來(lái)源：科技導(dǎo)報(bào)
作者：喬笑斐、路昊明、高策
作為全球矚目的新興戰(zhàn)略技術(shù)焦點(diǎn)，量子信息技術(shù)已經(jīng)在量子計(jì)算與量子通信等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。從科學(xué)史的角度來(lái)看，量子信息革命與發(fā)生在20世紀(jì)的第1次量子革命在原理和內(nèi)涵等方面存在著顯著區(qū)別，對(duì)未來(lái)的科技發(fā)展戰(zhàn)略也有著直接影響。梳理了量子糾纏與量子信息技術(shù)的演變歷程，分析了量子信息技術(shù)在科學(xué)、技術(shù)、哲學(xué)等多個(gè)層面的革命性特征，總結(jié)了量子信息革命對(duì)未來(lái)科技戰(zhàn)略及科學(xué)發(fā)展模式的意義與啟示。
2022年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John F. Clauser）和安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證貝爾不等式的違反和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn)。從愛(ài)因斯坦等提出試圖證明量子力學(xué)不完備的EPR佯謬，到貝爾不等式的提出與歷次實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，再到量子信息技術(shù)引發(fā)第2次量子革命，以量子糾纏為基礎(chǔ)的一系列研究已經(jīng)顯示出重大且深遠(yuǎn)的影響。
21世紀(jì)以來(lái)，以量子通信、量子計(jì)算為代表的量子信息科學(xué)得以建立，開(kāi)啟了從經(jīng)典技術(shù)邁進(jìn)量子技術(shù)的新量子時(shí)代。量子信息革命的革命性表現(xiàn)為3個(gè)方面：首先，以量子計(jì)算、量子通信為代表的量子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步建立，并對(duì)未來(lái)科技產(chǎn)業(yè)造成革命性影響；其次，量子技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，如量子力學(xué)的本質(zhì)、量子引力等，推動(dòng)新的科學(xué)革命，進(jìn)而推動(dòng)哲學(xué)觀念的變革；最后，在科技戰(zhàn)略層面，基于量子信息革命的巨大潛力，可能成為繼芯片競(jìng)爭(zhēng)之后的又一科技戰(zhàn)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，需要在國(guó)家層面進(jìn)一步全面、深度進(jìn)行布局。
量子糾纏實(shí)驗(yàn)助推量子信息革命
1935年，愛(ài)因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）提出了著名的EPR佯謬，即量子力學(xué)中一種“反?！钡牧孔臃嵌ㄓ蛐袁F(xiàn)象與定域?qū)嵲谡撓噙`背。EPR佯謬受到物理學(xué)界的廣泛討論，這種量子非定域性現(xiàn)象被埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）命名為量子糾纏，而定域隱變量理論作為一種量子力學(xué)的潛在解釋?zhuān)涫欠癯闪⒈愠蔀閷W(xué)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。
1964年，約翰·貝爾（John S. Bell）提出了著名的貝爾不等式，將EPR佯謬從思想實(shí)驗(yàn)引向?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證。根據(jù)貝爾不等式，如果存在隱藏變量，則測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性將不會(huì)超過(guò)某個(gè)值，這就可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)檢驗(yàn)量子特性究竟是由定域隱變量決定的，還是由非定域的量子糾纏所導(dǎo)致。
由于貝爾不等式中的兩比特系統(tǒng)不易于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，1969年，克勞澤、邁克爾·霍恩（Michael A. Horne）、阿布納·希芒尼（Abner E. Shimony）和理查德·霍爾特（Richard A. Holt）在貝爾不等式的基礎(chǔ)上提出了CHSH不等式，使得更適合實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)成為可能。
