從墨子號到“宇宙巨眼”，一同解碼百年量子發展之路丨科學講壇——彭承志

2026年4月26日，墨子沙龍邀請到中國科學院院士、中國科學技術大學杰出講席教授彭承志，前往浦東青少年活動中心，作題為《量子科技發展之路》的科普報告。報告系統回顧了量子力學的百年發展歷程，深入解讀了我國在量子通信、量子計算、量子精密測量等領域的前沿成果與戰略布局。本文根據講座內容整理而成。

很高興有機會和大家分享量子科技領域的進展。

去年是聯合國教科文組織設立的國際量子科學技術年，也是量子力學誕生百年紀念。回望百年前，全球局勢動蕩，一戰二戰間隔期間戰火紛飛，但歐洲科學家卻在這樣的背景下創立了量子力學。彼時正值現代科學關鍵發展階段，中國只能作為旁觀者。百年后的量子力學百年紀念活動上，我國潘建偉院士受邀作報告，標志著中國科學家終于在量子力學國際舞臺上擁有了自己的聲音與地位。

回溯量子力學百年歷程，百年前一眾頂尖物理學家匯聚，凝練出量子力學理論，詮釋微觀物理規律。此后，普朗克等科學家持續深耕，依托量子力學誕生了晶體管、激光、原子彈、核磁共振、高溫超導等重大成果，徹底改變了人類世界。百年間量子力學領域多次斬獲諾貝爾物理學獎，如今再度迎來全新發展高峰，成為極具潛力的前沿學科。

量子力學之所以能擁有如此深遠影響力，源于人類兩種核心思維方式。一種是歸納推演法，從已知現象預判未來趨勢，人工智能便是這種思維的極致體現，通過學習人類所有知識，自主推演生成答案。另一種是還原法，向下拆解深挖微觀本質，追溯事物發展的底層機理，而量子力學正是還原法的終極形態。

量子力學對世界的底層規律總結為兩大核心要點，理解這兩點便掌握了量子力學大半精髓。第一，世界是量子化的。量子意為一份一份、不可再分的最小單元。手機屏幕看似畫面連續，放大后實則由無數像素點構成；如同游戲《Minecraft》由基礎方塊組成，現實世界的物質、能量也存在最小單元，原子、分子、光子都是世界的基礎 “方塊”，世間萬物并非無限連續，而是由離散的最小單元構成。

第二，微觀世界存在疊加態。經典世界中事物狀態確定，人物位置可精準界定，但量子微觀單元完全不同，可同時處于多種狀態疊加。就像一個量子粒子能同時處在兩個位置，無確定形態。可以通俗理解：組成人體的每一個原子都處于自由疊加、位置不定的狀態，但海量原子聚集后，相互牽制抵消了疊加特性，最終呈現出經典世界確定的狀態。個體微觀是疊加態，宏觀經典世界只是量子疊加特性的子集，確定性只是特殊情況。

依托量子化與疊加態兩大特性，量子力學為信息社會開辟三大核心發展方向：量子通信、量子計算與模擬、量子精密測量。本次報告將圍繞量子疊加與量子糾纏，介紹量子通信、量子計算的發展現狀，同時展望量子測量與天文學融合的未來前景。

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量子疊加與量子通信

量子疊加指量子態無確定狀態，同時處于多種狀態之中。量子通信是以量子態為信息載體的通信方式，其核心優勢是絕對信息安全。日常通信追求信號越強越好，而量子通信反其道而行，利用最微弱的量子能量傳輸信息，如同課堂上小聲講悄悄話，避免被竊聽。

信息安全是人類與生俱來的需求，自古希臘、斯巴達時期就有加密通信技術，二戰期間密碼攻防更是影響戰局走向。但傳統加密技術始終存在被破解的風險，人類一直渴望實現無法破譯的絕對安全通信，而量子力學給出了可行答案。

