朱嘉明：量子科学，未来十年最大的变量

2020年12月14日被公认为量子科学诞生120周年。为此,《彭博商业周刊》邀请数字资产研究所学术与技术委员会主席朱家明教授在2020年彭博年会上发表题为“量子科学，未来十年最大的变量”的主题演讲。本文是朱家明教授根据讲座记录所做的修改文本，现授权发表，以纪念120年前物理学家普朗克改变历史的伟大时刻。

两年前，2018年12月，朱家明在京组织了区块链和数学的会议，量子计算是主要内容。2019年11月，在“如果量子科学技术在可预见的未来取得重大突破，量子计算机和量子网络真的到来，原有的区块链理论和区块链技术基础，包括密码数学和哈希函数，可能会发生根本性的动摇，还会蔓延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”的背景下，《朱家明又在广州》这篇会议公报讨论了所谓的“量子霸权”问题，如何评价，如何应对。仅在过去的一年里，世界范围内的量子科技就不断取得突破，证明了关注量子科技发展速度的必要性。朱家明不仅是数字经济、数字资产和区块链研究的先驱，也是近年来不断呼吁各界关注量子技术的倡导者。

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。朱家明教授做了“量子科学，未来十年最大的变量”的主题演讲。朱家明在开场白中说:如果未来的经济增长和科技革命是一种函数关系，那么量子技术就是科技革命中最重要的“自变量”。以下是朱家明教授的演讲:

量子科学，未来十年最大的变数

从科学史的立场来看，20世纪无疑是物理学定义的世纪。因为在过去的20世纪，几乎最重大的技术革命，包括原子能、半导体、计算机、IT革命和互联网，都是由物理科学推动的。20世纪，物理学革命的旗手一个是普朗克，一个是爱因斯坦。

让我们回到两个场景。第一场，时间:1900年12月14日星期五；地点:柏林；人物:普朗克。那天，他在柏林的一次物理学例会上发表了题为《论正态谱中的能量分布》的演讲。本文提出了一个令人震惊的观点:物质吸收的辐射或能量不是连续的，而是一个接一个的，只能取某个最小值的整数倍，这就是量子。普朗克确定了能量量子与振动频率的数学关系，进而提出了这样一个简单的公式:ε=hv，即能量=普朗克常熟振动频率。从那天开始，量子科学诞生了，现代物理学的蝴蝶飞向了天空空。

第二场，时间:1905年；地点:伯尔尼；人物:爱因斯坦。受普朗克启发，爱因斯坦认识到光束由有限的能量组成，能量量子不可再分。确定了光量子的能量与频率的关系，正式提出了狭义相对讨论。代表狭义相对论的共识诞生了:E=mc。

普朗克和爱因斯坦

图片来源:互联网

普朗克和爱因斯坦都关注能量结构和能量分布。这恰恰是现代物理学的关键。我们可以这样说:20世纪是从这两个“最简单”的公式ε=hv和E=mc开始的。确切的说，整个20世纪的发展并没有超出这两个公式所确定的范围。对这段历史最精彩的总结来自罗维利的《现实不是你看到的那样——量子引力之旅》:

“20世纪物理学的两大支柱，广义相对论和量子力学。这两者大相径庭。广义相对论是一块坚固的宝石，是爱因斯坦综合前人的理论构想出来的。这是一个关于重力、空和时间的简洁而自我修正的理论。量子力学，或者说量子理论，宇宙的思想，经过四分之一世纪的漫长酝酿，经过许多科学家的贡献和实验，终于形成了。量子力学在实验中取得了无与伦比的成功，带来了改变我们日常生活的应用。”

今天，我们在这里纪念量子科学诞生120周年，承认量子科学改变了20世纪人类的经济形态，我们需要面对量子科学对世界未来日益强大的影响。为此，与听众分享三个相关问题:

一、量子科学史的启示

1.“量子科学”属于一群有渊源的物理学家所奠定的科学。

“量子科学”不是一个人创造的，而是19世纪末到20世纪上半叶一群最聪明的大脑创造的。他们的代表人物有普朗克、薛定谔、狄拉克、玻尔、奥本海默、海森堡等等。

回顾这些历史伟人的贡献，我们不断地不提1927年在布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议，那次会议被称为“量子峰会的决战”。

