从墨子号到“宇宙巨眼”，一同解码百年量子发展之路丨科学讲坛——彭承志

2026年4月26日，墨子沙龙邀请到中国科学院院士、中国科学技术大学杰出讲席教授彭承志，前往浦东青少年活动中心，作题为《量子科技发展之路》的科普报告。报告系统回顾了量子力学的百年发展历程，深入解读了我国在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的前沿成果与战略布局。本文根据讲座内容整理而成。

很高兴有机会和大家分享量子科技领域的进展。

去年是联合国教科文组织设立的国际量子科学技术年，也是量子力学诞生百年纪念。回望百年前，全球局势动荡，一战二战间隔期间战火纷飞，但欧洲科学家却在这样的背景下创立了量子力学。彼时正值现代科学关键发展阶段，中国只能作为旁观者。百年后的量子力学百年纪念活动上，我国潘建伟院士受邀作报告，标志着中国科学家终于在量子力学国际舞台上拥有了自己的声音与地位。

回溯量子力学百年历程，百年前一众顶尖物理学家汇聚，凝练出量子力学理论，诠释微观物理规律。此后，普朗克等科学家持续深耕，依托量子力学诞生了晶体管、激光、原子弹、核磁共振、高温超导等重大成果，彻底改变了人类世界。百年间量子力学领域多次斩获诺贝尔物理学奖，如今再度迎来全新发展高峰，成为极具潜力的前沿学科。

量子力学之所以能拥有如此深远影响力，源于人类两种核心思维方式。一种是归纳推演法，从已知现象预判未来趋势，人工智能便是这种思维的极致体现，通过学习人类所有知识，自主推演生成答案。另一种是还原法，向下拆解深挖微观本质，追溯事物发展的底层机理，而量子力学正是还原法的终极形态。

量子力学对世界的底层规律总结为两大核心要点，理解这两点便掌握了量子力学大半精髓。第一，世界是量子化的。量子意为一份一份、不可再分的最小单元。手机屏幕看似画面连续，放大后实则由无数像素点构成；如同游戏《Minecraft》由基础方块组成，现实世界的物质、能量也存在最小单元，原子、分子、光子都是世界的基础 “方块”，世间万物并非无限连续，而是由离散的最小单元构成。

第二，微观世界存在叠加态。经典世界中事物状态确定，人物位置可精准界定，但量子微观单元完全不同，可同时处于多种状态叠加。就像一个量子粒子能同时处在两个位置，无确定形态。可以通俗理解：组成人体的每一个原子都处于自由叠加、位置不定的状态，但海量原子聚集后，相互牵制抵消了叠加特性，最终呈现出经典世界确定的状态。个体微观是叠加态，宏观经典世界只是量子叠加特性的子集，确定性只是特殊情况。

依托量子化与叠加态两大特性，量子力学为信息社会开辟三大核心发展方向：量子通信、量子计算与模拟、量子精密测量。本次报告将围绕量子叠加与量子纠缠，介绍量子通信、量子计算的发展现状，同时展望量子测量与天文学融合的未来前景。

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量子叠加与量子通信

量子叠加指量子态无确定状态，同时处于多种状态之中。量子通信是以量子态为信息载体的通信方式，其核心优势是绝对信息安全。日常通信追求信号越强越好，而量子通信反其道而行，利用最微弱的量子能量传输信息，如同课堂上小声讲悄悄话，避免被窃听。

信息安全是人类与生俱来的需求，自古希腊、斯巴达时期就有加密通信技术，二战期间密码攻防更是影响战局走向。但传统加密技术始终存在被破解的风险，人类一直渴望实现无法破译的绝对安全通信，而量子力学给出了可行答案。

量子通信的安全根基源于量子叠加两大核心原理。一是量子测量扰动原理：量子叠加态本身无确定状态，只有进行观测测量时，状态才会固定，测量行为本身会改变量子态。一旦有人窃听量子通信，测量行为会破坏量子态，通信双方能立刻察觉窃听行为。二是量子不可克隆定理：任何量子态都无法被完美复制克隆，不存在复制量子信号进行隐秘窃听的可能，从底层杜绝了伪造窃听的途径。

量子通信理论最早由科学家 Wiesner 提出，他设想利用量子不可克隆特性打造量子钞票，杜绝假币，但受限于技术和大众认知，想法长期无人认可。后来其好友 Bennett 完善理论，发现量子态难以长时间存储固定，但光量子天生高速传播、不易受环境干扰，完美适配通信需求。光以每秒三十万公里的速度匀速传播，能远距离稳定传输量子信号，由此奠定了量子密钥分发的理论基础。

1984 年 BB84 量子密钥分发理论正式提出，1989 年全球首个量子密钥分发实验落地，仅实现 30 厘米短距离传输。除保密通信外，利用量子纠缠还可实现量子隐形传态等前沿应用。

