量子科技革命：中国面临的重大历史机遇与挑战——专访中国科学院院士薛其坤

量子技术最本质的特征是什么？量子技术革命对我国有何意义？近日，经济日报独家专访南方科技大学校长、中国科学院院士薛其坤，并发表文章《量子技术革命是重大历史机遇——对话薛其坤，中国科学院院士、南方科技大学校长”。我们来听听他是怎么说的。 ↓↓↓

图①薛其坤院士在实验室研究量子材料研发技术。图②薛其坤院士在清华大学物理系办公室。图③南方科技大学校园一角。 （档案照片）

量子力学的建立使人类从宏观到微观认识世界

记者：大家都在关注量子技术。党的十九届五中全会《建议》中特别提到了“十四五”量子技术发展和2035年远景目标，请您教育一下我们读者了解量子技术最本质的特征是什么？

薛其坤：量子技术的核心本质是可以通过比较来理解的。宏观世界物体的运动规律遵循牛顿运动定律。每个人都知道牛顿力学。如果我们知道了物体的初始状态和力，就可以通过求解牛顿第二定律方程来确定物体未来的状态，即任意时刻的位置、速度等状态参数。以火箭为例。如果我们知道推力的大小和方向，我们就可以准确计算出火箭在未来某一时刻的位置和速度。这就是人类利用牛顿力学来控制物体的运动状态和发展的方式。高科技的典型例子。

本质上，量子力学是一门研究微观世界物体运动规律的科学。

中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤接受经济日报副总编辑徐丽静专访

物质是由原子组成的。原子由原子核和绕原子核运行的电子组成。原子核由质子和中子组成。这些微小颗粒是肉眼看不见的。它们的运动定律与宏观物体遵循的牛顿力学不同：例如，我们无法同时精确地测量它的位置和速度。这就是微观粒子所遵循的不确定性原理。对于宏观物体，我们可以准确地测量它们的位置和速度。此外，微观粒子具有波动性。例如，小球是粒子，手机使用的信号是无线电波。粒子和波是两种完全不同的东西。比如在微观世界中，电子就像一个小球、一个粒子，但同时又像电磁波一样，具有波动性，具有波粒二象性。描述微观粒子的运动状态和运动规律的科学是量子力学。上面提到的不确定性原理和波粒二象性是量子力学的一些基本概念。这些概念很难用常识来理解。

量子力学的发展历史比较悠久，已有110多年的历史。当卫星从地球上的某个位置到达月球附近时，它的轨迹在每个人的脑海中都是连续的。但在量子力学中，描述粒子状态的物理量的值是不连续的，就像阶梯一样。不连续的最小区间实际上对应的是量子的概念。这个量子概念是德国科学家马克斯·普朗克在100多年前提出的。

量子力学的建立，使人类从宏观到微观认识世界，是近400年来现代科学发展史上的一次革命性飞跃。 20世纪出现了三大科学发现，分别是相对论、量子力学和DNA，因此量子力学被公认为是上世纪最伟大的科学发现之一。

随着量子力学理论的突破，新的量子技术正在逐渐诞生。 20世纪50年代，人们根据量子力学发明了晶体管。有电子晶体管或半导体晶体管。后来有了电子计算机、互联网，才有了今天的信息社会。可以说，通过对微观世界的研究，人们不仅建立了上世纪的量子力学，而且还发展了当前基于量子力学的信息技术。当前信息技术时代的科学基础是量子力学，可以称为量子技术的第一时代。

第二次量子革命是数百年来我国有能力、有基础全面介入和参与的第一次科技革命。

记者：也就是说，没有当时的革命性发现，就没有今天的互联网。

薛其坤：是的，没有量子力学就没有电子计算机，没有电子计算机就没有互联网。量子力学的发展导致了半导体晶体管、电子计算机、激光器和光纤通信的发明。集成电路有了，手机芯片有了，移动通信有了。这个逻辑关系是非常清晰的。