1972年，克勞澤與斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作完成了首個(gè)貝爾不等式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果以6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差違反了貝爾不等式，意味著量子力學(xué)的預(yù)言是正確的，而定域隱變量的假設(shè)與物理系統(tǒng)的實(shí)際行為并不一致，但此實(shí)驗(yàn)存在定域性漏洞（locality loophole），采用的測(cè)量方式也不是隨機(jī)選擇的。此后幾年間，又有多個(gè)小組進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其中以阿斯佩在1981—1982年的實(shí)驗(yàn)最為著名。阿斯佩與菲利普·格蘭杰（Philippe Grangier）等合作者對(duì)克勞澤實(shí)驗(yàn)的裝置和設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，最終發(fā)現(xiàn)了對(duì)貝爾不等式超過(guò)40個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的驚人違反，以極高的可信度驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性，但并沒(méi)有真正關(guān)閉定域性漏洞。
1998年，蔡林格與格雷戈?duì)枴ろf斯（Gregor Weihs）、托馬斯·詹尼溫（Thomas Jennewein）等合作者在阿斯佩實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，在更嚴(yán)格的意義上關(guān)閉了定域性漏洞，其結(jié)果依然違反了貝爾不等式，任何形式的定域隱變量理論都無(wú)法描述量子力學(xué)。蔡林格的另一項(xiàng)重要成就是與桑杜·波佩斯庫(kù)（Sandu Popescu）的團(tuán)隊(duì)分別于1997年獨(dú)立完成了量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此理論由查爾斯·本內(nèi)特 （Charles H. Bennett）等于1993年提出。量子隱形傳態(tài)以量子糾纏為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)程傳輸，在量子通信和量子計(jì)算中發(fā)揮著重要作用。后來(lái)，蔡林格還參與了由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安東尼·萊格特（Anthony Leggett）提出的關(guān)于非定域隱變量理論的萊格特不等式的檢驗(yàn)工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是量子力學(xué)違反了萊格特不等式，這意味著定域?qū)嵲谡撆c非定域?qū)嵲谡摱紵o(wú)法描述量子力學(xué)，試圖通過(guò)改造量子力學(xué)使之與經(jīng)典物理學(xué)進(jìn)行融合的努力都以失敗告終。
20世紀(jì)90年代，隨著量子隱形傳態(tài)、量子不可克隆原理（quantum no-cloning theorem）、量子密碼學(xué)（quantum cryptography）、量子密鑰分配（quantum key distribution）、量子比特（quantum bit）、量子邏輯門(mén)（quantum logic gate）、多依奇-喬薩算（Deutsch–Jozsa algorithm）、肖爾算法（Shor's algorithm）、格羅弗算法（Grover's algorithm）等理論的日益成熟，杰拉德·密爾本（Gerard J. Milburn）對(duì)量子信息技術(shù)的前景進(jìn)行了詳細(xì)描述，并與喬納森·道林（Jonathan P. Dowling）于2003年一起提出了“第二次量子革命”的概念。
21世紀(jì)以來(lái)，以量子糾纏為基礎(chǔ)的量子信息技術(shù)從科學(xué)理論走向了實(shí)際應(yīng)用，在量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等領(lǐng)域取得了許多重要成就，第2次量子革命正在如火如荼地進(jìn)行著。近年來(lái)，量子計(jì)算原型機(jī)“九章”使中國(guó)實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先后于2017年和2022年實(shí)現(xiàn)了地空與地表的1200km量子糾纏及量子隱形傳態(tài)，中國(guó)正在成為第2次量子革命的領(lǐng)跑者。
量子信息技術(shù)革命性的表現(xiàn)
在探討量子信息革命即第2次量子革命之前，首先有必要對(duì)第1次量子革命進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步比較二者的區(qū)別和聯(lián)系。
01 不徹底的第1次量子革命
