3月16日至21日，美國物理學會全球物理峰會在加州阿納海姆舉行。約翰·普雷斯基爾（John Preskill）在會上發表演講慶祝量子力學百年輝煌成就。以下是他的發言內容。

▲約翰·普雷斯基爾（John Preskill），美國理論物理學家，以創造量子計算優越性一詞而聞名。

各位來賓，歡迎蒞臨由《物理評論》期刊主辦的量子力學百年慶典。 我是約翰·普雷斯基爾，今天在此發言，深感榮幸。 主辦方邀請我分享一些契合今天這個特殊場合的想法，講講自己作為一個物理學家的個人經歷。 我很高興地接受了這一任務，尤其是個人經歷部分，可能會比他們預期的還要詳細。 不過，在接下來的20分鐘里，我希望能從自己的經歷中提煉出一些更具普遍意義的經驗。

1975年，我開始攻讀研究生學位的那一年，正是量子力學百年歷程的中心階段，離我們今天慶祝的量子力學誕生之年（1925年）過去了50年。借此機會，我想回顧一下50年前量子物理的狀況，和至今取得的突破，以及我們對未來的期許。

本科就讀普林斯頓時，我有幸遇到多位令人難忘的導師，今天要說的其中一位是約翰·惠勒 （John Wheeler） 。他為大二學生開設過一門全年的物理課程，旨在涵蓋物理學的全部內容。惠勒曾與尼爾斯·玻爾 （Niels Bohr） 合作研究核聚變，他在我們眼中似乎極為年長，盡管當時他其實只有61歲。這門課程風格獨特，惠勒毫無保留地向我們分享他的研究熱情。其中，他對黑洞問題非常著迷，尤其是當時天文學家是否已經有證據觀測到黑洞的的爭議。特別值得一提的是，在講授熱力學第二定律時，他拋出一個問題：如果熵落入黑洞視界，會發生什么？他的博士生雅各布·貝肯斯坦 （ Jacob Bekenstein） 剛在同年完成博士論文，提出黑洞具有與視界面積成正比的內稟熵。這一結論令全班震撼，也讓我在后來的科研中反復思考其深意。從中我得到的經驗是：與本科生分享前沿研究思想，潛力不可低估。

▲約翰·惠勒（John Wheeler），美國理論物理學家，廣義相對論領域的重要學者。

次年，史蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 提出黑洞輻射理論，將熵與黑洞視界面積的聯系精確化。這個完美融合了相對論、量子論與熱力學的黑洞熵公式，堪稱量子力學第一個世紀的閃耀成就之一。但霍金本人也指出，它引發了一個我們求索至今，但仍然懸而未解的難題：落入黑洞的信息究竟去了哪里？

霍金的疑問引發了一場基本物理原理之間的激烈沖突。量子力學告訴我們，在量子系統的演化過程中，信息可以被極度攪亂，但絕不會被徹底摧毀。而相對論因果律則指出黑洞蒸發，信息無法逃逸。誰勝誰負——量子力學還是因果律？主流觀點認為量子力學獲勝，因果律不應被視為基本原理。這甚至動搖了我們對時空本質的理解——時空究竟是基本存在，還是一種更深層自然規律的近似描述？如果時空是“涌現”的，那它是如何涌現的？又源自何處？解答這些難題，將是第二個量子世紀的任務。

進入哈佛讀研后，我見證了量子力學第二個50年的蓬勃發展。 我們這一代物理學家恰好錯過了粒子物理學標準模型的建立時期，但我仍被粒子物理領域那些振奮人心的實驗和理論進展深深吸引。在20世紀70年代中后期，許多新思想涌現，我選其中兩個來展開。首先，人們對拓撲學在量子場論和凝聚態物理中的重要性有了更深的認識，例如拓撲孤子的理論。在量子力學的前50年，理論物理學與數學逐漸分道揚鑣，但在過去50年中，它們的交匯日益頻繁，拓撲學的應用仍不斷為物理學家帶來新穎的洞見和喜悅。其次，一個引人注目的想法是通過研究宇宙早期歷史的遺跡來探索基本物理。我的首篇論文探討了一個結合了拓撲學和宇宙學的問題：宇宙初期是否大量產生磁單極子？為了驗證我的想法，我沒有咨詢粒子物理學家或宇宙學家，而是向凝聚態物理學家伯特·哈爾珀林 （Bert Halperin） 求教，他的建議對我大有幫助。這一經歷讓我意識到，學科交叉處常隱藏重大機遇，這一認識在我后續的研究生涯中發揮了重要作用。