回望我国量子通信发展之路，上世纪七八十年代，我国在量子前沿领域完全缺席，理论创新、早期实验均无中国科学家身影。九十年代起，国家发展逐步向好，一批优秀学子走出国门深造，潘建伟院士等领军学者远赴海外顶尖课题组深耕量子信息领域，成为我国量子科技发展的星星之火。

25 年前，学成归国的科研人员立志搭建国内顶尖量子实验室，秉持踏实钻研的初心，对标国际一流水准深耕量子通信。当时领域内的终极目标，是突破距离限制，实现全球覆盖的量子保密通信，让量子加密信号跨越大洋实现全球互通。

依托我国跨学科科研体制优势，中科院牵头联合航天、卫星载荷等科研单位，启动星地量子通信研发，计划将量子光源、探测设备搭载卫星，构建全球量子通信网络。科研团队扎根青海湖开展野外实验，在寒冬的湖心山顶、热气球平台完成百公里级量子态传输验证，成为全球仅有的两支掌握百公里量子通信技术的团队之一，与潘建伟院士留学导师领衔的国际顶尖团队并肩领跑。

站稳世界唯二的位置后，我国科研团队并未止步，向着全球唯一、国际领先的目标攻坚。2003 年至 2016 年，历经十余年潜心研发，我国成功发射墨子号量子科学实验卫星。墨子号升空后，我国量子通信实现断崖式国际领先，独掌星地量子通信核心技术，引发全社会广泛关注，不再局限于物理专业圈层。此后我国学者受邀前往 NASA 作学术报告，团队斩获克里夫兰国际奖项，彰显了中国量子科技的国际地位。

如今我国已建成全球规模最大的光纤与卫星融合量子通信网络，实现量子地面站小型化部署，可安装于楼顶、舰艇、外交使领馆等场景，真正落地全球量子保密通信应用。墨子号的成功也推动了国际量子领域发展，为潘建伟院士导师斩获诺贝尔物理学奖提供了重要支撑。提出量子密码理论的两位先驱，也先后获得沃尔夫奖、计算机领域最高奖图灵奖，标志着量子密码从物理小众研究，升级为全球信息社会认可的核心技术。

量子通信的崛起离不开时代机遇。近十年来，量子计算技术快速发展，未来有望破解传统经典密码，对现有信息安全体系形成巨大冲击。而我国提前布局量子通信，在量子计算大规模落地前筑牢信息安全 “盾牌”，为未来信息社会构建核心安全基础设施，抢占了科技发展先机。在我国科学家的全力攻坚下，量子通信已稳居全球领跑地位，成为国家科技竞争力的重要名片。

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量子纠缠与量子计算

量子计算拥有颠覆信息社会的超强算力，其核心底层是量子纠缠。如果说量子叠加是单个粒子的多态共存，量子纠缠便是两个及多个粒子的关联叠加，粒子间形成无形关联，状态相互绑定、互为影响。

自然界万物普遍存在量子纠缠，微观粒子相互作用、人类社会人际关联，本质都可类比纠缠特性。经典计算机仅依靠 0 和 1 两种固定状态，无叠加与纠缠能力，算力存在天然上限。面对海量大数据、复杂密码破解、微观世界模拟等超高难度计算，经典计算机力不从心。

量子计算的算力优势源于量子比特的叠加特性。1 个量子比特可同时呈现 2 种状态，2 个量子比特可呈现 4 种叠加状态，200 个量子比特便能表征2 的 200 次方种状态。量子计算可同时对海量叠加状态并行处理，搭配专属量子算法，就能快速解决经典计算机万年都无法完成的运算任务，其中 Shor 算法可直接破解现有经典公钥密码体系。

量子计算具备巨大的经济与社会价值。以比特币为例，其交易账本约 100G，蕴含 20% 存量比特币，价值数千亿美金。一旦通用量子计算机问世，借助超强算力就能破解加密账本，掌控海量数字资产。更重要的是，量子计算将重构整个信息社会、金融体系，在新药研发、材料模拟、天文探测等领域带来革命性突破。业界将通用量子计算机正式落地、可破解现有密码体系的时间节点称为Q-Day，全球都在为这一时刻提前做好信息安全防护准备。

目前距离 Q-Day 仍有较远距离，核心难题是量子计算机的技术路线尚未定型。全球主流研发路线包括超导量子比特、光量子比特、原子量子比特、离子阱量子比特等，多条路线并行研发，尚无明确胜出方向。行业普遍将量子计算发展划分为三个阶段：

第一阶段是实现量子优越性，让量子计算机完成某一项经典计算机无法企及的任务，是量子计算成长的首个里程碑。谷歌率先以企业力量实现突破，完成量子优越性实验，将量子计算推向公众视野。随后我国陆朝阳教授团队研发 “九章” 光量子原型机，以远低于谷歌的经费，实现 76 个光子量子优越性，秉持多快好省的研发理念，在光量子路线上比肩国际顶尖水平。

第二阶段是量子纠错技术突破。量子态极易受环境干扰，量子计算机运算过程会频繁出错，错误率极高，连续运算后结果完全失效。研发具备自我纠错、修复能力的量子计算机，是从实验原型走向实用化的关键一步。目前中美在量子纠错领域并跑竞争，谷歌稍占先机，我国紧随其后，竞争态势十分焦灼。

