《颠覆:迎接第二次量子革命》

《颠覆:迎接第二次量子革命》

作者:
郭光灿 中国科学院院士 中国科学技术大学教授
  近代科学自诞生之日起,不仅持续地催生了令人炫目的技术,而且极大地改变了我们的生活方式。科学无疑是技术的源头,但却不能仅仅是为了发展技术而去从事科学研究。因为科学是人类智慧的结晶,是现代文明的代表,科学不仅提供了令人赏心悦目的审美价值,而且已经成为改造文化的巨大力量。作为理性精神的集中代表,近代科学的内在精神瓦解了众多在传统上由宗教、皇权、习惯与风俗所统治的诸多领域,不断地改变着人们的思维方式,并且取代它们成为思想和行动的指南。人们往往忽视了科学的这个更为重要的功能,即文化再造的功能。
  我们不得不痛苦地承认,在我们的传统文化中,最缺乏的是理性精神和演绎逻辑学的方法,直到五四运动,先贤们力图请进“赛先生”和“德先生”。但是,按照杨振宁先生的说法,直到1949年中华人民共和国成立,近代科学才真正开始在中国这块土地上扎根。所幸的是,历史表明,作为现代文明的科学文化可以通过外部植入任何一种现存文化中,但这是需要长期的,在某些领域甚至是需要几十年乃至上百年的不懈努力方可实现。但是,若是没有改造文化的努力,就难以提升全民的科学素养。当然,在科学之内和之外的任何领域,只要研究者想达到精确、严密和系统的理论化的境界,那么科学精神和严密的逻辑思维就是不可或缺的。同时,大众的科学素养极其重要。因为,很难想象在大众科学素养很低的情况下,科学可以得到健康的发展。因此,科学教育和科学普及不仅仅是为了培养未来的科学家,更应该是作为一种文化来开展,要让科学文化植入中华文化,让科学知识作为强化科学精神和确立逻辑思维方法的载体。这项任务任重而道远。其中,科学普及则是连接科学与公众的桥梁,是训练科学思维、传播科学精神、普及科学方法的重要载体,从而促使大众树立求真、求实的作风和严密的逻辑求证思维方式;更能够激发读者的探索欲和好奇心,引发读者的思考;当然,它也将唤起年轻人对科学的兴趣,吸引他们投身科研实践。这是科学普及工作的要义。
  当前,人类正经历百年未有之大变局,诸多技术的运用几近极致。就基础科学而言,诸多学科领域也正孕育着突破,因此催生的新一轮技术革命和产业变革蓄势待发。在此形势下,我国的科学与技术事业适逢巨大的发展机遇,也面临着严峻的挑战。与此同时,我国科普事业发展兼程并进,越来越多的公众体会到了科学的乐趣,触摸到了科学普及的温度。在科学发展日新月异、重大技术突破层出不穷之际,面对新时代的新需求,如何更有效地普及科学和前沿问题,传播科学精神、科学思想和科学方法,值得广大科技工作者关注和思考。
  优秀的科普作品根植于科学研究的沃土之中,科普离不开科技工作者的主动作为和深度参与,科技工作者不仅要成为科学传播的开路者,更要成为全社会科学文化的坚守者。历史上享誉国际、影响一代又一代人的科普著作,比如达尔文的《物种起源》、法拉第的《蜡烛的故事》、爱因斯坦的《物理学的进化》、竺可桢的《向沙漠进军》、华罗庚的《统筹方法》等,都是科学大家结合自身科研实践所创作的与自身研究领域高度相关的作品。近年来,在国家科学技术进步奖、全国优秀科普作品奖等评选中脱颖而出的优秀科普作品,大多也是广大科学家从“科研”向“科普”的践行。
  “科学与未来:院士科普丛书”正是在这样的时代背景下诞生的,它是由中国科学院学部科学普及与教育工作委员会策划,并号召组织各领域院士专家创作的。该丛书强调前沿引领、科学严谨和通俗易读,注重规范原创、思想价值和创新体验。总体有如下特点。
  一是强调从“科研”向“科普”的转变,打通学术资源科普化“最后一公里”。而且,作者们将所述领域置于整个科学史的宏大背景之下予以考察,并特别注重与历史、哲学、思想、艺术和社会的结合。大多采用讲人物和故事的形式,增添阅读兴趣,进而逐步引导读者形成自己的思考。
  二是强调科学精神的弘扬与引领,不再停留在简单的知识普及层面,而是以特定的科学知识为载体,激发公众的科学热情,弘扬科学精神,倡导培养逻辑思维,树立基于科学的价值观,从而形成有别于互联网内容的具有独特价值的图书内容。
  三是强调科普主阵地由实用技能科普向科学素养科普的转变,也就是从实用技术普及向对科学本身理解的转变,激发读者自己去探索科学知识的兴趣,引导读者建立自己的科学价值观。
  2018年5月,习近平总书记在两院院士大会上强调:“当科学家是无数中国孩子的梦想,我们要让科技工作成为富有吸引力的工作、成为孩子们尊崇向往的职业,给孩子们的梦想插上科技的翅膀,让未来祖国的科技天地群英荟萃,让未来科学的浩瀚星空群星闪耀!”
  “科学与未来:院士科普丛书”的创作和出版是一次顺应时代发展潮流的实践探索,不仅希望更好地传播传统科学知识,更希望将科学知识、科学精神、科学思想和科学方法内化为公众的信念、思维、行为与习惯,希望将“永远好奇、敢于质疑、探求真理、勇于创新”的科学精神在中华民族心灵深处落地生根,希望不断吸引一代代年轻人走进科学、奋勇向前,为建设世界科技强国、实现中华民族伟大复兴而努力!
  近年来,随着量子信息领域的不断发展,“量子纠缠”“量子通信”“量子计算机”等高科技词汇频繁地出现在大众媒体中。与此同时,各种量子产品和概念更是层出不穷, “量子”一词变得神秘莫测而又神通广大,俨然万物皆可量子。那么,量子信息是如何发展起来的?它究竟能为人类的生活带来哪些新技术?又能为人类的科学带来哪些革命?亟须量子信息领域的专业人士为我们拨开层层迷雾,回答这些问题。
  郭光灿院士20世纪80年代初期即致力于推动我国量子光学的发展,90年代率先在我国开展量子信息的研究。当时,量子信息学尚处于萌芽状态,还没有被我国学术界广泛了解。郭院士历经重重质疑,数十年如一日率领研究团队攻坚克难,在量子信息领域取得一系列进展,建成世界首个量子政务网络,研制成功保真度极高的固态量子存储器等,并利用所发展的量子信息技术研究量子物理基本问题,验证了新形式的海森堡不确定性原理,制备了光子的波动态和粒子态的任意叠加态,挑战玻尔互补原理所设定的界线等。郭院士创建了我国第一个量子信息实验室,作为首席科学家承担量子信息领域的第一个973项目,荣获量子信息领域第一个国家自然科学奖。显然,量子信息领域德高望重的郭院士是撰写量子信息方面的科普书来为我们解惑的不二人选。
  该书凝聚了郭院士长年钻研探索的心血,从著名的 EPR 佯谬和薛定谔猫佯谬开始生动地演示了从量子力学到量子信息学的发展进化,深入浅出地介绍了量子信息领域的各个研究方向,包括量子计算、量子密码、量子模拟和量子优盘等,还高瞻远瞩地展望了量子信息引发的第二次量子革命将对物理学带来的深刻影响。
  郭院士的这本科普书不仅解答了当前社会上关于量子信息的种种疑惑,还展现了量子信息的精妙之处及其广阔应用前景,一定会吸引新一代年轻学子投身我国量子信息学和量子物理学的研究,相信这也是毕生教书育人、桃李满天下的郭院士撰写此书的心愿。
第一章“量子”究竟是什么
一、“量子理论”的诞生