▲伯特·哈爾珀林（Bert Halperin），美國凝聚態物理學家。

作為物理學家回顧過去50年，量子學家們有哪些突破引以為豪？

在我本科時期，正值Phil Anderson提出了“多即不同” （More is Different） 的觀點，但那時作為一個自負的準粒子理論學家，我并未真正理解“多”到底能帶來何等深刻的差異。在量子力學過去的50年中，沒有哪種“涌現”現象比分數量子霍爾效應更令人震撼。眾所周知，電子是不可分割的基本粒子。但在強關聯的二維電子氣中，電子為何能分裂成攜帶分數電荷的準粒子？從中我們得知，在強關聯的量子世界里，奇跡確實可能發生。那么，在下一個量子世紀，還有哪些非凡的量子物態等待我們揭秘？

在我的學生時代，我也沒有足夠重視原子物理。試想，如果那些在1920年代解析原子結構的科學家看到今天的原子物理學，該有多么震驚。對他們而言，量子測量是針對大量相同初始狀態的系統進行的實驗。而如今，我們可以自如地捕獲單個原子——移動、激發、讀取它的狀態，甚至精準引導原子對按照設定的方式相互作用。上世紀90年代中期，量子計算熱潮興起，最早的量子處理器正是依賴于離子阱鐘技術。光學和微波腔內單光子與單原子之間的強耦合催生了電路量子電動力學——如今超導量子計算機的基礎。由此可見，科學工具的進步往往會帶來我們難以預見的新能力。如今，原子鐘的精度極高，能探測到原子在地球引力場中上下移動一毫米引發的引力紅移。那么，在量子科學的下一個百年，原子鐘又會引領我們走向何方呢？

近幾十年來，科學界最偉大的成就之一當屬激光干涉引力波天文臺 （LIGO） 的成功。如果你是一位引力波科學家，你的手機可能會頻繁震動，提醒黑洞合并的警報，頻繁到惹人煩。LIGO 的建成離不開先進的激光技術，但除此之外，它與量子力學又有什么關系呢？上世紀80年代初，我在加州理工學院了解到卡爾·凱夫斯 （Carl Caves） 提出的革命性構想：向干涉儀的暗端口注入壓縮真空，從而提高干涉儀的靈敏度。這個量子策略乍看之下不夠直觀，但如今，40多年后的今天，LIGO正是憑借這一策略大幅提高了探測率。我們從中得到的經驗是：理論洞見能夠升級和再造科技工具，只是有時需要長時間的蟄伏。

過去50年間還有哪些變革？我們必須感謝arXiv。 在我的學生時代，幾乎沒有科學家會親自打印論文，因為操作IBM打字機需要技巧、訓練和耐心。而科研成果交流既無電子郵件，也沒有萬維網。預印本只能通過慢如蝸牛的郵件寄送，如果你有幸被列入郵寄名單，或許能收到用牛皮紙信封寄來的紙質稿。互聯網和 arXiv 重塑了科學傳播——更快捷、更便利、更平等，而LaTeX 也極大地簡化了論文撰寫過程。然而，arXiv的成功也引人深思：在下一個量子世紀，學術期刊的角色將如何演變？

在我的科研生涯中期，我轉變了研究方向。常有人問及這一轉變的緣由，部分原因是：對于我這一代的粒子物理學家而言，最大的挑戰與機遇是探索標準模型之外的物理，期待更深刻地理解自然法則。上世紀90年代初，我們曾對德克薩斯州在建的超導超級對撞機寄予厚望，期待它揭開新物理現象的面紗。然而，該項目于1993年夭折，這是一個巨大的打擊。從中我得到的經驗是：當社會提供的資源不足以支撐我們的科研愿景時，我們不得不另辟蹊徑。

就在第二年，彼得·肖爾 （Peter Shor） 發現了一種高效的算法，可利用量子計算機對大整數進行因數分解。盡管我的學術背景與計算復雜性理論毫無交集，但這一發現令我震撼不已。它說明難易問題之間的差異——即哪些問題永遠無解、哪些問題能借助先進技術攻克，取決于我們的世界是否遵循量子力學規律。這讓我非常激動，因為由此可見，用計算的視角觀察自然，或許能讓我們對基礎科學的理解更進一步。為了跟上這一全新領域的步伐，我不得不加倍努力——而教授相關的課程讓我受益匪淺。