量子通信的安全根基源于量子疊加兩大核心原理。一是量子測量擾動原理：量子疊加態本身無確定狀態，只有進行觀測測量時，狀態才會固定，測量行為本身會改變量子態。一旦有人竊聽量子通信，測量行為會破壞量子態，通信雙方能立刻察覺竊聽行為。二是量子不可克隆定理：任何量子態都無法被完美復制克隆，不存在復制量子信號進行隱秘竊聽的可能，從底層杜絕了偽造竊聽的途徑。

量子通信理論最早由科學家 Wiesner 提出，他設想利用量子不可克隆特性打造量子鈔票，杜絕假幣，但受限于技術和大眾認知，想法長期無人認可。后來其好友 Bennett 完善理論，發現量子態難以長時間存儲固定，但光量子天生高速傳播、不易受環境干擾，完美適配通信需求。光以每秒三十萬公里的速度勻速傳播，能遠距離穩定傳輸量子信號，由此奠定了量子密鑰分發的理論基礎。

1984 年 BB84 量子密鑰分發理論正式提出，1989 年全球首個量子密鑰分發實驗落地，僅實現 30 厘米短距離傳輸。除保密通信外，利用量子糾纏還可實現量子隱形傳態等前沿應用。

回望我國量子通信發展之路，上世紀七八十年代，我國在量子前沿領域完全缺席，理論創新、早期實驗均無中國科學家身影。九十年代起，國家發展逐步向好，一批優秀學子走出國門深造，潘建偉院士等領軍學者遠赴海外頂尖課題組深耕量子信息領域，成為我國量子科技發展的星星之火。

25 年前，學成歸國的科研人員立志搭建國內頂尖量子實驗室，秉持踏實鉆研的初心，對標國際一流水準深耕量子通信。當時領域內的終極目標，是突破距離限制，實現全球覆蓋的量子保密通信，讓量子加密信號跨越大洋實現全球互通。

依托我國跨學科科研體制優勢，中科院牽頭聯合航天、衛星載荷等科研單位，啟動星地量子通信研發，計劃將量子光源、探測設備搭載衛星，構建全球量子通信網絡。科研團隊扎根青海湖開展野外實驗，在寒冬的湖心山頂、熱氣球平臺完成百公里級量子態傳輸驗證，成為全球僅有的兩支掌握百公里量子通信技術的團隊之一，與潘建偉院士留學導師領銜的國際頂尖團隊并肩領跑。

站穩世界唯二的位置后，我國科研團隊并未止步，向著全球唯一、國際領先的目標攻堅。2003 年至 2016 年，歷經十余年潛心研發，我國成功發射墨子號量子科學實驗衛星。墨子號升空后，我國量子通信實現斷崖式國際領先，獨掌星地量子通信核心技術，引發全社會廣泛關注，不再局限于物理專業圈層。此后我國學者受邀前往 NASA 作學術報告，團隊斬獲克里夫蘭國際獎項，彰顯了中國量子科技的國際地位。

如今我國已建成全球規模最大的光纖與衛星融合量子通信網絡，實現量子地面站小型化部署，可安裝于樓頂、艦艇、外交使領館等場景，真正落地全球量子保密通信應用。墨子號的成功也推動了國際量子領域發展，為潘建偉院士導師斬獲諾貝爾物理學獎提供了重要支撐。提出量子密碼理論的兩位先驅，也先后獲得沃爾夫獎、計算機領域最高獎圖靈獎，標志著量子密碼從物理小眾研究，升級為全球信息社會認可的核心技術。

量子通信的崛起離不開時代機遇。近十年來，量子計算技術快速發展，未來有望破解傳統經典密碼，對現有信息安全體系形成巨大沖擊。而我國提前布局量子通信，在量子計算大規模落地前筑牢信息安全 “盾牌”，為未來信息社會構建核心安全基礎設施，搶占了科技發展先機。在我國科學家的全力攻堅下，量子通信已穩居全球領跑地位，成為國家科技競爭力的重要名片。

