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我希望，我們每一位朋友和我們整個國家，都能超越自己，實作量子躍遷。
本文是作者2022年1月參加位元組跳動主辦的年度活動“新知十講特别策劃”的演講文稿，視訊見https://www.ixigua.com/7051459542873276931，目前觀看量已達13.1萬次。
大家好，我是科技袁人袁岚峰，來自中國科學技術大學。感謝位元組跳動邀請我參加年終特别策劃，作為十大年度知識人物之一來講講今年的“變化”。确實，2021年對我和對整個中國科學界來說都發生了重要的變化。
最顯著的變化之一，是中國在量子計算領域也達到了世界領先。以前中國是在量子通信方面領先，在量子計算方面落後于美國，然後2020年跟美國達到了并駕齊驅，而今年又在某些方面超越了美國。
不久前，大家可能都看到了一個實驗室漏水、學生搶救受獎勵的報道（5名學生淩晨救了實驗室被重獎！網友扒出一個秘密……）。可以告訴大家的是，那就是我所在的實驗室！就是合肥微尺度物質科學國家研究中心，簡稱微尺度。
這個故事是這樣的。11月21日淩晨兩點，有一位同學去做實驗，發現有個房間在漏水，波及到了自己的實驗室。在這個實驗室内有180個通道的超導納米線探測器，如果沒有得到及時處置，将造成至少2400萬元的經濟損失，而且會延誤“九章三号”實驗一年以上。他立即召集隔壁的四位其他同學一起引水，并通知物業關閉了水閥。事後，微尺度決定獎勵這五位同學12萬元。
其實這事剛一出來，我就收到了微尺度的通報信件（淩晨兩點拯救九章三号，微尺度五位同學獲獎勵 | 袁岚峰）。我看完以後就默默地把它放在一邊，沒有跟任何人說。每當我科普一個比較神奇的科技，都會有人在評論區說擔心洩密，但實際上我對保密的警惕性是非常高的。然而一天之後，就有不知道什麼人把這消息發到自媒體上去了，然後一下子全國的自媒體都在報，然後全國的官媒都來報。令我和同僚們欣慰的是，讀者的反響都很正面，這成了一件神奇的壞事變好事。我們中國人民還是很可愛的！
關于對理化大樓06-004實驗室漏水進行及時處置的相關人員進行獎勵的通報
在這則新聞中有好幾個關鍵詞。許多人注意到了“淩晨兩點”，感歎科大的學生這麼勤奮。許多人注意到了“獎勵12萬元”，稱贊科大的上司很有魄力。不過在技術上，最重要的關鍵詞是“九章三号”，因為它是中國正在研制的、世界上最先進的光量子計算機。
2020年12月4日，第一代的“九章”量子計算機全世界刷屏，它對“玻色子取樣”這個問題超越了最強的經典計算機一百萬億倍，标志着中國在量子計算領域跟美國達到了并駕齊驅，領先其他國家。2021年10月26日，“九章”更新成了“九章二号”（“比超級計算機快億億億倍！”），光子數從76增加到113，對經典計算機的優勢從一百萬億倍增加到了一億億億倍，即從10的14次方增加到10的24次方，又提高了10個量級。“九章三号”會達到什麼程度呢？非常值得期待。通過這次的報道，讓全國人民都知道了“九章三号”的存在，這也是個意外的收獲。
九章二号1
九章二号2
其實在這之前不久，還有一個隻有專業人員注意而普通群衆不太清楚的進展，就是中國消滅了美國的量子優越性。請注意這不是個情緒性的表述，不是說中美兩國在進行你死我活的搏鬥，而是說量子計算機和經典計算機在賽跑，美國本來讓量子計算機取得了優勢，最近中國科學家又改進了經典計算機，讓它反超了量子計算機。這是一個良性競争，是量子和經典雙方在互相學習、共同進步，而不是零和博弈。
讓我們具體解釋一下。所謂量子優越性（quantum advantage），就是對某個問題，量子計算機超過最強的經典計算機。例如九章這一系列，就對玻色子取樣這個問題實作了量子優越性。其實這個概念剛提出來的時候叫做量子霸權（quantum supremacy），後來許多人覺得這個詞聽着像霸權主義，讓人不舒服，是以現在更多地叫做量子優越性了。但這隻是個修辭的問題，無論叫量子霸權還是量子優越性，實質意思都是一樣的。