▲彼得·肖爾（Peter Shor），美國計算機科學家。他提出了在量子電腦應用上的“秀爾算法”（又稱量子質因數分解算法）。

有點諷刺的是，在1980年代中期，我曾經與理查德·費曼 （Richard Feynman） 在同一層樓共事四年半。費曼在1981年提出了用量子計算機模擬自然的構想，但當時的我對這一領域毫無興趣，竟然從沒和他探討過量子計算。不過，我們確實討論過經典計算——尤其是如何通過在傳統計算機上的歐幾里得蒙特卡洛模擬，來研究量子色動力學，這在當時還是一個新興的方向。費曼精準預言了還需要數十年，計算能力才足以支撐未擾動QCD的精確定量預測。預言已經實現——如今，格點QCD在粒子物理和核物理研究中發揮著關鍵作用。我們從中得到的經驗是：在設想量子計算如何推動基礎科學的發展時，我們應以數十年為時間尺度。

下一個量子世紀將引領人類走向何方？未來的量子計算機會是何形態？經典計算機又將如何演進？毫無疑問，百年后的量子比特必將遠超今日，其架構也將徹底顛覆現有想象。我們將如何駕馭這些量子機器？量子技術會否重塑醫學與神經科學，甚至我們對生命物質的理解？能否通過原子級的組裝，創造出特性驚人的全新材料？我們的原子鐘是否已精確到足以探測隨機引力波背景，甚至達到測量精度的終極極限，超越了任何可定義的穩定時間標準？量子望遠鏡網絡是否以前所未有的精度觀測宇宙，而這些觀測又會揭示出怎樣的奧秘？借助μ子對撞機等尖端加速器，我們能否探索高能物理的邊界？暗物質與暗能量的本質是否被確認和破解了？我們是否已有了確鑿的證據，證明宇宙的暴脹起源？我們是否已經能夠從第一性原理出發，精確計算出標準模型的全部參數，還是說，我們終將承認此路不通？我們是否已經徹底理解時空的基本組成成分，揭開宇宙最深層次的結構？

有一個不容忽視的問題擺在我們面前——人工智能正在以驚人的速度重塑科學研究的方式。百年之后，人類在科學進步中將扮演什么角色？人工智能是否會與量子智能深度融合？我們的儀器是否能直接采集自然界的量子數據，將其轉換為量子存儲，并借助量子計算機處理，解析出那些被深深隱藏的宇宙奧秘？

在一定程度上，我們對未來的展望總是受過去經驗的指引。如果要我列舉過去50年的職業生涯中出現的物理學重大思想，以下三個必定入選：1、全息原理——關于引力與量子理論如何融合的最佳線索；2、拓撲量子序——為強相互作用量子物質的相態提供分類依據；3、量子糾錯——讓我們確信能精確操控復雜量子系統 （包括先進量子計算機） 的理論基礎。特別有趣的是，這三大概念實際上緊密相關。連接它們的共同主線都涉及高度糾纏的多粒子系統的行為。

量子糾錯的核心思想是：通過將量子信息編碼在高度糾纏的量子態中，使其免受局部噪聲的影響。當我們僅觀測少數粒子時，這些受保護的信息是無法被局部獲取的。拓撲量子序的概念是：盡管某些量子物質的不同相態在局部觀測下看起來完全相同，但它們可以通過隱藏于局部探測之外的全局性質加以區分。換句話說，這類物質狀態本質上是受量子糾錯保護的量子存儲。全息原理的基本概念是：一個具有引力的三維空間區域內的所有信息，都可以映射為該區域二維邊界上的一個局域量子場論。而這個映射本質上正是一個量子糾錯編碼的過程。這些理論表明，隨著我們的認知不斷深化，物理學的不同領域正在趨向于統一的基本原理。在量子力學的下一個百年里，這種融合是否會持續？讓我們拭目以待。

在思考量子科學與技術的長期發展軌跡時，我們往往受限于自身的想象力。但如果要粗略對比量子科學的過去與未來，可以這樣概括：量子力學的第一個百年，我們成功理解了弱關聯多粒子系統的行為——例如電子結構、原子分子物理、量子光學等領域。例如，我們深入研究了電子如何在半導體中傳輸，以及光子和原子凝聚態的行為，帶來了深遠的科學與技術影響。而第二個量子世紀的宏偉挑戰與機遇，在于理解高度糾纏的多粒子系統，其復雜行為遠超當前理論與計算工具的極限。這片糾纏前沿地區廣袤無垠、令人神往，至今鮮少涉足。可以預見，在量子力學的第二個百年里，我們所發現的奇跡及其對人類文明的影響，必將遠超第一個百年。讓我們由衷致敬過去與當下的量子先驅們，也祝愿未來的量子探索者們好運相伴。