3月16日至21日，美国物理学会全球物理峰会在加州阿纳海姆举行。约翰·普雷斯基尔（John Preskill）在会上发表演讲庆祝量子力学百年辉煌成就。以下是他的发言内容。

▲约翰·普雷斯基尔（John Preskill），美国理论物理学家，以创造量子计算优越性一词而闻名。

各位来宾，欢迎莅临由《物理评论》期刊主办的量子力学百年庆典。我是约翰·普雷斯基尔，今天在此发言，深感荣幸。主办方邀请我分享一些契合今天这个特殊场合的想法，讲讲自己作为一个物理学家的个人经历。我很高兴地接受了这一任务，尤其是个人经历部分，可能会比他们预期的还要详细。不过，在接下来的20分钟里，我希望能从自己的经历中提炼出一些更具普遍意义的经验。
1975年，我开始攻读研究生学位的那一年，正是量子力学百年历程的中心阶段，离我们今天庆祝的量子力学诞生之年（1925年）过去了50年。借此机会，我想回顾一下50年前量子物理的状况，和至今取得的突破，以及我们对未来的期许。
本科就读普林斯顿时，我有幸遇到多位令人难忘的导师，今天要说的其中一位是约翰·惠勒（John Wheeler）。他为大二学生开设过一门全年的物理课程，旨在涵盖物理学的全部内容。惠勒曾与尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）合作研究核聚变，他在我们眼中似乎极为年长，尽管当时他其实只有61岁。这门课程风格独特，惠勒毫无保留地向我们分享他的研究热情。其中，他对黑洞问题非常着迷，尤其是当时天文学家是否已经有证据观测到黑洞的的争议。特别值得一提的是，在讲授热力学第二定律时，他抛出一个问题：如果熵落入黑洞视界，会发生什么？他的博士生雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）刚在同年完成博士论文，提出黑洞具有与视界面积成正比的内禀熵。这一结论令全班震撼，也让我在后来的科研中反复思考其深意。从中我得到的经验是：与本科生分享前沿研究思想，潜力不可低估。
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▲约翰·惠勒（John Wheeler），美国理论物理学家，广义相对论领域的重要学者。
次年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出黑洞辐射理论，将熵与黑洞视界面积的联系精确化。这个完美融合了相对论、量子论与热力学的黑洞熵公式，堪称量子力学第一个世纪的闪耀成就之一。但霍金本人也指出，它引发了一个我们求索至今，但仍然悬而未解的难题：落入黑洞的信息究竟去了哪里？
霍金的疑问引发了一场基本物理原理之间的激烈冲突。量子力学告诉我们，在量子系统的演化过程中，信息可以被极度搅乱，但绝不会被彻底摧毁。而相对论因果律则指出黑洞蒸发，信息无法逃逸。谁胜谁负——量子力学还是因果律？主流观点认为量子力学获胜，因果律不应被视为基本原理。这甚至动摇了我们对时空本质的理解——时空究竟是基本存在，还是一种更深层自然规律的近似描述？如果时空是“涌现”的，那它是如何涌现的？又源自何处？解答这些难题，将是第二个量子世纪的任务。
进入哈佛读研后，我见证了量子力学第二个50年的蓬勃发展。我们这一代物理学家恰好错过了粒子物理学标准模型的建立时期，但我仍被粒子物理领域那些振奋人心的实验和理论进展深深吸引。在20世纪70年代中后期，许多新思想涌现，我选其中两个来展开。首先，人们对拓扑学在量子场论和凝聚态物理中的重要性有了更深的认识，例如拓扑孤子的理论。在量子力学的前50年，理论物理学与数学逐渐分道扬镳，但在过去50年中，它们的交汇日益频繁，拓扑学的应用仍不断为物理学家带来新颖的洞见和喜悦。其次，一个引人注目的想法是通过研究宇宙早期历史的遗迹来探索基本物理。我的首篇论文探讨了一个结合了拓扑学和宇宙学的问题：宇宙初期是否大量产生磁单极子？为了验证我的想法，我没有咨询粒子物理学家或宇宙学家，而是向凝聚态物理学家伯特·哈尔珀林（Bert Halperin）求教，他的建议对我大有帮助。这一经历让我意识到，学科交叉处常隐藏重大机遇，这一认识在我后续的研究生涯中发挥了重要作用。