图片来源:本杰明·库普里

这张照片很有名。一共29人，其中17人获得诺贝尔奖。这次会议的主体是量子和光子问题，分为实验派、爱因斯坦派和哥本哈根派。这些聪明的大脑在这样的时刻聚集在一起，它们的地理分布是非常有限的。从瑞士伯尔尼到丹麦哥本哈根，中间到柏林、维也纳、荷兰莱顿。南北1200公里，东西1400公里。所有的距离都小于从北京到上海的距离。

量子力学的诞生范围

我们再想象一下，正是这些聪明的大脑，他们的思考、讨论和辩论，如此大规模地影响了物理学100年。苏威会议的发起人苏威是一位成功的企业家。他的历史出名不是因为他的财富，而是因为他对物理学的探索和探索的支持。

2.“量子科学”是典型的开放科学。

因为量子科学产生了一系列交叉科学:量子数学，它是基于时间和空之间的量子性质，用来描述真实的物理世界；量子宇宙学，从试探性的物理学理论应用到宇宙起源的研究；量子天体物理学，运用物理学的技术、方法和理论研究天体的形状、结构、物理条件、化学成分和演化规律的学科；量子化学，研究范围包括稳定和不稳定分子的结构和性质以及结构与性质的关系；分子间的相互作用；分子间的碰撞和反应等问题；量子生物学，用量子力学研究生物过程和分子动力学结构，以及量子水平上的分子动力学结构和能量传递。总之，“量子科学”就像一根脊梁，延伸出一簇量子科学。

3.量子科学”是一门以实验为基础的大科学。

量子科学和它的科学最大的区别就是需要很强的实验条件，所以量子科学是以实验为基础的大科学。没有实验，就没有量子科学和量子技术的进步。量子科学是一门大科学。科学是指投入大、涉及多学科的大型基础科学研究项目。因其建设成本可观，设备体积大，研究对象多，覆盖面大，意义重大，被称为大科学。

量子科学属于大科学。量子科学的未来发展，并不意味着任何一个企业家凭借一个人的力量和几个教授的想象力就能实现突破。2008年在日内瓦建成的强子对撞机、量子望远镜、核聚变实验堆，以及中国启动的量子空实验中心，都属于跨学科量子科学技术的巨额资本和“基础设施”。今天早上的主题是“科学技术和新基础设施”。事实上，最大的新基础设施是支持科学研究的基础设施建设。

4.同时，科学衍生出一种全新的科学哲学。

20世纪初，牛顿在17世纪创立的经典力学被认为是一个非常完整、无懈可击的科学体系。人们甚至认为，在未来，我们只会精确地测量牛顿力学。但是，量子力学和相对论颠覆了“牛顿力学”。“量子科学”的“分离、不确定和关联”是空的全新概念。比如世纪不再是所谓的“矢量”。人们根据“相对论”和“量子科学”对时间空的理解与人们的经验不同，这就改变了牛顿在绝对时间和空之间的思维模式。其中，最重要的一条就是所谓的“决定论”。

80年代的《走向未来》系列中有一个是《上帝如何掷骰子》，这在当时是非常前沿的内容。背景是在1927年的布鲁塞尔物理学大会上，玻尔和爱因斯坦就如何对待随机性进行了一场重要的争论。爱因斯坦确实说过，“上帝不掷骰子。”

也就是说，爱因斯坦认为世界是成立的，是完美的，我们看到的是世界缺陷，不是世界本身的缺陷，而是因为人有认知问题。玻尔，也就是哥本哈根学派，认为:“世界是很随机的，上帝可能会掷骰子。”所以“上帝掷骰子吗”是量子科学提出以来最严肃的哲学问题。