第1次量子革命發(fā)生在20世紀(jì)初，開(kāi)始于解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的理論嘗試，并產(chǎn)生了一系列全新的概念。第1次量子革命的革命性包括3個(gè)方面：首先是人類(lèi)觀念的變革，量子力學(xué)本質(zhì)上的隨機(jī)性徹底顛覆了牛頓的機(jī)械決定論，給人類(lèi)思維方式帶來(lái)了極大沖擊；其次是對(duì)技術(shù)和生產(chǎn)力的變革，催生了很多應(yīng)用——原子彈、激光、半導(dǎo)體、原子鐘、芯片、核磁共振成像、超導(dǎo)磁體、發(fā)光二極管、電子顯微鏡、光纖通信、固態(tài)硬盤(pán)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等；最后，徹底革新了人類(lèi)的生產(chǎn)關(guān)系，例如，原子彈的發(fā)明徹底改變了國(guó)家之間的競(jìng)爭(zhēng)格局，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)極大推動(dòng)了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
需要注意的是，盡管第1次量子革命可以說(shuō)徹底改變了世界面貌，成為社會(huì)跨越發(fā)展的基石和動(dòng)力，但是這場(chǎng)革命并不徹底，其根本原因有2點(diǎn)。首先，第1次量子革命其本質(zhì)上是一場(chǎng)量子物質(zhì)革命，只涉及對(duì)原子、電子和光子的操作式應(yīng)用，并沒(méi)有全面利用量子力學(xué)的規(guī)律，如疊加態(tài)、量子糾纏等。其次，第1次量子革命遺留下了很多基礎(chǔ)性問(wèn)題沒(méi)有解決，包括：（1）測(cè)量問(wèn)題，即觀測(cè)者在測(cè)量中的地位問(wèn)題；（2）微觀和宏觀的分界問(wèn)題，即經(jīng)典和量子的界限在哪里？宏觀疊加態(tài)如何制備？其交界處是否有新的物理學(xué)？（3）量子糾纏，即如何理解量子非定域性的本質(zhì)問(wèn)題？定域或非定域的隱變量理論存在嗎？（4）量子力學(xué)與相對(duì)論的融合，即如何將2個(gè)理論結(jié)合為大一統(tǒng)理論？（5）違背因果性，即如何解釋量子力學(xué)對(duì)因果關(guān)系的違背？（6）量子詮釋問(wèn)題（量子力學(xué)的完備性問(wèn)題），即如何將量子力學(xué)作為一個(gè)整體進(jìn)行完備的詮釋?zhuān)?/span>
02 量子信息革命引領(lǐng)新的技術(shù)革命
第1次量子革命用了100年時(shí)間將人類(lèi)社會(huì)引進(jìn)繁榮的信息時(shí)代。始于21世紀(jì)的第2次量子革命是在第1次量子革命的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步邁入量子信息時(shí)代。相比于傳統(tǒng)的信息時(shí)代，量子信息在原理、內(nèi)涵、價(jià)值等方面有著顯著的提升。
首先，第2次量子革命是實(shí)現(xiàn)對(duì)量子客體直接操控并利用量子力學(xué)的根本性規(guī)律的徹底革命。激光、半導(dǎo)體等一系列技術(shù)仍然遵從經(jīng)典物理學(xué)，這些器件僅在一些特定情況下涉及量子力學(xué)規(guī)律對(duì)于電子和光子等基本粒子的應(yīng)用，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)粒子的直接操控，而且沒(méi)有涉及量子糾纏、非定域性和不可克隆性等量子基礎(chǔ)特性。過(guò)去基于量子力學(xué)原理的技術(shù)僅提供了相較于經(jīng)典框架內(nèi)極大幅度的技術(shù)性能提升，而在小型化、微型化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，經(jīng)典計(jì)算機(jī)隨著芯片的尺度越來(lái)越小，小到納米尺度之下時(shí)量子效應(yīng)將越來(lái)越明顯，不得不轉(zhuǎn)向量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)，也就是說(shuō)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展在設(shè)計(jì)上必須基于量子原理。
其次，與過(guò)去相比，人類(lèi)不再是量子世界的被動(dòng)觀察者，而是可以設(shè)計(jì)、操作、傳輸、干預(yù)到量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)量子世界操控而改變?nèi)祟?lèi)的生活。過(guò)去，人類(lèi)憑借量子力學(xué)的規(guī)律能夠很好地理解和解釋微觀世界，如可以解釋元素周期表，但不能主動(dòng)設(shè)計(jì)人造原子；可以解釋金屬和半導(dǎo)體的行為，但對(duì)操縱它們的行為卻無(wú)能為力。而隨著第2次量子革命的發(fā)展，人類(lèi)正在積極地運(yùn)用量子力學(xué)來(lái)改變物理世界的量子面貌。例如可以主動(dòng)設(shè)計(jì)并制造新的人造原子，使之具有預(yù)先選擇的電子和光學(xué)特性；還可以創(chuàng)造自然界中不存在的量子相干或糾纏物質(zhì)和能量的狀態(tài)，這些新的人造量子態(tài)具有新的靈敏度和非定域等相關(guān)特性，在計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、傳感器和緊湊型計(jì)量裝置的發(fā)展中有廣泛的應(yīng)用。
