量子与信息科学的发展和应用
一、为什么要研究量子科学
首先，让我们回溯下过往，整个科技殿堂在伽利略、牛顿、法拉第、麦克斯韦等大家的构筑下已经非常完美，尤其是牛顿力学，从小到我们看不见的物体到体积庞大的星星，都能够预言它所有的运动轨迹。我们能用牛顿力学了解任何一个物体的初始状态，认识它的过去、它的未来，牛顿力学让我们能够描述整个自然界的运动规律、运动轨迹。后来一个铁匠的儿子法拉第发现了电和磁，我们高中都学过了，电、磁是密切相关的。又有一个数学非常好的学者叫麦克斯韦，他用4个非常优美的公式把电、磁给统一起来了，所以在那个时候看物理学非常完美。后来拉普拉斯把整个行星的轨迹给推算出来了，那一年是1900年，我们觉得整个经典物理学已经非常完美了。我们知道世界万物这个起点的话，那么它的未来、它的过去我们都能知道，这个是经典的。当时这座物理学大厦已经非常完美。
但实际上那个时候任何科学发展都是源于实验。1908年有一个科学家叫昂尼斯，将氦气成功压缩成液氦。当时有一部分科学家研究原子、分子光谱，有一部分科学家研究所谓的黑体辐射。黑体辐射实际上就是一个完全封闭的体系，然后你给它加热的话，辐射有一部分被投递出来了。当时解释黑体辐射，有几个经典的公式，但按照经典公式，随着波长缩短，这个强度发散到无穷大，这个现象叫紫外灾难。当时很长时间都无法解释实验观察到的黑体辐射的能量的强度和波长的关系。
二、第一次量子革命
当时有一个物理学家普朗克就尝试解决这个问题。他利用统计的方法，统计强度与波长的关系和推动力的关系，发现黑体辐射在没有波长下是满足这个规律的，所以这一年被认为是量子力学的元年。为什么？你要满足这个的话，能量不再是连续的，而是一份份发射出来的。但这是什么道理，他也说不清楚，就这么一个经验，实验结果的一个拟合，就被公认为量子力学的元年，也叫第一次量子革命。
接下来就是爱因斯坦讲相对论，广义相对论、狭义相对论，等等。他从这个公式发现了端倪，他就猜想光电效应，原子受到激发以后会吸收光子，吸收光子是因为它不是连续的，它是一份一份地吸收或者发射，他就提出了光量子概念。这是一个理论假设。爱因斯坦因为这个概念得到了诺贝尔奖。后来美国有一个科学家叫密立根，他就不服气，觉得这是很荒诞的，能量反射怎么会是一份一份的？应该是不连续的东西。他花了10年的时间来证明爱因斯坦光量子这个现象是对的还是错的。他终于在1949年证明1905年爱因斯坦提出的光量子光电效应是对的。后来其他一些科学家，发现了放射性，发现了电子。像居里夫妇把放射性物理本质解释得非常清楚。另一个物理学家卢瑟福根据一系列的实验证明了原子的模型，最简单的一个模型。这个阶段称为第一次量子革命或者旧量子革命。
还有一个非常有意思的争论，我们日常生活中看到的光的东西，它的本质到底是什么呢？是波还是粒子？牛顿认为光是粒子，他说光可以反射、散射等，认为光是一个一个粒子。因为他是大学者，所以这个理论很长时间没有人反对或者提出异议。直到100多年以后有一个叫托马斯·杨的人，他是一个农民。他当时做了一个非常有意思的实验，看到两个波相遇以后有一个地方是叠加的，有一个地方是相减的，就是一种波的干涉现象。就这样，对光到底是波还是粒子有一个很长久的争论。
三、第二次量子革命
量子力学真正的建立，是在20世纪20年代。爱因斯坦贡献了第一次量子革命，然后是波尔、玻恩、薛定谔、狄拉克等科学家，他们在非常短的一段时间内，在1920年到1930年之间，就发展完善成这套能够揭示微观世界完整的一个理论。