2.为什么“量子科学”是未来十年最大的变量？

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

1.第一次“量子科技革命”。

1900年，第一次“量子革命”开始，工业革命方兴未艾，美国成为工业强国，引领世界潮流。在工业革命，尤其是第二次世界大战和冷战的背景下，第一次量子科技革命在很大程度上得到了推动。从原子能到核能，激光、半导体、计算机、互联网、智能手机，无一不与第一次量子科技革命息息相关。与此同时，量子科学理论不断突破，例如:1964年的夸克模型；1974年“霍金黑洞辐射理论”，最近有媒体报道说实验证明了黑洞的存在，也就是霍金的理论是可以证明的。

2.第二次“量子科技革命”。

20世纪80年代后，第二次“量子科学革命”开始。背景是世界正在快速进入后工业社会和信息社会。信息技术革命成为主导。硅谷的崛起。其中，最具标志性的事件是1981年夏天IBM和MIT联合举办的“第一届计算物理学大会”，在离MIT校园不远的Endicott House举行。计算和量子物理学史上最有影响力的领军人物出席了会议。包括康拉德·楚泽、查尔斯·贝内特和理查德·费曼。

理查德·菲利普斯·费曼对量子理论做出了巨大贡献。他在大会上正式提出了利用量子效应进行计算的想法，即需要量子计算机。这次大会形成了一个重大共识:量子计算机将信息存储在所谓的量子比特中，即量子比特，量子纠缠和量子干涉可以用来寻找指数级大数据计算的解决方案。只有几百个量子位的量子计算机执行的计算比已知宇宙中的原子数量还要多。不管怎么说，这是划时代的。

理查德·菲利普·费因曼

图片来源:caltech.edu

自20世纪80年代理查德·菲利普斯·费曼以来，量子科学领域出现了理论突破。博阿凯1984年有“超弦理论”，90年代有M理论。

3.第二次“量子科技革命”取得实质性进展。

下图由崔伟教授整理，列出了自1984年提出“量子通信BB84协议”以来，量子科学技术的主要进展。

图片:崔伟教授的团队

从这个表可以看出，从1984年到现在，量子科学技术的主要领域集中在量子通信、因式分解、算法、计算机、保密通信等等。今天，我们将谈论“纳米技术”和7纳米。新冠肺炎是100纳米，1纳米是头发直径的万分之一。芯片大概2nm，3nm，7nm，都是离开量子科学和工具/技术。值得注意的是，2019年，量子计算机发展加速，打破了人们认为量子计算机还是一项意义深远的技术的保守认知。

结论:从20世纪80年代到2020年，基本完成了量子科学从R到D的转折，完善了量子技术体系。第二次量子科技革命的基本特征是基于量子特性的基于量子器件的革命。量子技术已经开始与信息社会和数字社会互动，彻底改变并继续改变我们对微观世界和宏观世界的认识。

三。量子霸权和量子霸权竞争

量子科学、量子计算和量子测试正在成为国家力量、资本力量、企业焦点和竞争的全新领域。

1.“量子霸权”的命题和定义。

2012年，美国物理学家普雷斯基尔在《量子》杂志上首次使用了“量子霸权”的概念，将“量子霸权”定义为:当量子计算机实现了一个经典计算机做不到的事情的关键节点时，无论完成的任务是否有实际意义，量子霸权都已经形成。

2.“量子霸权”集中的地区。

公认为三个领域:量子通信、量子计算、量子精密测量。

这张照片是由崔伟教授的团队制作的。

2019年9月20日，谷歌发表报告，称其获得“量子霸权”是因为实现了一台53量子位的计算机。IBM不同意这一点。不过，在我看来，谷歌“量子霸权”的争夺才真正开始。

3.国家成为“量子霸权”竞争的重要组成部分。

“量子霸权”的实现，代表着经典量子技术从理论到实验的突破，标志着计算能力飞跃新时代的开始。2002年，美国国防部提出了量子信息科学技术发展计划。美国提出了未来的两个基本目标:未来五年，美国公司和实验室将展示量子网络的基础科学和关键技术，包括量子互连、量子终端、量子存储器、高通量量子信道和洲际秘密纠缠分发，同时他们将找出这些技术的潜在影响，并改进其应用，以带来商业、科学、健康和国家安全效益。未来20年，量子互联网链接将利用网络化的量子器件实现经典技术无法实现的新功能，同时促进对量子纠缠的理解。