最后，第2次量子革命已經(jīng)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的理論準(zhǔn)備，擁有巨大的技術(shù)潛力，目前還無(wú)法預(yù)知第2次量子革命能夠帶來(lái)的全部應(yīng)用。20世紀(jì)上半葉出現(xiàn)的普朗克公式、光電效應(yīng)、玻爾原子模型、波粒二象性、矩陣力學(xué)、波動(dòng)力學(xué)、不確定性原理、不相容原理、量子電動(dòng)力學(xué)、費(fèi)曼路徑積分等量子力學(xué)理論為1947年的晶體管、1960年的激光器、1973年的核磁共振成像和1989年的平板電腦等一系列應(yīng)用做了鋪墊。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與原子能技術(shù)、航天技術(shù)成為了第3次工業(yè)革命的核心，人類(lèi)從電氣時(shí)代進(jìn)入信息時(shí)代。而在第1次量子革命后期階段，尤其是自1982年的阿斯佩實(shí)驗(yàn)以來(lái)，量子糾纏、量子不可克隆原理、量子隱形傳態(tài)、量子密碼學(xué)、量子比特、量子算法共同為第2次量子革命做了鋪墊。相較于第1次量子革命跨越半個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)明周期而言，目前仍處于第2次量子革命的初期階段，但量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域的突破性成就已展現(xiàn)出量子信息技術(shù)的重大價(jià)值，其應(yīng)用前景十分廣闊，還有許多未知的應(yīng)用有待進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新。
03 量子信息革命引領(lǐng)新的科學(xué)革命與哲學(xué)革命
2014年，《Nature》雜志發(fā)表紀(jì)念貝爾定理提出50周年的評(píng)論：揭開(kāi)“量子謎團(tuán)”！這標(biāo)志著量子力學(xué)發(fā)展的一個(gè)全新的起點(diǎn)。第1次量子革命并沒(méi)有澄清量子論的本質(zhì)，更多是將理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)，而第2次量子革命不僅要繼續(xù)發(fā)展量子技術(shù)，更重要的是追問(wèn)“為什么”，要對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)困境給出解答。相比于第1次量子革命，人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，但是目前并未顛覆和突破第1次量子革命。因此，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授施郁稱(chēng)之為“繼續(xù)量子科學(xué)革命”（continuous quantum revolution）：“量子革命一直在持續(xù)地發(fā)生，并將繼續(xù)下去。量子力學(xué)基本原理還有未完全解決的問(wèn)題”。目前，各類(lèi)量子糾纏實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)大大加深了人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，代表性的有以下5點(diǎn)。
1）對(duì)定域性和實(shí)在性的挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示貝爾不等式和CHSH不等式的違背，否定了愛(ài)因斯坦的定域?qū)嵲谡?，但是究竟是定域性錯(cuò)了，還是實(shí)在性錯(cuò)了，又或是兩者都錯(cuò)了，還沒(méi)有定論。實(shí)驗(yàn)顯示，萊格特不等式的違背意味著非定域?qū)嵲谝脖蛔C偽，綜合起來(lái)是在量子力學(xué)中證偽了實(shí)在論。盡管量子力學(xué)的非定域非實(shí)在性質(zhì)仍未定論，但是也足以對(duì)傳統(tǒng)哲學(xué)構(gòu)成極大的挑戰(zhàn)。
2）消弭微觀與宏觀的界限。1935年，薛定諤提出了著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)，深刻揭示了微觀和宏觀現(xiàn)象的沖突。對(duì)此，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為存在2個(gè)割裂的系統(tǒng)，即宏觀系統(tǒng)服從經(jīng)典定律，而微觀系統(tǒng)遵循量子定律，被稱(chēng)為“海森堡切割”（Heisenberg cut）。1970年，理論物理學(xué)家迪特爾·澤（H. Dieter Zeh）提出了量子退相干（quantum decoherence）的概念，由于與環(huán)境的作用導(dǎo)致系統(tǒng)的量子特性消失，從而解釋了微觀和宏觀并無(wú)明晰界限。物理系統(tǒng)的大小本身并不能排除量子效應(yīng)，激光、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)、超導(dǎo)體和極低溫下的超流都依賴(lài)于宏觀量子效應(yīng)。