我现在讲讲几个人的贡献。第一个人是薛定谔，他大概是1916年发现波动力学。当时他就说想建立一个理论描述波动性，索末菲就说你这个想法不太靠谱，我认为如果是要描述波的话总得有一个波动方程。说者无心听者有意，薛定谔记住了。大概在1915年的下半年，他考虑着电磁波的波动方程，考虑着相对论效应，然后就切入一个波动方程，但这个波动方程是错的，后来做实验才改对的。之后他做了一部分的改动，突然恍然大悟，他就说在这个波动方程里面，他用的是波长，后来他把波长换成动量，就得出现在我们用到的薛定谔的波动方程。但是他对量子力学还是比较排斥的，他说这个东西讲不清楚，就跟波尔争论，说如果见鬼的量子跃迁真的存在，我非常遗憾我亲自参与了量子力学的建设。可以看到，建设量子力学这座大厦这些学者对量子力学本身都是有非常多的体验的。比如，当时爱因斯坦也不同意哥本哈根学派的一些观点。
第二个对量子力学有重要贡献的是德布罗意。他研究光是粒子还是波动性。当时爱因斯坦得出两个公式：E=hv; p=c/v。他用这两个公式叠在一起就得到了一个非常简单的公式，什么公式呢？波粒二象性公式，即pλ=h，而且这个公式适用于光子，也适用于电子，是光子还是电子就这么简单又完美地解决了。后来他认为世界万物所有的物体都是具有波动性和粒子性的。这个公式把世界万物的波动性和粒子性给联系起来了。
第三个人是海森堡。薛定谔从波的角度建立波动力学，波尔从粒子角度建立矩阵力学。后来这两个东西完全是对应的，可以相通的。海森堡最大的贡献就是发现这个测不准。宏观物体你能同时知道它的位置、动量、能量，但是微观世界你要想测它的位置，它的动量、能量肯定测不准，而且位置这个偏差越小，动量、能量偏差就越大。这个测不准原理是我们微观世界存在的另外一个规律，就叫测不准原理。
前面我讲的量子力学是基于实验的，对我们很多实验观察现象的不同解释，逼迫着我们去做一些更深的探索。对一些发现的实验现象要跟过去的经典理论做对比，做出一些重大的突破。这就是第一次量子革命和第二次量子革命的过程。
四、量子科学为什么这么热门
现在量子科学是非常火热的，其实，量子科学在我们现代社会有很多的应用。比如原子弹就是基于量子科学原理制作的，激光也是基于量子原理。我们常用的东西，也有很多是基于固体物理、量子力学，比如手机、互联网、GPS等，所以量子力学其实我们早已经在用了。
现在的手机、电脑等的计算能力，摩尔极限已经到了。大家可以看到，现在整个世界的信息还处于爆炸当中，我们每个人都在产生很多数据，我们发了很多图像，我们拍很多照片，每天都有海量数据产生，现在整个人类产生的大数据每两年翻一番。
就是这么一个背景，我们呼唤一种颠覆性计算能力来处理这种复杂的、大规模的、无序的数据，这就是目前对算力提出的希望。我们现在用数字计算机的话，每一个信息就是0和1，它需要两个比特来存储，要么是0要么是1。但是量子计算的基本概念就是量子比特，这个东西没什么神秘的。什么叫量子比特？任何具有简单两能级的微观或宏观体量体系就可以形成一个比特，一个光子、一个电子、一个原子、一个质子，甚至一个操场，一个宏观量子系，就可以形成一个简单两能级。另外，量子计算机它存储和运算能力正比于比特数2的N次方。大家想想看，50个比特，2的50次方是多少，如果100个量子比特，2的100次方是多少，就是这么一个东西。我们现在用的超级计算机能计算几百万的任务，它可能需要几百万年才能够完成一个计算任务，而50比特量子计算机可能只需几秒钟就搞定了。当然这是从理论极限提供的一种可能性，实际上可能还差得比较远。
量子力学从原来被动的观测到了现在主动的操控，这种操控是通过光、电、热、力、磁等完成的。这是现在的量子科技跟过去的量子科技相比而言最大的差别。另外，量子具有不可分割性，我们可以把一个光子劈成两半，但量子是不可分割的，以保证它的绝对安全，这保证了量子完成计算精密测量的一些任务。现在这块我们都有布局。