▲伯特·哈尔珀林（Bert Halperin），美国凝聚态物理学家。
作为物理学家回顾过去50年，量子学家们有哪些突破引以为豪？
在我本科时期，正值Phil Anderson提出了“多即不同”（More is Different）的观点，但那时作为一个自负的准粒子理论学家，我并未真正理解“多”到底能带来何等深刻的差异。在量子力学过去的50年中，没有哪种“涌现”现象比分数量子霍尔效应更令人震撼。众所周知，电子是不可分割的基本粒子。但在强关联的二维电子气中，电子为何能分裂成携带分数电荷的准粒子？从中我们得知，在强关联的量子世界里，奇迹确实可能发生。那么，在下一个量子世纪，还有哪些非凡的量子物态等待我们揭秘？
在我的学生时代，我也没有足够重视原子物理。试想，如果那些在1920年代解析原子结构的科学家看到今天的原子物理学，该有多么震惊。对他们而言，量子测量是针对大量相同初始状态的系统进行的实验。而如今，我们可以自如地捕获单个原子——移动、激发、读取它的状态，甚至精准引导原子对按照设定的方式相互作用。上世纪90年代中期，量子计算热潮兴起，最早的量子处理器正是依赖于离子阱钟技术。光学和微波腔内单光子与单原子之间的强耦合催生了电路量子电动力学——如今超导量子计算机的基础。由此可见，科学工具的进步往往会带来我们难以预见的新能力。如今，原子钟的精度极高，能探测到原子在地球引力场中上下移动一毫米引发的引力红移。那么，在量子科学的下一个百年，原子钟又会引领我们走向何方呢？
近几十年来，科学界最伟大的成就之一当属激光干涉引力波天文台（LIGO）的成功。如果你是一位引力波科学家，你的手机可能会频繁震动，提醒黑洞合并的警报，频繁到惹人烦。LIGO 的建成离不开先进的激光技术，但除此之外，它与量子力学又有什么关系呢？上世纪80年代初，我在加州理工学院了解到卡尔·凯夫斯（Carl Caves）提出的革命性构想：向干涉仪的暗端口注入压缩真空，从而提高干涉仪的灵敏度。这个量子策略乍看之下不够直观，但如今，40多年后的今天，LIGO正是凭借这一策略大幅提高了探测率。我们从中得到的经验是：理论洞见能够升级和再造科技工具，只是有时需要长时间的蛰伏。
过去50年间还有哪些变革？我们必须感谢arXiv。在我的学生时代，几乎没有科学家会亲自打印论文，因为操作IBM打字机需要技巧、训练和耐心。而科研成果交流既无电子邮件，也没有万维网。预印本只能通过慢如蜗牛的邮件寄送，如果你有幸被列入邮寄名单，或许能收到用牛皮纸信封寄来的纸质稿。互联网和 arXiv 重塑了科学传播——更快捷、更便利、更平等，而LaTeX 也极大地简化了论文撰写过程。然而，arXiv的成功也引人深思：在下一个量子世纪，学术期刊的角色将如何演变？
在我的科研生涯中期，我转变了研究方向。常有人问及这一转变的缘由，部分原因是：对于我这一代的粒子物理学家而言，最大的挑战与机遇是探索标准模型之外的物理，期待更深刻地理解自然法则。上世纪90年代初，我们曾对德克萨斯州在建的超导超级对撞机寄予厚望，期待它揭开新物理现象的面纱。然而，该项目于1993年夭折，这是一个巨大的打击。从中我得到的经验是：当社会提供的资源不足以支撑我们的科研愿景时，我们不得不另辟蹊径。
就在第二年，彼得·肖尔（Peter Shor）发现了一种高效的算法，可利用量子计算机对大整数进行因数分解。尽管我的学术背景与计算复杂性理论毫无交集，但这一发现令我震撼不已。它说明难易问题之间的差异——即哪些问题永远无解、哪些问题能借助先进技术攻克，取决于我们的世界是否遵循量子力学规律。这让我非常激动，因为由此可见，用计算的视角观察自然，或许能让我们对基础科学的理解更进一步。为了跟上这一全新领域的步伐，我不得不加倍努力——而教授相关的课程让我受益匪浅。
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▲彼得·肖尔（Peter Shor），美国计算机科学家。他提出了在量子电脑应用上的“秀尔算法”（又称量子质因数分解算法）。
