未来100年，我们要利用大量原子、电子聚集的量子效应

2026年8月19日，墨子沙龙邀请清华大学高等研究院教授翟荟，前往上海图书馆（东馆）7楼，作题为《走进奇妙的原子世界》的科普讲座。本文根据报告内容整理而成。

今天我想给大家讲一讲原子世界的奇妙。

首先大家想一想，什么是原子？原子是一个非常微小的粒子。在日常生活中，如果你觉得一个东西非常细，经常会说“细如头发丝”。但如果你把原子一个一个排起来，一根头发丝的直径大概需要几十万到上百万个原子。如果把一个原子放大到一个苹果（或者乒乓球）那么大，那对应的苹果就会变得比地球还大。这给大家一个直观的印象，原子是非常非常小的。

但是，原子即便这么小，它也不是没有结构的。它是由一个非常小的原子核和核外电子组成的。原子核外面巨大的空间是由大量电子占据的。因为电子带负电，原子核带正电，它们之间的吸引力使得电子一直绕着原子核转。

用激光操控原子

既然电子是带电的，我们要去操控它，最好的办法就是用电场和磁场。在日常生活中，激光就是一个非常精准的电磁场。所以，控制原子最好的武器就是激光。在过去将近半个世纪的物理学研究里，一个很重要的研究方向就是怎么用激光控制好原子。在这个过程中，过去30年里诞生了三个相关的诺贝尔奖，占了十分之一的比例。

具体来讲，我们可以用两种方式拿激光来操控原子。

第一种方式叫“激光囚禁原子”。什么叫囚禁？就像地上挖一个坑，球就会待在坑底的重力势能最低点。如果打一束光聚焦在空间的某一个位置，聚焦时光强最强，能给原子一个更低的能量，原子就会待在那个能量低的地方。

第二种更重要的事情是“激光冷却原子”。冷却就是把温度降下来。我们要把原子冷却到什么温度呢？我们要把它冷到比绝对零度（零下273.15度）只高0.00001度。这个温度是我们宇宙间最冷的东西。

这种冷却无法用更冷的物体去接触降温，而是要用激光。打个比方，一帮小孩在操场上跑，你要让他们停下来，就可以在他往东跑时往西拽，往南跑时往北拽。自然界中存在这样一种力，它永远跟原子运动的方向相反，这就是激光产生的力。这个力作用时间长了，气体运动速度降低，能量减小，温度就降下来了。著名华人科学家朱棣文正是因激光冷却原子的发现获得了诺贝尔物理学奖。

量子与经典的区别

我们把原子冷到这么低的温度，实际上就是要研究量子的现象。量子世界和经典世界有什么区别？在经典世界里，粒子的运动是非常确定的，每时每刻的位置和速度都能准确测量，运动轨迹是完全决定的。但量子世界完全不一样，它最重要的原理是概率性的。你没法说清楚电子究竟在哪里，它以一定的概率弥散在原子核周围的整个空间里，像一团“电子云”。

大家不要觉得量子离我们的生活非常遥远。量子力学从1925年薛定谔和海森堡提出基本方程正式建立以来，已经走过了一百年。在过去的100年里，量子深刻地改变了我们的世界。我们今天用到的半导体、芯片、手机、电脑、激光、太阳能，还有医院里的核磁共振、X光，都是量子效应的应用。

原子的一个很重要的应用是导航系统（如GPS、北斗）上的原子钟。最古老的单摆钟是用机械周期性运动来计时，而现代的原子钟是用原子的两个量子态之间“相干叠加”的概率随时间的震荡来计时的。比原子钟更精确的是新一代的光钟，它的准确度能达到10的负19次方秒——如果一台光钟从宇宙诞生那一刻起运行到今天，误差都不会超过一秒钟。

量子计算

接下来讲量子计算。量子计算和经典计算的区别，也是概率和决定的区别。经典计算机的基本单元是比特，通过电流的通断来实现0和1的二进制运算，是非此即彼的关系。而量子的比特，可以以一定的概率处于0，一定的概率处于1，是一个叠加的关系。这种叠加性使得量子比特表达信息的能力远大于经典比特。

早在1981年，物理学家费曼就提出：自然界不是经典的，如果你想用计算的方式去模拟自然，那你手里的计算机最好也不要是经典的。经过40年的发展，我们才陆续发展出不同物理系统来实现量子计算的雏形。

量子计算机做出来后有什么用？它不是经典计算机的替代品，而是用来解决几类特定但应用广泛的复杂任务：

第一类是量子模拟，精准预测电子、原子、分子的能量与化学反应，这对材料、药物合成、核能等研究非常重要。

第二类是组合优化问题，比如金融股票投资分配、交通网络优化、港口调度等。

第三类是复杂的矩阵运算，这可能为当前面临算力瓶颈的人工智能算法带来极大的加速。

第四类是对现有密钥系统的挑战。现在的密钥体系基本基于“大数分解”难题，正向乘法容易，逆向分解极难。但这对于量子计算机来说不是难事。如果量子计算机造出来，现有的加密信息将失去保密作用，这也是当前各国大力研究“后量子密码”的原因。

用原子做量子计算

我研究的是量子计算众多技术路线中的一种：用原子来做量子计算。这实际上是“冷原子物理”和“量子计算”这两个发展了40年领域的结合。

具体可以分为四步：

第一步是“抓取原子”。我们用“光镊”技术，把激光聚焦成1微米大小的光斑，就像挖一个1微米大的坑把原子囚禁在里面。我们在清华研发了“光学超表面”技术，在一两厘米的玻璃衬底上长出上亿个玻璃柱，一束平行光打过去能聚焦出数万个一致性极高的微米级光斑。在我们的实验图片上，每一个白点就是一个真正的单原子，目前我们已经能一次抓取一万多个原子。