五、量子科技的国内外现状
下面我来介绍一下国际上的现状。英国在2014年提出一个非常清楚、非常详细的量子科技发展蓝图。2016年，欧洲提出了一个10亿欧元的量子旗舰计划。最重要的是，大家可以看到2018年12月21日，美国提出了国家量子行动法案。这个法案以总统法案的形式立法。它要做这么多任务，首先是制定了量子行动国家10年计划，美国成立了一个新的机构叫国家量子协调办公室，然后成立了一系列的小组，而且每一个部门，要协同合作。比如国家标准局要扩大支持基础研究、应用基础研究，要推动发展所需要的测量和这种标准基础设施建设，其次是成立量子协会，要对未来策略、标准还有网络安全进行引领。要多成立几个科学中心和教育中心，要成立量子信息科学研究项目，为本科生、研究生提供研究经验的培训和训练。
量子科技是一个任重道远的工作，这个东西不能捧杀，也不能棒杀。近年来，美国两个院士做了一个调研，他们当时提出这样一个结论：除非出现颠覆性技术，在未来的10年内出现通用量子计算机是小概率事件。但是这不排除我们利用电子一些特殊的性质来制备特殊功能的量子模拟器和专用量子计算机，这个还是可以的。所以目前还是加紧基础研究和人才队伍的储备，这是国内外大的趋势。
我们国家有比较好的基础和优势，在量子通信方面是引领国际的，并且量子计划被列入国家优先发展战略，如山东省在2009年就成立了济南量子科技研究院。另外，我们量子通讯方面的领军人物是潘建伟，他发射了世界上第一颗量子卫星，并且做出了一个京沪的概念，现在京沪这个概念要到广州来。
六、量子行动在广东
我是1995年到北大的，我为什么做量子呢？北大当时有曾谨言教授，他做量子力学。这位老先生非常厉害，他说量子纠缠非常有意思，将来有可能在量子通讯、量子计算方面得到应用，这是1998年，这句话我记住了。北大是我实现人生梦想的第一个地方。但是这个梦想是从非常简陋的一台漏气的管式炉开始的。后面条件逐渐变好了，这个小东西可以用光、电、力、热、磁等来调控它。量子十分贵，没条件是绝对做不起实验的。我就是这样听了一位老教授的引导，走上了量子计算这条路，后面就一直走这条路。
在我们南科大，我们建立了量子材料研究所、量子计算研究所，设立了量子精密测量和量子工程应用等专业。我们还跟别人不一样，我们叫重大科学仪器研讨中心，这些量子相关研究的场所，我们都建立起来了。
我们研究院有一个目标，我们的内部要形成一种文化，这个研究院不分级别大小，都是平等的，大家能够把天性、专长发挥到极致。我们希望把这个科技做成艺术品。我觉得科学技术工程有两个层面，第一层就是要能忍受无聊的算法，如果你不能忍受，要改革的话，我觉得你不适合做科学，你就可以早点离开了。第二层就是把科学当成是一种享受，真正的科学精神是整天琢磨这个事，科学的技术工程最高境界就是把它做成艺术品。我们说三百六十行，行行出状元，这个状元是什么？就等于最高艺术家。所以我们希望能够培养出一批顶级量子科学家。
大家可以看到，我们这个研究院已经吸引到全球的人了，我们系的研究员、访问学者、博士后等，有10%是挖来的，90%是增量的海外人员和刚刚毕业的博士。之前深圳在工资方面还有优势，但现在已经不行了，我有一个学生想来南科大，后来被抢走了，因为别家给出的待遇很优厚。那我们是靠什么吸引人才的呢？靠我们的文化，靠我们的朋友圈。我们吸引到一个日本人，40多岁，算是非常年轻的了。又比如范靖云教授，他从科大毕业以后在美国国家标准局待了很多年，现在被我们挖回来了，他立志做量子标准指引，现在是我们的常务副院长。
目前我院的兼职研究员、全职研究员、博士后、学者等有140多人，在国内，我们的人数是占优的。这是南科大为同学们提供的非常好的平台，大家要好好利用、好好珍惜。