将纠缠物质和里面的人（钥匙）做一个操作，使他们两两纠缠，处于纠缠态，得到一些数据。通过无线电将这些数据从北京传到上海，上海有机器对这些数据做出处理，就可以在上海把这个人（钥匙）重新构造出来。理论上这是可以实现的。那么你肯定会问，这样不就复制出一个人来了吗？和北京的人是一样的。但其实这不是复制，为了把这个人从北京传到上海，必须先把北京的人摧毁掉，摧毁掉后，他的信息全转到上海，和以前北京这个人的质量、记忆、痛苦、疾病都是一样的。很多年前，我们在因斯布鲁克做了第一个实验后，在国际上引起了比较大的轰动。当时我们做的实验比较简单，只能送一个粒子，现在我们能送越来越多的粒子。现在我们要送人，送物质，需要很复杂的体系，还比较困难。但至少我们的实验已经证明了，在量子世界里“筋斗云”是存在的。随着技术的发展，也许某一天会成为我们旅行的一种方式。这种旅行方式很快，是光速进行的。人体大概有10的28次方个粒子，目前我们要送这么复杂的个体还不可行，但已经可以送一百到两百个粒子。当科学技术达到可以输送一两百个粒子的时候，我们就可以做一个分布式量子信息处理网络的基本单元了。有了这样的网络，我们就可以做更有意思的事情——量子计算。

虽然我们不能传送人，但我们可以用它来计算。举个例子，在经典世界的计算机里有很多存储元，1个存储元有两种状态，0或1，两个存储元有四种状态，00、01、10、11，三个就是八种状态，如果是N个，就是2的N次方中状态。但是量子世界里一个比特有0到1的所有状态，两个比特可以处于四个状态都存在的状态，如果是2的N次方这种比特，在量子计算机里是2的N次方的状态同时存在的，不只有1种状态，这样在处理信息的时候速度就会大大加快。大家可能看过这样一个故事，印度国王想要奖赏国际象棋的发明人，这人想要的奖励是让国王用大米把他的棋盘放满。棋盘的第一格放一颗米，第二格放两颗，第三格放四颗，每格都是上一格乘以2。国王答应了，后来发现全国几百年的大米收成都不够。所以2的N次方这个数字是非常巨大的。正因为如此，我只要能处理一百个比特，就可以做很多很强大的事情。比如说，我要对很大的数进行分解，比如说6等于三乘二，9等于三乘三。如果这个数字有300位（个位、十位、百位….三百位），这个数很长很长，然后我问你，这个数等于什么数乘什么数，计算起来就非常困难。比如用一台每秒钟可以算一万次的计算机计算，需要大概十五万年。但是量子计算机，一秒钟就可以算完了。所以这就是从本质上能提高我们的计算能力。量子计算机同时可以用于大数据、人工智能等等。我还要再举一个粒子，911事件本拉登把纽约世贸大厦炸了，炸完之后美国的中情局通过电话监控进行数据分析，发现恐怖分子打电话（联系）的信息，其实中情局都记录下来了，电话记录里录下了他们要进行恐怖袭击的录音。但是他们是在911之后才发现的，因为这种数据太多了，要全部找出来相当于解一个亿亿亿三次方变量的一个方程组，那么用现在最快的“天河二号”就要算一百年。就是说如果你事先不知道这些恐怖分子的名字的话，要把这些有效的信息找出来，你要算一百年。如果用万亿次量级的量子计算机，分析这些数据只需要0.01秒。恐怖分子电话刚打完，或者刚打到一半呢，警察就把你抓起来了。所以，科学的发展会给我们带来巨大的改变，只要你不做坏事，量子通讯是保护你的安全的。量子计算功能也非常巨大，它可以解决密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探很多问题。量子计算还可以在物质科学研究中解释新能源、新材料机制、高温超导、人工固氮一些能源上的问题。比如，要模拟三百个两能级粒子的演化需要的经典存储空间为2的300次方，如果用经典计算机储存，你把宇宙中所有的原子拿来建计算机都没法处理300个原子的问题，这就使得人们必须发展量子计算和量子模拟。

在报告的结尾，我来介绍一下（量子信息和量子计算）的实用化。第一个是技术比较成熟已经在应用的，用光纤实现城域的量子通信网络。利用中继器，我们一段一段的连接起来，实现城市之间的量子网络。我们希望通过微型的中转，能够实现广域量子通信网络，这是我目前在做的，也是目前在研究院里的大家正在努力的方向。目前我们正在构建一个，从北京到上海的通信干线，这条线大概会在今年的七月份建成，今年七月份，我们也会发射一颗量子卫星。有了量子卫星之后，我们可以初步构建广域量子通信网络，而且在大尺度的范围里检验爱因斯坦所讲的量子纠缠是不是真的存在。在量子计算方面，我们有一个比较短的目标，大概通过五年到十年的时间吧，大概能够实现五十个比特。五年大概能做到三十个左右，计算能力和我们现在的电脑差不多。十年后我们大概能够达到五十个左右，这个时候我们就可以比“天河二号”快上千倍。到了能做到100个量子比特的时候，我们对某些特殊计算的东西，大概比天河二号快百亿倍。

我们讲到多次取样的概念，举个例子就是中国大概十亿人，（100个量子比特的量子计算机比天河二号快）百亿倍，平均每个人可以分到十亿太天河二号。如果从计算能力来计算个人财富，到那时每个人的计算财富都要多过比尔盖茨，这是一件很有意思的事情。我们预测经过大概十年的时间，我们能够建成这么一个天地一体的全球化量子通信基础设施。那么在这个基础之上，我们会有一个有安全保障的未来的互联网。未来你的银行转款，身份的认证都不会被别人所窃取，形成一个有保障的未来的互联网。

在量子计算方面，利用量子模拟，我们已经取得一些比较好的机制，这本身也会产生非常可观的经济效益。最后，我希望引用惠勒——黑洞理论的提出者，他在2001年90周岁生日的时候送给我一本书，里面就有这张图，非常有意思的宇宙。经过150亿年的进化，终于让宇宙进化出我们，万物的精灵。它可以让我们来感受世界之美，让我们能感受这个世界的存在，理解这个世界的规律。为什么会这样？这个我们还不清楚，还需要进一步去研究。但是不管怎么说，用爱因斯坦的话来说，探索的动机一个主要目的确实是为了追求思想上的解放。我们人类自古以来就对世界有恐惧感，在了解了宇宙的规律后你就会变得比较智慧，有了智慧之后，你就不再困惑，你就不会因为自身在宇宙中的存在感到不安。随着你慢慢理解宇宙的规律之后，了解了自然界的自然现象后，你去做任何事情，成功也好，不成功也好，最后你会成为一个仁者，你就不会去患忧患失，来考虑这个世界你到底会失去什么，会得到什么。而对于整个科学的掌握，尽管这个道路比较艰辛，但最后的目的都是为了学做人，为了达到智、仁、勇。谢谢大家。

2016-05-12 上一篇: 【新闻】墨子沙龙科技活动周——把“科学”的种子带回家 下一篇: No More Content!