2019年10月23日，谷歌宣布自己的量子計算機“懸鈴木”（Sycamore）實作了量子優越性。它處理的問題叫做“随機線路取樣”，這是一個對經典計算機十分困難、而對量子計算機相對容易的任務。懸鈴木取樣200秒獲得了100萬個資料，而當時最快的超級計算機“頂點”（Summit）獲得同樣的資料需要一萬年，是以實作了量子優越性。
然而，在那之後立刻有很多團隊來改進經典算法，力圖反超懸鈴木。例如IBM立刻提出了一種方案，可以把經典計算機的時間縮短到兩天半。當然兩天半還是比200秒長，但差距已經大為縮小了。這有助于大家了解，這是量子和經典之間的競争，而不是中美國家之間的競争，你看IBM也在努力推翻谷歌的優勢嘛。其他一些機構，如阿裡巴巴達摩院，在這個目标上也取得了成果。
2021年11月，經典計算機實作了突破。中國科學院理論實體研究所張潘研究員的團隊對經典算法做出了重大改進，15個小時就完成了懸鈴木的任務。你也許會說，15小時還是比200秒長啊？是的，但張潘他們用的隻是一個512塊GPU的計算叢集，這個計算能力是很小的，隻是用來示範算法。他們預測，把這個計算遷移到我國最新的超級計算機即新神威上，就可望在幾十秒内完成，短于200秒。這就正面擊敗了懸鈴木。是以，理論實體所報道這項工作的标題就叫做《谷歌量子霸權的瓦解》（谷歌量子霸權的瓦解 | 中科院理論實體所）。
張潘等人的論文
從量子計算的角度，來看一下目前的大圖景。中國在至少一種實體體系上實作了量子優越性，即九章系列用的光學體系，這也是人類目前唯一可靠的量子優越性。美國原本在懸鈴木的超導體系上實作了量子優越性，但現在被經典計算機反超了。是以美國實作量子優越性的體系數從1變成了0，又跟其他國家一樣了。
在美國原本具有優勢的超導體系上，中國也在大踏步地前進。2021年10月26日，潘建偉團隊在宣布九章二号的同時，還宣布了另一台量子計算機，叫做“祖沖之二号”（中國量子計算機再獲突破！在這方面已超越美國「知識辭海計劃」| 科技袁人）。它是今年5月6日發表的“祖沖之号” （袁岚峰在央視新聞解讀超導量子随機行走計算機“祖沖之号” | 科技袁人）的更新。祖沖之二号跟懸鈴木一樣也是超導體系，執行的任務也是随機線路取樣，但複雜度比懸鈴木高得多。這就引出了一個有趣的問題：張潘等人的經典算法能不能反超祖沖之二号？我問了張潘，回答是不知道，因為他們還沒來得及研究祖沖之二号。是以你看，中國内部也在進行量子與經典的競争。
祖沖之二号
總結一下，中國有量子優越性的實體體系數可能是1，即光學，也可能是2，即光學加超導。而其他國家都是0，包括美國從1變成了0，是以中國在這方面世界領先。
目前最有趣的是，最強的量子計算機是中國造的，最強的反超量子計算機的經典算法也是中國提出的。這場“左右互搏”十分奇妙，中國在量子計算領域和經典計算領域都在引領世界（量子計算和經典計算都引領世界，中國是如何做到的？| 袁岚峰）。
量子資訊這門學科，包括量子計算、量子通信和量子精密測量三部分。下面，我們來講講今年中國在量子精密測量和量子通信的成果。
量子資訊的三個分支
一個最近的例子，是11月29日人民日報微信公衆号發了篇文章《中科大釋出新成果！》（中科大釋出新成果！），點贊上萬。可以看出人民日報的編輯和絕大多數讀者一樣，都是“我看不懂，但我大受震撼”，于是起了這麼一個既自豪、又懵懂、又放棄治療的标題，僅僅說“中科大釋出新成果”，結尾歎号，完全沒說這是個什麼成果。
實際上，這是我的同僚和朋友彭新華教授團隊的成果，她幾個月以前就跟我說了這件事。最近論文正式發表了，于是開始通報媒體宣傳了。我給大家簡單地解讀一下，這是一個探測暗物質的工作。