3）對(duì)形式邏輯推理的挑戰(zhàn)。Hardy定理是理論物理學(xué)家盧西安·哈迪（Lucien Hardy）于1992年提出的一種研究貝爾非定域性的“無(wú)不等式方法”，使用弱測(cè)量技術(shù)研究偏振光子的相互作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Hardy佯謬也證偽了定域隱變量理論。Hardy佯謬中，可以構(gòu)造出3個(gè)幾率P1、P2和P3，當(dāng)設(shè)定這3個(gè)幾率都為0時(shí)，那么按照經(jīng)典邏輯推理（定域隱變量理論），一定可以推出P4為0。但是，根據(jù)量子力學(xué)卻可以推出非0的幾率P4，對(duì)于兩比特偏振光子，最大可達(dá)約0.09。從這個(gè)意義上說(shuō)，量子力學(xué)突破了經(jīng)典物理學(xué)中無(wú)懈可擊的邏輯推理。
4）虛數(shù)實(shí)在性的證明。2022年1月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團(tuán)隊(duì)利用超高精度超導(dǎo)量子線路實(shí)現(xiàn)確定性糾纏交換，以超過(guò)43個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的實(shí)驗(yàn)精度證明了實(shí)數(shù)無(wú)法完整描述標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)，確立了復(fù)數(shù)的客觀實(shí)在性。楊振寧曾將包含復(fù)數(shù)的相位因子概括為20世紀(jì)物理學(xué)3大主旋律之一。最初，虛數(shù)引入量子力學(xué)時(shí)僅被視為數(shù)學(xué)工具，到20世紀(jì)70年代物理學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)相位因子貫穿了整個(gè)20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展——從德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）引入規(guī)范理論，到楊振寧與羅伯特·米爾斯（Robert Mills）發(fā)展規(guī)范場(chǎng)，再到弱電統(tǒng)一理論和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。另外，阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)（Aharonov–Bohm effect）和貝里相位（Berry phase）的研究揭示了量子系統(tǒng)的整體性、非定域性和空間拓?fù)湫再|(zhì)。種種跡象表明，虛數(shù)以及由其構(gòu)成的相位因子深刻揭示了量子力學(xué)的本質(zhì)，是探索量子本質(zhì)的一條重要線索，但目前還未引起足夠重視。
5）對(duì)傳統(tǒng)物質(zhì)觀的挑戰(zhàn)。目前物理學(xué)家對(duì)于物質(zhì)世界本原的探求已經(jīng)深入時(shí)空背景，從經(jīng)典的物質(zhì)實(shí)體走向量子化的信息實(shí)體。2006年，美國(guó)物理學(xué)家塞斯·勞埃德（Seth Lloyd）從量子信息的視角出發(fā)，提出了“萬(wàn)物源于量子比特”（it from qubit）。不久，英國(guó)物理學(xué)家弗蘭克·克洛斯（Frank Close）指出：“物理學(xué)家的一個(gè)普遍共識(shí)是：萬(wàn)物包括時(shí)空矩陣等等來(lái)源于量子真空（quantum vacuum），沸騰的真空為理解自然萬(wàn)物創(chuàng)生于虛空——量子泡沫（quantum foam）提供了深刻的含意。”在黑洞研究中，物理學(xué)家也嘗試將量子糾纏引入，以破解黑洞信息悖論?？傊磥?lái)假如存在一個(gè)統(tǒng)一理論的話，量子糾纏和量子信息一定是占據(jù)核心地位的，這也必將為傳統(tǒng)的物質(zhì)觀帶來(lái)革命性變革。
量子信息革命對(duì)未來(lái)科技戰(zhàn)略的啟示
量子信息革命不僅引領(lǐng)了技術(shù)、科學(xué)和哲學(xué)的變革，對(duì)未來(lái)的科技政策發(fā)展也具有啟發(fā)意義，新的大科學(xué)模式正在興起。
01 舊大科學(xué)模式的終結(jié)
20世紀(jì)科技政策的核心特征被稱(chēng)為“大科學(xué)”模式，其核心特征可概括為“大組織、大機(jī)器、大政治”。二戰(zhàn)時(shí)的曼哈頓計(jì)劃充分顯示了基礎(chǔ)研究可以改變歷史進(jìn)程，并轉(zhuǎn)化為軍事力量，這為歐洲和美國(guó)的戰(zhàn)后科學(xué)政策奠定了框架。