2016年的欧盟、2018年的德国、2014年的英国、2019年的俄罗斯、今年的印度都提出了自己的“量子方案”。

随着量子技术的发展，美国总统里根在上世纪80年代提出的“星球大战”计划具有参考价值。然而，事实上，今天的“量子霸权”竞赛远远超过了星球大战计划。从规模、资金投入、国力、人力等方面来看，对现实经济生活、社会生活、地缘政治都有着深远而强烈的影响。因此，与会者建议，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”的竞争，更需要在特定的目标下，聚集更多具有国际资源的学科部门和人才。

2020年席卷全球的疫情并没有阻止“量子技术”的历史进程。比如2020年6月，霍尼韦尔基于IBM提出的量子体积性能评估概念，发布了量子体积为64的量子计算机，是目前最强的。2020年8月，谷歌量子研究团队宣布在量子计算机上模拟了迄今为止最大的化学反应。2020年9月，IBM发布了扩展量子技术路线图，将引领IBM在2023年实现超过1000个量子比特的量子计算设备。近日，英国量子软件公司Riverlane宣布，其高性能通用操作系统Deltaflow。OS已经进入量子计算机商业化的关键阶段。

幸运的是，中国在“十三五”规划和即将到来的“十四五”规划中将量子科技列为国家科技战略的组成部分。前不久政治局召开会议讨论量子技术问题。

图片:新闻联播

4.主导“量子霸权”的企业和资本。

除了国家的必然，还需要动员国家资源参与“量子霸权”竞争，企业和资本的“集结号”已经吹响。

这些科技巨头有些是大家熟悉的，有些则是不熟悉的。最近有报道称，正在大力发展量子计算机的企业包括谷歌、IBM、英特尔等科技巨头，以及Rigetti、IonQ等初创企业。等待购买霍尼韦尔量子计算机的公司排起了长队，这也预示着量子计算即将进入一个重要的新发展阶段。

2020年11月初，欧洲超导量子计算机领军企业IQM宣布完成3900万欧元A轮融资。到目前为止，它已经筹集了7100万欧元。人们经常谈论商业领域的“跑道”。现在量子技术的赛道已经铺好了，关键选手已经上场了。对于后来者来说，如何获得参赛资格并拿到门票是个问题。

量子技术的商业前景只有两种:一种是急功近利的商业前景。现实地说，量子技术很难在短时间内达到高投资回报率的商业效果。第二，中长期业务前景。量子技术的商用期应该是乐观的，因为量子技术代表了未来的大趋势。

在高科技和硬科技，甚至是“黑科技”竞争领域，马斯克开创了一种结合技术、资本、人类中长期发展方向的商业模式。这是值得中国企业家思考的。2019年，马云和马斯克在上海进行了一次面对面的对话。在对话的过程中，两者的区别是很大的。作为马云的代表，对AI持相对保守的态度；马斯克代表火星人主张火星移民，对AI充满热情和想象力。两个人的差异背后，其实是两种不同的商业模式，或者说是技术商业模式的差异。

诚然，量子技术的未来还有很长的路要走。相关学科协调还很薄弱，人才紧缺，相关教育落后。尤其是在量子技术这种硬技术上，实现创新和突破是非常困难的。但是，中国仍然可以在量子计算理论、量子技术软件，特别是量子技术标准体系的建立方面有所创新和可能的突破。这些领域都需要大量的人力投入，中国有很大的潜在优势和很大的发展空。

还有半个多月，不仅仅是2021年的新年，还有20年代的开始。人类进入了科技主导经济、科技资本融合金融资本和产业资本的新时代。量子科学技术将带领我们度过突破信息和材料科学技术经典极限的激动人心的时刻，并将在未来的科技革命中发挥核心和主导作用。不到100个量子比特就可以存储整个世界，这已经不是一个难以捉摸的理论。毫不夸张地说，以量子技术为主导的量子产业体系正在崭露头角。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！

结束。