請大家看這兩張圖。前一張是以前的大型天文學觀測給出的暗物質界線，就是說暗物質隻可能存在于這條界線之下。這條界線還比較高，是以我們看到暗物質粒子在裡面遊來遊去，嬉皮笑臉。後一張是彭新華等人用量子精密測量的方法給出的新界線，比以前一下子低了5個數量級。是以我們看到，暗物質粒子在裡面沒多少地方可遊了，愁眉苦臉。好比在一個魚塘裡抓魚，我們可以說，量子科技承包了這片魚塘！
大型天文學觀測給出的暗物質界線
桌面式實驗觀測給出的暗物質界線
有人也許會問，這個成果能不能得諾貝爾獎？回答是：還不能，因為它隻是縮小了暗物質可能出現的範圍，還沒有找到暗物質。也就是說，它處于“工欲善其事必先利其器”的階段。如果将來找到了暗物質，那當然就遠不止是諾貝爾獎了，而是引發科學革命。
在量子通信領域，中國有非常明确的優勢，大約領先歐洲3至5年，領先美國5至8年。
2021年1月7日，潘建偉等人發表論文，宣布建成了天地一體化的量子通信網絡，即天上的“墨子号”量子科學實驗衛星加地上的“京滬幹線”量子通信骨幹網（跨越4600公裡，中國量子通信全球領先，歐美多久才能追上？| 袁岚峰）。墨子号是2016年發射的，京滬幹線是2017年開通的，這篇論文是對它們幾年來運作情況的總結。基本結論是，廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟，為未來覆寫全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。
中國的天地一體化量子通信網絡
經過幾年的媒體宣傳，許多人可能都知道了，量子通信的主要作用是保密傳輸。這是正确的，但這個天地一體化量子通信網絡的作用還不止于此，它是全人類一個重要的科學研究平台。
例如2019年9月20日，潘建偉等人在《Science》發表文章，用超大尺度量子幹涉的實驗探索了量子力學與廣義相對論的融合。什麼叫量子力學與廣義相對論的融合？量子力學與廣義相對論是目前實體學的兩大基礎理論，但你仔細想想就會發現，基礎理論居然有兩個，正說明它們都還不夠基礎。真正基礎的理論，應該隻有一個才對。是以實體學家在努力把兩者統一起來，這是整個科學界最重要的前沿之一。
具體而言，近年來，有澳洲學者提出了一個理論模型，叫做“事件形式”。他們預言，處于量子糾纏的光子對在地球引力場中傳播時，關聯程度會損失。是以我們可以通過觀測這個效應，來檢驗這個理論。
這樣的實驗原本沒法做，但現在有了墨子号就可以做了，因為墨子号可以向地面相距上千公裡的兩個地方發出糾纏光子對。實驗檢驗的結果，是沒有觀測到關聯有損失，是以否定了澳洲學者的理論。不過這個理論并沒有死透，如果想拯救它，就要對它進行修正。中國未來發射的高軌道量子科學實驗衛星，會對修正後的理論進行檢驗。
比具體結論更重要的是，人類終于有了這樣的實驗條件，能夠研究這樣基礎的問題。是以中國的天地一體化量子通信網絡不止是中國的财富，而且是全人類的财富。這才符合毛主席的期望：中國應當對于人類有較大的貢獻。
講完了中國量子資訊科學界的變化，來講講我自己的變化。最顯著的變化，就是我出版了第一大學普著作，标題叫做《量子資訊簡話》。我講過很多領域的科普，但講得最多的就是量子資訊。而量子資訊，也正是近年來最熱的科技領域之一。
《量子資訊簡話》
是以，這本書引起了很多人的關注，第一次印刷很快就售罄了，目前賣的是第二次印刷。但同時也經常有人問我，要什麼樣的知識程度才能看懂這本書啊？高中夠不夠？國中夠不夠？要不要先去學一遍大學實體？我每次都回答他們：隻要會認字、會數數，就能看懂此書的很大一部分。
實際上，這本書的副标題就是“給所有人的新科技革命讀本”。我的指導思想就是給所有人看的，國小生看不會覺得它太艱深，科學家看也不會覺得它太淺薄，任何人都可以從中得到收獲。此書的推薦者之一是中國科普作家協會理事長周忠和院士，他是一位古生物學家。他說：“這是一本我見過的有關量子資訊最好、最通俗易懂的科普書，适合每一位關注科技前沿的讀者。”10月23日舉行過一次簽售會，然後主持人和我驚訝地發現，第一位來找我簽名的是一位四年級的國小生同學，然後還有許多國小生、中學生，甚至有幼稚園的。