二、“波动 -粒子”二象性——光子的双缝干涉 

三、描述量子世界的“量子语言”——量子态 

第二章 爱因斯坦的“幽灵”

一、爱因斯坦与玻尔的争论 

二、 EPR 佯谬 

三、 EPR 思想实验的回应与影响 

四、爱因斯坦与玻尔争论的焦点与实质 

五、“幽灵”可否用来实现超光速通信 

第三章 神奇的量子非局域性

一、贝尔定理与非局域性 

二、量子纠缠 

三、量子隐形传态 

四、量子技术能否将人瞬间转移 

第四章 薛定谔猫究竟是怎么死亡的

一、薛定谔猫佯谬 

二、哥本哈根学派:量子测量导致波包塌缩是“猫”的死因 

三、环境消相干导致薛定谔猫的死亡吗 

四、薛定谔猫的自然死亡 

第五章 第二次量子革命

一、第二次量子革命是什么 

二、量子力学与广义相对论的融合问题 

三、传统量子力学向何处发展 

四、万物源于真空 

第六章 量子计算——颠覆性的新技术

一、从摩尔定律的终结到量子计算的诞生 

二、量子计算机的工作原理 

三、量子编码 

四、量子算法 

五、量子计算的物理实现 

六、量子计算的发展现状与前景 

七、量子计算机带来的颠覆性影响 

第七章 量子密码果真绝对安全吗

一、传统密码技术面临的挑战 

二、量子密码的诞生 

三、实用的量子密码 

四、量子密码的发展 

五、量子技术时代的信息安全 

第八章 量子模拟中的有趣量子现象

一、量子模拟的原理 

二、量子麦克斯韦妖 

三、马约拉纳零模 

四、拓扑物相 

第九章 量子优盘

一、量子存储器:概念及应用 

二、固态量子存储器 

三、实现量子优盘 

四、总结与展望