1945年，美國(guó)科技管理體系的奠基人萬(wàn)尼瓦爾·布什（Vannevar Bush）發(fā)布《科學(xué)——無(wú)止境的前沿》報(bào)告，提出“基礎(chǔ)研究是技術(shù)進(jìn)步的引領(lǐng)者”，直接推動(dòng)了美國(guó)將大科學(xué)戰(zhàn)略定為國(guó)家戰(zhàn)略，并建立了政府買(mǎi)單、大規(guī)模投入基礎(chǔ)科學(xué)，進(jìn)而促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的“科技發(fā)展的線性模式”，科學(xué)史家斯圖爾特·萊斯利（Stuart W. Leslie）將其稱(chēng)為“軍工-工業(yè)-科學(xué)綜合體”。其中，大科學(xué)最典型的代表是大型粒子加速器，其曾一度成為美蘇科技戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，更高的能量、更大的規(guī)模成為追求的目標(biāo)。多年間，大科學(xué)極大地推動(dòng)了關(guān)于自然世界理論知識(shí)的進(jìn)步，并帶來(lái)了互聯(lián)網(wǎng)等附帶技術(shù)應(yīng)用。但隨著蘇聯(lián)解體，美國(guó)最大的加速器項(xiàng)目超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（superconducting super collider）于1993年停止建設(shè)，傳統(tǒng)的大科學(xué)模式落下帷幕。雖然現(xiàn)在各國(guó)仍在積極建設(shè)大科學(xué)裝置，但是以舉國(guó)之力進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。
一方面，冷戰(zhàn)時(shí)期的大科學(xué)模式并沒(méi)有充分滿(mǎn)足技術(shù)創(chuàng)新的需要。歷代大型粒子加速器使得眾多粒子物理實(shí)驗(yàn)得以完成并多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的青睞，但是大型加速器能夠直接創(chuàng)造的市場(chǎng)價(jià)值卻是有限的，有著重要應(yīng)用價(jià)值的往往是小型加速器。另一方面，以物質(zhì)研究為代表的基礎(chǔ)物理學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)模型完成以后基本處于迷茫狀態(tài)。理論物理學(xué)家薩拜因·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）認(rèn)為“停滯”的原因“不在于實(shí)驗(yàn)，而是在于理論物理學(xué)家的大量錯(cuò)誤預(yù)測(cè)”。在21世紀(jì)以來(lái)的無(wú)數(shù)個(gè)粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有意義的結(jié)果很少，人們對(duì)暗物質(zhì)和暗能量仍然知之甚少，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的粒子、新的維度、新的對(duì)稱(chēng)性，這種“停滯”與量子信息科技的蓬勃發(fā)展形成了鮮明對(duì)比。
在第3次科技革命中創(chuàng)造最多經(jīng)濟(jì)價(jià)值的當(dāng)屬電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，其中的大多數(shù)成果基于的是以量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)為代表的小團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新。例如著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs），誕生了晶體管、激光器、C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言、UNIX操作系統(tǒng)、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、數(shù)字交換機(jī)、電荷耦合器件、電子數(shù)字計(jì)算機(jī)、蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備等眾多重大發(fā)明。事實(shí)上，基礎(chǔ)研究對(duì)于長(zhǎng)遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步確實(shí)起著至關(guān)重要的作用，物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究以外的許多基礎(chǔ)研究可謂是百花齊放，從半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)、納米材料，到量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量，量子力學(xué)展現(xiàn)了充分的潛力。
02 新大科學(xué)模式的興起
與冷戰(zhàn)時(shí)期相比，當(dāng)前整個(gè)世界科學(xué)政策的首要目標(biāo)在于：通過(guò)前沿科技的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，其核心是市場(chǎng)邏輯主導(dǎo)的。實(shí)際上，大科學(xué)模式并未終結(jié)，只是發(fā)生了轉(zhuǎn)變，需要將科研重點(diǎn)放在一些更有價(jià)值的領(lǐng)域，例如芯片和量子信息。兩次量子革命及其發(fā)展模式特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。
表1 2次量子革命特點(diǎn)對(duì)比