随着量子領域不斷有重要進展報道出來，中國人民對量子科技的了解越來越多了，也越來越有自信了。以前每次中國有重要成果出來，都會有很多人說這是假的，是騙錢的，是沒有意義的。我寫過很多文章駁斥這些謬論。現在任何人想反駁這些謬論就很容易了，把我的《量子資訊簡話》拍到他們面前就行了。
在此書的開頭，我就寫了一節“正确和錯誤的思維方式”，闡述了如何對量子科技以至于任何科技正确地了解。基本原則就是要認真去學，最好是自己去讀專業教材和論文，其次是讀專業人士寫的科普。千萬不要被民科帶着跑，聽風就是雨。
例如以前有一段時間，經常有人來問我，聽說量子通信有争議，是不是這樣？我總是告訴他們：在科學層面，沒有任何争議。
因為量子通信的原理是早就經過嚴格證明的，學術界早有共識。從來沒有人在正規期刊上發一篇論文推翻量子通信。所謂争議隻是一些網絡文章，難道這能叫作學術争議嗎？比如說我現在寫一篇網絡文章反對“1 + 1 = 2”，難道你就會認為“1 + 1 = 2”有争議嗎？如果這樣的話，那麼你會發現找不到任何一個沒有争議的東西。連“地球是平的”都有很多人相信，你會認為地球的形狀有争議嗎？
有趣的是，過了一段時間之後，說“量子通信是騙局”的聲音少了——因為中國的量子計算取得重大成果，這些人又去一窩蜂地論證“量子計算是騙局”了！量子計算為量子通信吸引了火力！這真是一個時代的喜劇！
這幾年來，我為中國的量子資訊研究者感到非常不平。他們辛勤拼搏，把量子資訊變成了極少數的中國在整體上處于領先地位的大的科技領域之一，這是一個了不起的成就。然而為什麼在許多輿論中，他們俨然成了騙子，引得許多人群起而攻之？難道就因為他們比其他人優秀得太多？正如《讓子彈飛》的那句話：憑什麼好人就得讓人拿槍指着？木秀于林，風必摧之，這難道就是我們的宿命嗎？如果我們好壞不分，埋沒好人，那這個國家、這個民族還有什麼希望？
科技部的上司曾經跟我聊過，說許多人說潘建偉的量子通信是假的，該怎麼看？我說大家可以想一想，如果我們聽了這些人的，把潘建偉趕走了，讓他到美國去了，對我們是好事還是壞事？上司一聽就明白了，說那當然是壞事。
真正的英雄，總難免經曆磨難。但最重要的是，他們堅持做正确的事情。這是我非常敬佩量子資訊研究者的一點。随着中國量子資訊的成果一樁接一樁地報出來，中國人民逐漸地習以為常了，在心理上接受了“中國是先進國家”這個事實。
例如以前，當中國隻有少數成果領先時，常見的一種說法是：但凡說中國的科技超越美國的，都是假的。另一種常見的說法是：量子通信美國不搞，隻有中國搞，可見美國是早就知道這東西沒前途是以不搞。然而現在，随着中國的領先成果越來越多，從星星之火到四面開花，這些愚蠢的論調就逐漸偃旗息鼓了。這種理論在事實層面是錯誤的，在邏輯層面也是錯誤的。誰規定中國科技不能超越美國的？誰規定美國不搞的中國就不能搞的？這都得心理扭曲到什麼程度，才會相信這種邏輯！
是以，反量子資訊的民科聲勢越來越低了。以前在評論區經常見到民科的狂歡，現在逐漸隻剩一些鐵杆民科像孔乙己似的喃喃自語，還經常引起旁觀者的嘲笑。我們中國人民還是很可愛的！
這說明，“堅持做正确的事”這個政策雖然看起來是最緩慢的，但歸根結底是最強大的。我自己也有若幹次這樣的體驗。人生有時就是這樣：各方面的壓力都非常大，即使有再多的人願意幫你也幫不上忙，你唯一可依靠的就是你自己努力，做你該做的事。
最終，我做出了我該做的事。不需要等待外界的承認，當一個人真正做出了不起的成果時，他自己是知道的。我知道，我進入了新的境界。我對自己說，我超越了自己。
用量子力學的語言比喻，這叫做“量子躍遷”，表示不連續的飛躍。我希望，我們每一位朋友和我們整個國家，都能超越自己，實作量子躍遷。
謝謝大家！