量子技术直接应用的一个例子是全球定位系统。无论是美国的GPS还是中国的北斗系统，其所依赖的最根本的技术就是精确的时间测量技术。众所周知的石英钟每年的误差约为1秒。 20世纪50年代和60年代，美国研制出基于量子技术的原子钟，实现了数百万年的测量精度仅为1秒。为什么这对 GPS 最重要？卫星定位汽车所在位置，需要使用三到四颗卫星，通过电磁波精确测量汽车与卫星之间的距离，从而实现定位。当汽车移动1米时，这种移动引起的电磁波传播时间的变化很小，因为电磁波以光速传播，约为每秒30万公里。如果没有高精度时钟，就无法准确测量这种微小的时间变化。有了几百万年误差只有一秒的原子钟，全球定位系统的精度可以达到10米，甚至不到1米。这样就可以准确判断车在哪里，还有准确的谷歌地图、高德地图等，对时间的精确测量可以催生新技术。同样，重量、长度等物理量的精确测量也能催生新技术。量子科学技术的发展不仅催生了全球定位系统的出现，还带动了许多其他先进应用技术的发展。一系列量子技术的应用，开创了量子技术的第一个时代——现代信息时代。

这些信息技术是基于对微观世界的科学研究而开发的。在基础研究的过程中，我们首先发现新的量子现象和量子定律，然后发展技术，即科学研究在先，技术发展在后。计算机硬盘是另一个例子。如今，计算机硬盘驱动器的存储密度超过每平方英寸 1 TB。 1T多少钱？是 10 的 12 次方。这项硬盘技术是如何被发现的？ 1988年到1989年，德国和法国的两位科学家发现了巨磁阻效应，这是一种量子效应，可以用来探测非常微弱的磁信号。高密度信息存储是通过微型磁罗盘实现的。磁罗盘越小，存储密度越高，但信号越弱。发现巨磁阻效应后，人们可以探测到非常小的磁针和非常微弱的磁信号。这意味着单位体积用来存储信息的小磁针的密度可以做得很高，信息存储量也会增加。这就是当今硬盘技术的来源。我将这种通过发现量子效应和量子定律来思考和开发应用的过程称为被动模式。

本世纪见证了这种发展模式的重大飞跃。这个跳跃是什么？这是从被动到主动的转变。通过一百多年的研究，我们对量子世界和微观世界的认识已经更加深入和系统。在此基础上，我们可以积极设计自然界中没有的量子系统来开发应用。目前大家所熟悉的量子通信和量子计算机就是积极设计量子系统来开发信息技术应用的例子。这也是目前大家关注量子技术的一个重要原因。

量子计算原型“九章”仅用200秒就解决了高斯玻色采样的数学算法。这一突破使我国成为世界上第二个实现“量子优势”的国家。 （新华社发）

我们现在使用的是电子计算机，也许在不久的将来，通用​​量子计算机将会普及。量子计算机是遵循量子定律执行高速数学和逻辑运算、存储和处理信息的物理设备。与现有计算机相比，量子计算机在信息存储和运算方面具有幂指数或多项式加速等优势。就像20年前的超级计算机一样，它的功能还没有今天的手机芯片强大。一旦出现通用的可纠错量子计算机，性能相当于手机芯片、体积相当于一栋大楼的电子计算机在信息方面可能还不如体积相当于房间大小的量子计算机处理能力。这种通过积极设计量子系统而开发的信息技术被称为第二代量子信息技术。

目前，量子计算机、量子通信等第二代量子技术仍处于发展初期，距离商业化应用还有很长的路要走。众所周知，我国在前三次工业革命中并未发挥主导作用，也没有深度参与。第二次量子革命是数百年来我国有能力、有基础全面介入和参与的第一次科技革命，是中华民族伟大复兴进程中的重大机遇。

记者：太好了！

薛其坤：这就是为什么我们国家必须在“十四五”规划和2035年远景目标中重点部署这个领域，并迈出这第一步。无论是以蒸汽机为代表的第一次工业革命，还是以电气化为代表的第二次工业革命，我国基本上都错过了。我们刚刚赶上以信息技术为代表的第三次工业革命的尾声，没有一项核心技术源自我国。从改革开放到现在，我们基本上都是在学习国外发明的技术，引进、吸收和再开发信息技术。因此，能够在历史上首次同时参与一场技术革命，意义重大。我想这也是一场考验我们中华民族智慧和能力的革命。

我国在量子技术方面总体处于领先地位。现在我们必须专注于基础研究

记者：我国在哪些方面采取了主动？

薛其坤：量子信息技术包括量子计算机、量子和量子精密测量/传感三大领域。虽然我国原创技术很少，但在量子计算、量子精密测量方面，我国还没有与西方国家形成代沟。在量子通信方面，我国在规模和应用探索方面具有优势，比如墨子号量子卫星的发射。在相关基础研究方面，我国总体位居世界第一。