對(duì)于中國(guó)而言，美國(guó)正在主導(dǎo)一場(chǎng)針對(duì)中國(guó)的“技術(shù)戰(zhàn)”，首當(dāng)其沖的就是以芯片為核心的高科技領(lǐng)域。此時(shí)，市場(chǎng)邏輯已經(jīng)失效，中國(guó)必須進(jìn)一步建立以國(guó)家力量為主導(dǎo)的新型大科學(xué)模式，對(duì)應(yīng)于舊大科學(xué)模式的“軍工-工業(yè)-科學(xué)綜合體”，新型大科學(xué)模式為“產(chǎn)業(yè)-技術(shù)-科學(xué)綜合體”。布什的“科學(xué)引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展”的線性模式已不再適用，如今科學(xué)-技術(shù)-產(chǎn)業(yè)已經(jīng)深度融合，需要國(guó)家-企業(yè)-高校幾個(gè)研究主體的深度融合。中國(guó)在芯片領(lǐng)域的劣勢(shì)，很大程度上是由于在芯片領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)積累、產(chǎn)業(yè)聯(lián)合3個(gè)方面均處于弱勢(shì)的結(jié)果。中國(guó)必須進(jìn)一步建立以國(guó)家力量為主導(dǎo)的新型大科學(xué)模式。在大力支持基礎(chǔ)研究的同時(shí)，相關(guān)政策也要隨時(shí)代變化進(jìn)行必要調(diào)整，圍繞國(guó)家發(fā)展規(guī)劃和未來(lái)產(chǎn)業(yè)布局，合理優(yōu)化科研投入與項(xiàng)目分配。中國(guó)在量子信息領(lǐng)域的前瞻部署已經(jīng)取得顯著成效，但在國(guó)際關(guān)系變化復(fù)雜的情況下，中國(guó)未來(lái)需要長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)美國(guó)對(duì)華“技術(shù)戰(zhàn)”并及時(shí)調(diào)整自身的科技創(chuàng)新制度，集中力量發(fā)展優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。
另外，傳統(tǒng)大科學(xué)研究的“大團(tuán)隊(duì)、大項(xiàng)目”管理模式也需要進(jìn)一步優(yōu)化，精細(xì)化協(xié)作體系或?qū)⒊蔀樾纶厔?shì)。如中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳就大力提倡在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所推行“矩陣式管理制度”，有效避免課題負(fù)責(zé)人制在大科學(xué)研究中的低效問(wèn)題。以往的大科學(xué)項(xiàng)目往往離不開(kāi)大預(yù)算、大團(tuán)隊(duì)、大裝置、大合作；而如今在芯片和量子信息領(lǐng)域，涉及大量的開(kāi)放性、細(xì)分領(lǐng)域是無(wú)法提前規(guī)劃的，需要小團(tuán)隊(duì)精細(xì)化、協(xié)同化合作，以細(xì)化任務(wù)、分組指揮的方式提升科研效率。
因此，應(yīng)當(dāng)探索建立將大科學(xué)的國(guó)家戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)與小團(tuán)隊(duì)的細(xì)化分工體系相結(jié)合的新型大科學(xué)模式，將芯片和量子信息等前沿科技納入國(guó)家未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)推動(dòng)創(chuàng)新，加快、抓緊掌握核心技術(shù)與發(fā)展機(jī)遇，加大人才培養(yǎng)力度，在量子信息革命的浪潮中奮勇前進(jìn)、繼續(xù)領(lǐng)跑。
結(jié) 論
量子信息革命是中國(guó)科技發(fā)展的重大歷史機(jī)遇，對(duì)于中國(guó)科技發(fā)展有著重要意義。正如中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤所說(shuō)：“第2次量子革命是我國(guó)幾百年來(lái)第1次有能力有基礎(chǔ)全面介入和參與的一次技術(shù)革命，是中華民族在偉大復(fù)興進(jìn)程中的一次重大機(jī)遇”。在3次工業(yè)革命和第1次量子革命中，中國(guó)始終在學(xué)習(xí)和追趕西方，原創(chuàng)性核心技術(shù)不足，而目前中國(guó)的量子信息科技已處于世界第一方陣，在此基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)再接再厲，加大量子科技人才培養(yǎng)力度。量子信息技術(shù)有望與人工智能、機(jī)器人技術(shù)成為第4次工業(yè)革命的重要引擎，推動(dòng)人類(lèi)從信息時(shí)代跨入量子信息時(shí)代。中國(guó)正在實(shí)現(xiàn)從世界科技革命的落伍者、學(xué)習(xí)者、追趕者向創(chuàng)新者、貢獻(xiàn)者、引領(lǐng)者的重大轉(zhuǎn)變。
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