有点讽刺的是，在1980年代中期，我曾经与理查德·费曼（Richard Feynman）在同一层楼共事四年半。费曼在1981年提出了用量子计算机模拟自然的构想，但当时的我对这一领域毫无兴趣，竟然从没和他探讨过量子计算。不过，我们确实讨论过经典计算——尤其是如何通过在传统计算机上的欧几里得蒙特卡洛模拟，来研究量子色动力学，这在当时还是一个新兴的方向。费曼精准预言了还需要数十年，计算能力才足以支撑未扰动QCD的精确定量预测。预言已经实现——如今，格点QCD在粒子物理和核物理研究中发挥着关键作用。我们从中得到的经验是：在设想量子计算如何推动基础科学的发展时，我们应以数十年为时间尺度。
下一个量子世纪将引领人类走向何方？未来的量子计算机会是何形态？经典计算机又将如何演进？毫无疑问，百年后的量子比特必将远超今日，其架构也将彻底颠覆现有想象。我们将如何驾驭这些量子机器？量子技术会否重塑医学与神经科学，甚至我们对生命物质的理解？能否通过原子级的组装，创造出特性惊人的全新材料？我们的原子钟是否已精确到足以探测随机引力波背景，甚至达到测量精度的终极极限，超越了任何可定义的稳定时间标准？量子望远镜网络是否以前所未有的精度观测宇宙，而这些观测又会揭示出怎样的奥秘？借助μ子对撞机等尖端加速器，我们能否探索高能物理的边界？暗物质与暗能量的本质是否被确认和破解了？我们是否已有了确凿的证据，证明宇宙的暴胀起源？我们是否已经能够从第一性原理出发，精确计算出标准模型的全部参数，还是说，我们终将承认此路不通？我们是否已经彻底理解时空的基本组成成分，揭开宇宙最深层次的结构？
有一个不容忽视的问题摆在我们面前——人工智能正在以惊人的速度重塑科学研究的方式。百年之后，人类在科学进步中将扮演什么角色？人工智能是否会与量子智能深度融合？我们的仪器是否能直接采集自然界的量子数据，将其转换为量子存储，并借助量子计算机处理，解析出那些被深深隐藏的宇宙奥秘？
在一定程度上，我们对未来的展望总是受过去经验的指引。如果要我列举过去50年的职业生涯中出现的物理学重大思想，以下三个必定入选：1、全息原理——关于引力与量子理论如何融合的最佳线索；2、拓扑量子序——为强相互作用量子物质的相态提供分类依据；3、量子纠错——让我们确信能精确操控复杂量子系统（包括先进量子计算机）的理论基础。特别有趣的是，这三大概念实际上紧密相关。连接它们的共同主线都涉及高度纠缠的多粒子系统的行为。
量子纠错的核心思想是：通过将量子信息编码在高度纠缠的量子态中，使其免受局部噪声的影响。当我们仅观测少数粒子时，这些受保护的信息是无法被局部获取的。拓扑量子序的概念是：尽管某些量子物质的不同相态在局部观测下看起来完全相同，但它们可以通过隐藏于局部探测之外的全局性质加以区分。换句话说，这类物质状态本质上是受量子纠错保护的量子存储。全息原理的基本概念是：一个具有引力的三维空间区域内的所有信息，都可以映射为该区域二维边界上的一个局域量子场论。而这个映射本质上正是一个量子纠错编码的过程。这些理论表明，随着我们的认知不断深化，物理学的不同领域正在趋向于统一的基本原理。在量子力学的下一个百年里，这种融合是否会持续？让我们拭目以待。
在思考量子科学与技术的长期发展轨迹时，我们往往受限于自身的想象力。但如果要粗略对比量子科学的过去与未来，可以这样概括：量子力学的第一个百年，我们成功理解了弱关联多粒子系统的行为——例如电子结构、原子分子物理、量子光学等领域。例如，我们深入研究了电子如何在半导体中传输，以及光子和原子凝聚态的行为，带来了深远的科学与技术影响。而第二个量子世纪的宏伟挑战与机遇，在于理解高度纠缠的多粒子系统，其复杂行为远超当前理论与计算工具的极限。这片纠缠前沿地区广袤无垠、令人神往，至今鲜少涉足。可以预见，在量子力学的第二个百年里，我们所发现的奇迹及其对人类文明的影响，必将远超第一个百年。让我们由衷致敬过去与当下的量子先驱们，也祝愿未来的量子探索者们好运相伴。

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