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量子糾纏與量子計算

量子計算擁有顛覆信息社會的超強算力，其核心底層是量子糾纏。如果說量子疊加是單個粒子的多態共存，量子糾纏便是兩個及多個粒子的關聯疊加，粒子間形成無形關聯，狀態相互綁定、互為影響。

自然界萬物普遍存在量子糾纏，微觀粒子相互作用、人類社會人際關聯，本質都可類比糾纏特性。經典計算機僅依靠 0 和 1 兩種固定狀態，無疊加與糾纏能力，算力存在天然上限。面對海量大數據、復雜密碼破解、微觀世界模擬等超高難度計算，經典計算機力不從心。

量子計算的算力優勢源于量子比特的疊加特性。1 個量子比特可同時呈現 2 種狀態，2 個量子比特可呈現 4 種疊加狀態，200 個量子比特便能表征2 的 200 次方種狀態。量子計算可同時對海量疊加狀態并行處理，搭配專屬量子算法，就能快速解決經典計算機萬年都無法完成的運算任務，其中 Shor 算法可直接破解現有經典公鑰密碼體系。

量子計算具備巨大的經濟與社會價值。以比特幣為例，其交易賬本約 100G，蘊含 20% 存量比特幣，價值數千億美金。一旦通用量子計算機問世，借助超強算力就能破解加密賬本，掌控海量數字資產。更重要的是，量子計算將重構整個信息社會、金融體系，在新藥研發、材料模擬、天文探測等領域帶來革命性突破。業界將通用量子計算機正式落地、可破解現有密碼體系的時間節點稱為Q-Day，全球都在為這一時刻提前做好信息安全防護準備。

目前距離 Q-Day 仍有較遠距離，核心難題是量子計算機的技術路線尚未定型。全球主流研發路線包括超導量子比特、光量子比特、原子量子比特、離子阱量子比特等，多條路線并行研發，尚無明確勝出方向。行業普遍將量子計算發展劃分為三個階段：

第一階段是實現量子優越性，讓量子計算機完成某一項經典計算機無法企及的任務，是量子計算成長的首個里程碑。谷歌率先以企業力量實現突破，完成量子優越性實驗，將量子計算推向公眾視野。隨后我國陸朝陽教授團隊研發 “九章” 光量子原型機，以遠低于谷歌的經費，實現 76 個光子量子優越性，秉持多快好省的研發理念，在光量子路線上比肩國際頂尖水平。

第二階段是量子糾錯技術突破。量子態極易受環境干擾，量子計算機運算過程會頻繁出錯，錯誤率極高，連續運算后結果完全失效。研發具備自我糾錯、修復能力的量子計算機，是從實驗原型走向實用化的關鍵一步。目前中美在量子糾錯領域并跑競爭，谷歌稍占先機，我國緊隨其后，競爭態勢十分焦灼。

第三階段是大規模量子比特集成，將數千、數萬甚至十萬級量子比特集成，打造通用量子計算機，屆時 Q-Day 正式到來，可全面落地密碼破解、科研模擬等各類應用。

量子計算領域呈現萬馬奔騰的競爭格局。中美作為第一梯隊率先邁過量子優越性門檻，在糾錯階段激烈角逐；離子阱、中性原子等新興技術路線作為黑馬快速追趕，依托自然界現成原子、離子資源，無需復雜芯片制造，實現斷代式低成本研發，開辟全新突破路徑。

科技無國界，但科學家有國界，量子計算已成為國與國科技競爭的戰略高地。國際形勢變化后，我國量子領域科研交流受限，面臨設備技術封鎖。美國企業投入巨額資金布局量子計算，規劃 2030 至 2035 年沖擊 Q-Day。作為科技大國，我國在量子計算領域絕不能落后，必須持續加大研發投入，多路線同步布局、全面攻堅，守住前沿科技競爭陣地。

