编者按

　　未来5年到10年，是全球新一轮科技革命和产业变革从蓄势待发到群体迸发的关键时期。随着全球新一轮科技革命的飞速发展，颠覆性技术革新风起云涌，其中最引人瞩目的包括量子计算、人工智能与区块链等。这些颠覆性技术与中国传统文化有无联系？与基础科学（如数学、物理学）有何关系？如何客观认识这些前沿技术？本期特刊发2018年1月获中华人民共和国国际科学技术合作奖的美国籍理论物理学家、中国科学院外籍院士张首晟的报告。

　　目前，量子计算、人工智能与区块链是整个信息技术行业中最重要的三大基础技术。在将来，要使信息技术真正能够得到跨越发展，必须重视基础科学，既需要物理学，又需要数学，因为物理和数学跟信息技术革命有紧密的联系。

　　“天使粒子”的发现改变了量子计算机的研发困境

　　在讲量子计算之前，先讲一讲跟“天使粒子”有关的科学发现故事。现代很多有意思的科学发现，都跟哲学观念的改变有所关联，包括中华民族那些根深蒂固的古老哲学观念。比如，好像世界从来都是正负对立的世界，有正数必有负数，有阴必有阳，有善必有恶。这种对立的世界观，在基本粒子的物理世界里也有呈现。

　　历史上曾有一位非常伟大的理论物理学家狄拉克，他把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学统一起来，在统一的过程中他做了一个非常简单的数学运算，开了一个根号。在开根号的时候，始终会出现正负两个解，一般人可能只关心“正解”，不关心“负解”。狄拉克把“负解”解释成所有的粒子必然有反粒子，并预言所有的粒子必然有反粒子。

　　1928年的时候，物理界并没有发现反粒子，大家都对他提出非常大的质疑，说他的方程肯定不对。他坚持自己的方程是对的。过了5年，他非常幸运，果然在宇宙辐射的射线里面，物理学家找到了电子的反粒子，就是正粒子，命名为狄拉克海。

　　此后，基本粒子物理了有质子找到了反质子，有中子也找到了反中子，并且得到了应用。比如正电子在医疗领域里面已经有了广泛应用，有一种医疗测试叫PET，利用正电子和负电子可以成像，要测阿尔兹海默症，最好的办法就是做PET。

　　今天，中国人对科学发展非常关心。科学发展最大的驱动力是什么？我认为是对生活的好奇心。历史上的理论物理学家，如牛顿，在苹果树底下，苹果掉下来激发了他的灵感，万有引力就发现了。爱因斯坦在坐电梯的时候，感觉到电梯的上下和引力的作用非常相似，由此创造了伟大的广义相对论。

　　另外，科学的发展应该不迷信权威。狄拉克成为非常有名的理论物理学家后，科学家都非常坚信在世界上有粒子，必然有反粒子。但另外一位伟大的理论物理学家马约拉纳，他出于好奇心，问世界上会不会有一些粒子并没有反粒子？他发明了马约拉纳方程，这个方程奇妙地描写了有一种粒子没有反粒子，或者它自己就是自己的反粒子。

　　后来，整个物理学界都在找梦寐以求的两个粒子，一个粒子叫“上帝粒子”，2012年在欧洲的加速器中找到，预言它的那位物理学家希格斯得了诺贝尔奖，还有一个就是“马约拉纳费米子”。

　　我是做理论物理工作的，理论物理学家的工作一般是作出预言，让实验物理学家来测试。我的实验小组在2010年的时候就预言了在一个组合型的器件里面可以找到马约拉纳费米子。不过我们还需要找到一个信号能够证明这种粒子的存在。

　　有一天，我想马约拉纳粒子只有一面，没有反面，所以在某种意义上它是通常粒子的一半。我们理论小组做了大胆的预言：既然马约拉纳粒子跟通常粒子不一样，在某种意义上它只是通常粒子的一半。所以它的电导率会不一样，通常的粒子电导率是0、1、2、3整数倍，它必然会导致半整数倍的电导台阶。我们预言它会有0.5或1/2的台阶。后来我们理论小组就和实验小组做了一个紧密的合作，做了实验观察，的确在0.5的地方，大家可以看到是实验的原始图案，在0.5的地方出现了台阶，证明了马约拉纳费米子的存在。我们取名为“天使粒子”，大家非常喜欢这个名字。

　　“天使粒子”跟信息技术发展有什么关系？

　　现在的计算机已经分成两类，经典计算机和量子计算机。有些问题经典计算机就很容易解决，比如把两个大的数乘起来，经典计算机可以算得很快。但一个数看能不能拆成另外两个数的乘积，比如15可以写成3乘以5，这个数比较小的话你自己也可以算出来。但是给你一个很大的数，经典的计算机要算这个数到底是不是两个数的乘积需要花很长的时间，因为它用的算法是穷举法，把所有可能被除的数一个个除过来，最后才能确认这到底是不是两个数的乘积，经典计算机算起来非常慢。

　　经典计算机只能用穷举法，最后才算出一个答案。但量子世界是非常神奇的世界，是平行的世界。比如一个著名的试验，如果我放出一个粒子，比如光子，它有两个孔，要不是左边，要不是右边。但是量子世界有一种本真的平行在里面，一个基本粒子在某一个瞬间同时穿过了两个孔。要么是左，要么是右的话，图像就不是显示的图像。

　　量子的世界本身是平行的。如果用量子世界来做计算的话就能够秒算，把所有的可能性一下子算出来，因为量子世界有它本真的平行性，这是量子计算最基本的概念。但是要真正造出这个量子计算机是非常困难的，比如最基本的单位，经典计算机最基本的单位是比特，就是信息要不是0就是1，用0、1就能够表达所有的信息，这是经典计算机的概念。但在量子世界里面，一个粒子同时穿过左孔，又穿过右孔，处在某一种叠加的状态。一个量子比特讲不清是0还是1，它是处在0和1叠加的状态里面。大家听一个比喻，薛定谔猫就处在死和活的叠加状态里面。这是一种非常奇妙的现象。但是由于这种基本的现象，说明一个量子的比特本身是不太稳定的，你去观察一下周围就知道它要不就是在左边，要不就是在右边，要不是0，要不就是1，任何一个噪声就会对量子比特产生很大的干扰。

　　最近，量子计算机成为全球和美国著名公司特别关注的东西，谷歌、微软、IBM、英特尔都在做投资，但根本上不能解决这个问题，因为一个量子比特是非常不稳定的，如果哪天告诉我们做了50量子比特，但关键的问题是有用的比特是多少，如果只有一个有用的比特，往往在这种量子计算的框架下需要10个、20个甚至40个、50个纠错的比特来为它服务，使得量子计算很难真正实现。

　　但天使粒子的发现根本改变了量子计算机研发的困境，这是从量变到质变的过程。量子比特本身自带纠错的能力，就是我把通常一个量子比特能够拆分成两个天使粒子的。通常的粒子有两面，天使粒子只有一面，所以天使粒子通常只相当于一个粒子的一半。所以通常一个量子比特就可以用两个天使粒子来储存它。一旦用了两个粒子储存它，它们在遥远的地方，它们相互是有纠缠的。在经典世界里面的噪音，它们相互之间是没有纠缠的，这样的话就没法用噪声来破坏由天使粒子所储存的量子，所以这是一个革命性的改变。

　　所以，我在不久前在美国物理学会演讲，说天使粒子是激动人心的发现，用来做量子计算机是多少比特就多少比特，不用附加纠错的比特，自带纠错功能，这会对量子计算机的研制起到突飞猛进的作用。