第二步是“控制”。要操控这一万个原子按照想象的路径运动、重排且不相撞，这是一个非常复杂的路径规划优化问题。这就需要大量介入人工智能的手段。人工智能和量子计算未来一定是一个交互共生的关系。

第三步是“纠缠计算”。我们需要让原子之间进行量子纠缠。这里用到一个奇妙的效应叫“里德堡阻塞效应”。简单来说，能量低的原子电子云紧贴原子核，像个“瘦子”；给它激光能量激发后，电子云变得很大，原子就变成了“胖子”（里德堡原子）。如果两个原子靠得很近，由于空间拥挤，它们不能同时变成“胖子”。所以只要我自己没变胖，我就知道对方肯定是胖了。这样不需要互相询问，我们就建立了关联，产生了量子纠缠。

第四步是“量子纠错”。即便运算正确率达到99.9%，千分之一的错误率也会导致几千步之后的计算结果彻底错误。单靠提高硬件精度是不够的，必须依靠量子纠错。就像一个人做题正确率只有99%，那我们就找七八个人组成一个团队一起做，每算一步对一次答案，互相纠正，这样整体出错的概率就大幅降低了。未来量子计算机真正的工作单元是由很多“物理比特”组成的团队，叫“逻辑比特”。通过逻辑比特相互交流和纠错算法，大幅压低错误率，才能实现有实用意义的量子计算机。

目前，量子计算离实用化还有距离，现阶段能用来做计算的物理比特只有百千量级，错误率在1%到1‰之间。未来需要软件和硬件“双向奔赴”：一方面提升比特数和计算精度；另一方面设计更好的算法降低资源消耗，比如破解RSA 2048密码曾认为需要上千万比特，现在通过算法优化降到了几万个比特。什么时候这两个箭头碰上了，量子计算就走向实用化了。

过去100年，单个原子、电子的量子效应深深改变了我们的生活；而在未来100年，我们要利用大量原子、电子聚集在一起的集体量子效应，这必将带来重要的产业变革。谢谢大家。

现场互动问答

观众：未来量子技术会发展成什么样？

翟荟：科学最有意思的事情就是你不知道答案，科学的答案是由你们来定义的。如果我们现在就知道未来的样子，可能就失去探索的兴趣了，需要发挥大家的想象力去探索。

观众：高中物理讲电子吸收光量子后能量会提升，但讲座里又说用光给原子降温让它不动，同样是光为什么作用相反？

翟荟：这是两个不同的自由度。温度定义的是原子作为一个整体运动的速度；而电子吸收光子能量升高，是指电子离原子核更远，原子变“胖”了。而且，原子的运动速度下降，是因为电子不仅会吸收光子，还会放出光子。这一来一回的过程中，产生了一个永远跟原子运动方向相反的作用力，从而使整个原子的速度下降了。

观众：矩阵力学跟量子力学有什么关系？

翟荟：量子力学有两种等价的表述方式。1925年海森堡在岛上为了躲避花粉过敏，用矩阵写出了描写量子现象的公式，被称为“矩阵力学”；同期薛定谔用另一种方式写出的被称为“波动力学”。它们都是对量子力学的等价描述。

观众：从微观角度理解量子技术后，它具体呈现给大众的方式是什么？

翟荟：呈现给大家的就是各种仪器。比如太阳能电池，我们需要找到一种材料，让里面电子的能量刚好能最有效吸收太阳光的电磁波。这背后的原理就是用量子力学的薛定谔方程来指导计算和设计的。虽然产品做出来后大家不关心原理了，但设计之初都是因为量子力学。

观众：量子比特具有不确定性，测量会破坏叠加态，怎么去读取记录在里面的信息？

翟荟：这个问题问到了量子计算最核心的原理问题。如何在利用叠加原理的同时实现决定性的读出，以及在叠加状态下如何进行纠错，这里面有非常复杂的物理机制和算法，这也是量子计算机能不能成立、量子纠错要解决的核心问题。

观众：能不能解释一下什么叫量子纠缠？什么时候会被破坏？

翟荟：量子纠缠就是说，如果有两个相距很远的比特，我们约定好了它们之间只能“一黑一白”。那我只要测量我手里的比特是黑的，不需要问对方，我就知道另一个一定是白的。如果在独立演化中，它们各自和周围环境发生了很多相互作用，导致原有的约定被破坏，这就叫“退相干”。退相干是量子计算最大的敌人。

观众：“薛定谔的猫”处于半死半活的状态，这和量子有关系吗？

翟荟：非常有关系。死猫和活猫的叠加就是量子叠加效应的体现。薛定谔当年提出这个思想实验，就是想挑战：既然微观世界是叠加的，为什么宏观世界看不到死和活的叠加？这也解释了为什么量子计算机做起来很难：体系自由度（原子数）越多，量子效应就越脆弱，越容易被环境破坏。单个电子的叠加态很稳固，但像猫这样由无数原子组成的宏观物体，叠加态极其脆弱。所以我们需要用“量子纠错”来保护多比特的纠缠状态。

观众：衡量量子计算机的指标是什么？中性原子路线相比离子阱有什么优劣？

翟荟：终极指标是“逻辑比特的数目”和“逻辑运算的准确度”。但现阶段大家都在编少数几个逻辑比特，所以看的是物理比特数目和门保真度等综合指标。中性原子相比超导，具有天然的全同性；相比带电的离子，它不容易产生相互干扰，所以规模更容易做上去。对于中性原子来说，我们认为做到万量级的可纠错量子计算机，只是一个时间问题，并没有不可突破的技术壁垒。

文章转载自"墨子沙龙"公众号