第三阶段是大规模量子比特集成，将数千、数万甚至十万级量子比特集成，打造通用量子计算机，届时 Q-Day 正式到来，可全面落地密码破解、科研模拟等各类应用。

量子计算领域呈现万马奔腾的竞争格局。中美作为第一梯队率先迈过量子优越性门槛，在纠错阶段激烈角逐；离子阱、中性原子等新兴技术路线作为黑马快速追赶，依托自然界现成原子、离子资源，无需复杂芯片制造，实现断代式低成本研发，开辟全新突破路径。

科技无国界，但科学家有国界，量子计算已成为国与国科技竞争的战略高地。国际形势变化后，我国量子领域科研交流受限，面临设备技术封锁。美国企业投入巨额资金布局量子计算，规划 2030 至 2035 年冲击 Q-Day。作为科技大国，我国在量子计算领域绝不能落后，必须持续加大研发投入，多路线同步布局、全面攻坚，守住前沿科技竞争阵地。

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量子干涉与量子科技跨界融合

量子科技持续火热，根本源于科学内生动力，而量子干涉是量子力学最核心的奥秘之一，也是量子精密测量、天文跨界融合的基础。

经典世界中，向池塘投掷两块石子，水波扩散后相互交汇，形成波峰波谷交错的干涉纹路，这是常见的经典波干涉现象。量子世界同样存在干涉效应，电子、光子等微观粒子虽是离散颗粒，却具备波的特性，会形成量子干涉。费曼曾评价，电子杨氏双缝干涉实验是量子力学的核心，蕴藏量子力学最深层的规律。当无法区分微观粒子的运动路径时，粒子就会以波的形式产生干涉，呈现出奇妙的量子特性。

量子干涉也是量子纠缠产生的底层逻辑。强光射入特殊晶体后可分裂为一对关联光子，如同双胞胎粒子。在光路交汇焦点处，无法区分光子来源与偏振状态，量子态便形成叠加纠缠，两种粒子状态相互绑定，量子纠缠就此自然产生。

早年墨子号研发期间，科研团队曾设想打造天地一体化量子干涉系统，实现地面与卫星间的光量子干涉，虽最终未能实现，却意外开启了量子与天文学的跨界合作。天文学家早已实现宇宙尺度干涉观测，利用两台 8 米级望远镜，相隔百余米捕捉几千万光年外的星光，通过光路整合形成干涉效应。无法区分星光来自哪台望远镜时，等效形成百米级超大口径望远镜，大幅提升天文观测精度。

当前天文观测百米基线已是传统技术极限，若能突破至公里级基线，打造等效一公里口径的 “宇宙巨眼”，就能大幅提升观测分辨率，探索宇宙深空、探寻地外文明、解析宇宙演化规律。而量子科技恰好能补齐天文观测的技术短板，我国量子科研团队在千公里级光纤干涉、弱信号光传输、光学跟瞄设备等领域积累深厚技术优势，具备赋能天文观测的能力。

疫情期间，量子领域与天文学领域院士及科研团队开展联合研讨，达成强强联手的合作共识，探索量子技术赋能天文观测的新路径。巧合的是，美国同行也同步启动量子与天文交叉研究，印证了这一跨界方向的巨大潜力。

我国科研团队在新疆阿勒泰开展公里级量子天文干涉实验，摒弃传统天文观测的真空管道，用量子通信光纤替代，依托量子技术保障光信号传输精度，直接挑战全球百米基线极限，冲刺一公里超长观测基线。首次实验虽遭遇失败，但团队快速优化方案、调整设备，二次联试成功捕捉到 630 光年外蓝巨星的微弱干涉信号；后续又在 600 米短基线实验中，获得对比度更优的观测信号，验证了量子技术赋能长基线天文干涉的可行性。

目前实验采用小口径望远镜，虽验证了技术原理，但观测遥远深空天体时，光线信号过于微弱。调研发现，我国天文设备存在短板，国内缺少两台相隔一公里的 2 米级望远镜，仅有云南一处点位有相近设备，却仅相隔百米。但时机恰逢其时，未来五年我国将在冷湖布局近 10 台 2 米及以上天文望远镜，补齐光学天文设备短板。

借助量子纠缠与干涉技术，可将多台独立天文望远镜互联互通，不再是简单的数量叠加，而是实现指数级观测能力倍增，等效打造公里级超大望远镜。量子科技与天文学的跨界融合，能助力人类探索物理学的基础难题，解锁宇宙更多未知奥秘。

量子科技的发展之路，既是行业技术迭代之路，也是科研团队与青年一代的成长之路。个人的成长始终与行业进步、国家发展同频共振，唯有将自身理想融入国家科技发展大局，才能实现个人与时代的共同成长。愿每一位年轻人都能把握时代机遇，深耕所学、逐梦前行。

文字整理：真真

文章转载自“墨子沙龙”公众号