记者：没有代际差异，这一点非常重要。是不是也可以说我国在量子技术方面走在了前列呢？

薛其坤：是的，我觉得用在第一广场这个形容基本是正确的。

记者：目前第一方格内还有哪些国家？

薛其坤：我们传统上理解的G7（美国、英国、加拿大、法国、德国、意大利、日本）。总体而言，美国领域最全面、关键技术领先、综合实力最强。

记者：我国目前存在哪些不足？

薛其坤：首先，量子技术人才储备不足。由于这项技术比较前沿，所以长期以来一直处于基础研究阶段。近20年来，我国基础研究发展迅速。人才培养需要时间。无论是量子技术各领域的人才队伍规模，还是优秀科学家群体，我们都还不足。二是关键零部件、设备等一些基础材料仍依赖进口。与其他领域类似，我们的科研人员仍然需要依赖一些进口设备来进行量子技术实验，我们也需要解决完全自主的问题。但从时代的发展来看，我们基本上已经到了同平台竞争的阶段。

记者：要真正实现经济高质量发展，这一领域的基础研究非常重要。

薛其坤：你说得很好。事实上，基础研究人才的培养需要很长时间，基础研究的发展也是如此。你现在必须保持冷静。中华民族的伟大复兴也意味着科学的复兴。我们必须为世界科学和人类科学做出贡献。习近平总书记多次强调基础研究，高度重视基础研究。我认为习近平总书记从两个方面指出了它的重要性：中华民族伟大复兴和构建人类命运共同体。通过科学技术的发展，我们不仅使我们的国家更加强大，也为人类未来创造更加美好的生活发挥作用。构建人类命运共同体，科学界应该参与其中。

薛其坤院士在实验室研究量子材料研发技术。 （档案照片）

建设中国特色世界一流研究型大学，培养世界一流人才

记者：您提到了一个特别重要的问题。我们要保持科技领先，思想文化支撑非常重要。您最近到南方科技大学履新。深圳已经走过改革开放40年，南方科技大学也迎来了建校10周年。在这个特殊时期，你们将如何建设南方科技大学？

薛其坤：在深圳经济特区成立40周年纪念大会上，深圳被列为中国特色社会主义先行示范区，进入经济特区发展新时代。建设先行示范区，除了产业进步、经济发展、社会繁荣之外，人才培养和高等教育发展也非常重要。

南方科技大学成立仅10年，就被教育部确定为高等教育综合改革试点学校。南科大改革首先要满足先行示范区和粤港澳大湾区规划的需要。南科大如果发展得好，将对推动先行示范区建设发挥重要作用。我的基本想法是如何在中国特色社会主义先行示范区建设中国特色世界一流研究型大学，培养世界一流人才。这是我肩负的重大责任，也是我需要认真思考的重大问题。

南方科技大学校园一角。 （档案照片）

营造浓厚的氛围，让孩子们以成为科学家为理想

记者：您是我国科学家的杰出代表。您想对年轻学子说些什么？

薛其坤：我们都生活在信息时代。先进的现代科技让我们的生活变得非常方便，但是它从哪里来呢？这取决于科学进步和技术发展。中华民族要实现伟大复兴，人民要过上更加美好的生活，科学进步和技术发展至关重要。我衷心希望更多的优秀年轻人能够留在科学界，留在基础研究领域，留在高新技术发展领域，投身研究。我们希望孩子们热爱科学，把成为一名科学家作为自己未来的理想。

记者：小时候，我的理想是成为像居里夫人那样的科学家。

薛其坤：是的，现在我们需要通过制度创新，营造孩子们以成为科学家为理想的浓厚氛围，为他们成为科学家创造条件。

记者：我认为你们会为南科大的师生提供一个良好的环境，因为你们理解他们。

薛其坤：我会朝这个方向努力。我将向师生、海内外同仁、历史学习，立足深圳、胸怀祖国、面向世界、面向未来，认真思考，努力走出一条建筑建设的“南科之路”。新时代世界一流大学。 ”。

传记

薛其坤，中国科学院院士、南方科技大学校长，国际著名实验物理学家。主要研究方向为扫描隧道显微镜、表面物理、自旋电子学、拓扑量子物理和高温超导。曾获国家自然科学一等奖1项、国家自然科学二等奖2项，以及陈嘉庚数理科学奖、求是杰出科学家奖、何梁何利科技成就奖奖。 2005年11月当选为中国科学院院士。 2013年，他带领研究团队在国际上首次发现了量子反常霍尔效应。 2020年，他荣获菲莱兹伦敦奖，成为该奖项自1957年设立以来第一位华人科学家、第二位亚洲科学家获此殊荣。

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