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量子干涉與量子科技跨界融合

量子科技持續火熱，根本源于科學內生動力，而量子干涉是量子力學最核心的奧秘之一，也是量子精密測量、天文跨界融合的基礎。

經典世界中，向池塘投擲兩塊石子，水波擴散后相互交匯，形成波峰波谷交錯的干涉紋路，這是常見的經典波干涉現象。量子世界同樣存在干涉效應，電子、光子等微觀粒子雖是離散顆粒，卻具備波的特性，會形成量子干涉。費曼曾評價，電子楊氏雙縫干涉實驗是量子力學的核心，蘊藏量子力學最深層的規律。當無法區分微觀粒子的運動路徑時，粒子就會以波的形式產生干涉，呈現出奇妙的量子特性。

量子干涉也是量子糾纏產生的底層邏輯。強光射入特殊晶體后可分裂為一對關聯光子，如同雙胞胎粒子。在光路交匯焦點處，無法區分光子來源與偏振狀態，量子態便形成疊加糾纏，兩種粒子狀態相互綁定，量子糾纏就此自然產生。

早年墨子號研發期間，科研團隊曾設想打造天地一體化量子干涉系統，實現地面與衛星間的光量子干涉，雖最終未能實現，卻意外開啟了量子與天文學的跨界合作。天文學家早已實現宇宙尺度干涉觀測，利用兩臺 8 米級望遠鏡，相隔百余米捕捉幾千萬光年外的星光，通過光路整合形成干涉效應。無法區分星光來自哪臺望遠鏡時，等效形成百米級超大口徑望遠鏡，大幅提升天文觀測精度。

當前天文觀測百米基線已是傳統技術極限，若能突破至公里級基線，打造等效一公里口徑的 “宇宙巨眼”，就能大幅提升觀測分辨率，探索宇宙深空、探尋地外文明、解析宇宙演化規律。而量子科技恰好能補齊天文觀測的技術短板，我國量子科研團隊在千公里級光纖干涉、弱信號光傳輸、光學跟瞄設備等領域積累深厚技術優勢，具備賦能天文觀測的能力。

疫情期間，量子領域與天文學領域院士及科研團隊開展聯合研討，達成強強聯手的合作共識，探索量子技術賦能天文觀測的新路徑。巧合的是，美國同行也同步啟動量子與天文交叉研究，印證了這一跨界方向的巨大潛力。

我國科研團隊在新疆阿勒泰開展公里級量子天文干涉實驗，摒棄傳統天文觀測的真空管道，用量子通信光纖替代，依托量子技術保障光信號傳輸精度，直接挑戰全球百米基線極限，沖刺一公里超長觀測基線。首次實驗雖遭遇失敗，但團隊快速優化方案、調整設備，二次聯試成功捕捉到 630 光年外藍巨星的微弱干涉信號；后續又在 600 米短基線實驗中，獲得對比度更優的觀測信號，驗證了量子技術賦能長基線天文干涉的可行性。

目前實驗采用小口徑望遠鏡，雖驗證了技術原理，但觀測遙遠深空天體時，光線信號過于微弱。調研發現，我國天文設備存在短板，國內缺少兩臺相隔一公里的 2 米級望遠鏡，僅有云南一處點位有相近設備，卻僅相隔百米。但時機恰逢其時，未來五年我國將在冷湖布局近 10 臺 2 米及以上天文望遠鏡，補齊光學天文設備短板。

借助量子糾纏與干涉技術，可將多臺獨立天文望遠鏡互聯互通，不再是簡單的數量疊加，而是實現指數級觀測能力倍增，等效打造公里級超大望遠鏡。量子科技與天文學的跨界融合，能助力人類探索物理學的基礎難題，解鎖宇宙更多未知奧秘。

量子科技的發展之路，既是行業技術迭代之路，也是科研團隊與青年一代的成長之路。個人的成長始終與行業進步、國家發展同頻共振，唯有將自身理想融入國家科技發展大局，才能實現個人與時代的共同成長。愿每一位年輕人都能把握時代機遇，深耕所學、逐夢前行。

文字整理：真真

文章轉載自“墨子沙龍”公眾號