慶祝量子力學(xué)百年，黑爾戈蘭2025會議上的華人面孔 | 手記
Helgoland 2025國際研討會上的中國/華人面孔，從左至右為：Yiwen Chu（儲漪雯）、潘建偉、葉軍、蔣良
導(dǎo)讀：
1925年6月，德國年輕的物理學(xué)家維爾納·海森堡因花粉過敏來到北海上的小島黑爾戈蘭（Helgoland），短短數(shù)日，他完成重要計算，開創(chuàng)了矩陣力學(xué)，現(xiàn)代量子力學(xué)也由此宣告建立。
2025年6月10日，300名物理學(xué)家登上這座小島，參加黑爾戈蘭2025（Helgoland 2025）國際討論會，共同慶祝量子力學(xué)百年。《賽先生》在會議現(xiàn)場注意到，除了受邀做報告的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉，在歐洲和美國工作的多位華人科學(xué)家也參加了這一盛會。
中國唯一受邀報告人潘建偉的量子夢想 | 黑爾戈蘭2025
專訪Peter Zoller：你的祖母會想要一臺量子計算機(jī)嗎？
歐洲是量子力學(xué)的搖籃。海森堡、玻爾、薛定諤、狄拉克、泡利等名字構(gòu)成了量子力學(xué)革命的主角陣容。
100年前的中國，剛剛結(jié)束帝制十三年，現(xiàn)代科學(xué)教育尚在萌芽之中。1928年，旅美學(xué)者王守競在哥倫比亞大學(xué)憑借量子力學(xué)研究獲得博士學(xué)位，這被視為最早的中國貢獻(xiàn)（見文章：誰是中國研究量子力學(xué)第一人）。
100年后的6月，在量子力學(xué)誕生之地黑爾戈蘭島，包括Anton Zeilinger, Alain Aspect, Serge Haroche, David Wineland四位諾貝爾獎得主在內(nèi)的約300名物理學(xué)家共同慶祝量子力學(xué)一百周年，并探討量子力學(xué)的基礎(chǔ)問題與其在現(xiàn)實世界應(yīng)用之間的交叉研究。
在黑爾戈蘭島的北海報告廳，從6月10日-15日，29位量子研究領(lǐng)域的頂尖科學(xué)受邀做報告，其中華人學(xué)者占了三席，他們是來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、美國科羅拉多大學(xué)的葉軍以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的儲漪雯。來自芝加哥大學(xué)的華人學(xué)者蔣良受邀主持了島上五場小組討論中的一個。
中國量子衛(wèi)星繼續(xù)引領(lǐng)長距離
量子通信網(wǎng)
作為本次“黑爾戈蘭2025”國際研討會唯一一位來自中國本土高校和科研機(jī)構(gòu)的報告人，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉做了題為《量子信息處理的夢想與現(xiàn)實：過去、現(xiàn)在以及超越》的報告。（見文章：中國唯一受邀報告人潘建偉的量子夢想 |黑爾戈蘭2025）
盡管未能親臨現(xiàn)場，潘建偉通過一段30分鐘的視頻報告和實時連線，與黑爾戈蘭現(xiàn)場的科學(xué)家進(jìn)行交流。
潘建偉系統(tǒng)回顧了全球量子通信領(lǐng)域在過去四十年的發(fā)展，并重點介紹了中國團(tuán)隊取得的突破性進(jìn)展，例如從2007實現(xiàn)“誘騙態(tài)”協(xié)議將光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離突破百公里，到2016年“墨子號”衛(wèi)星成功發(fā)射，并在星地千公里間實現(xiàn)量子糾纏與密鑰分發(fā)。
他還表示，未來將通過構(gòu)建多顆低軌衛(wèi)星組成的量子星座系統(tǒng)，并發(fā)展中高軌道（GEO）量子衛(wèi)星，以實現(xiàn)更高效、全球覆蓋的量子通信網(wǎng)絡(luò)。他透露，這顆衛(wèi)星的名字為Dawn，意為“曙光”。這是潘建偉團(tuán)隊首次公布這一中高軌衛(wèi)星的昵稱。
潘建偉介紹，中國團(tuán)隊正在多個平臺推進(jìn)量子計算?！白鏇_之”系列超導(dǎo)處理器已經(jīng)實現(xiàn)了105比特的量子計算，和已知最優(yōu)的經(jīng)典算法相比，展示的計算優(yōu)勢超越經(jīng)典計算機(jī)15個數(shù)量級；“九章”系列光子計算平臺系列目前已發(fā)展至“九章四號”（正在進(jìn)行數(shù)據(jù)測試），實現(xiàn)了超過3000個光子事件的探測，在高斯玻色采樣問題中取得41個數(shù)量級的優(yōu)勢。
量子密鑰分發(fā)協(xié)議BB84的發(fā)明人之一、量子密鑰學(xué)奠基人Gilles Brassard在會議現(xiàn)場與潘建偉交流。圖片：陳曉雪
潘建偉坦言，盡管量子計算優(yōu)越性進(jìn)展迅速，但通用容錯量子計算機(jī)仍需較長時間才能實現(xiàn)。“我們計劃在五年內(nèi)實現(xiàn)對數(shù)百到上千量子比特的相干操控，開展量子模擬，探究高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等關(guān)鍵問題。10到15年內(nèi)，希望將量子比特數(shù)擴(kuò)展至百萬級，為通用量子計算奠基?！迸私▊フf。
葉軍：推動時間測量極限，
拓展量子物理基礎(chǔ)研究的邊界
美國科羅拉多大學(xué)教授葉軍做了題為“Scaling clock performance for fundamental physics”的報告，介紹量子精密測量的進(jìn)展、增加原子數(shù)量所面臨的挑戰(zhàn)，利用釷-229開發(fā)核鐘的情況，以及這些技術(shù)在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的未來應(yīng)用。
葉軍出生于上海，本科畢業(yè)于上海交通大學(xué)，隨后在美國求學(xué)、工作。他曾跟隨2005年諾貝爾物理學(xué)獎得主Jan Hall攻讀博士學(xué)位，并在加州理工學(xué)院完成博士后研究。之后，回到科羅拉多大學(xué)全職工作，并在科羅拉多大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所共同運營的實驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）任職。
這位2005年諾獎成果“光學(xué)頻率梳”背后的核心人物之一，現(xiàn)已將研究聚焦在如何借助超精密原子鐘測試量子引力等前沿問題，是將技術(shù)與基礎(chǔ)物理結(jié)合的代表人物，也是2021年墨子量子科技獎和2022年科學(xué)突破獎基礎(chǔ)物理學(xué)獎的獲得人。
去年9月，葉軍團(tuán)隊做出了一項非常重要的工作，他們成功激發(fā)釷-229的核躍遷，實現(xiàn)與光鐘的頻率比對。
在報告中，葉軍首先回顧了原子鐘技術(shù)從單個離子囚禁到玻色-愛因斯坦凝聚體和簡并費米氣體的發(fā)展歷程。他指出，通過將原子置于光學(xué)晶格中，可以實現(xiàn)數(shù)千甚至數(shù)百萬個粒子同時工作，從而大幅提升時鐘的測量精度。
葉軍在黑爾戈蘭2025會議現(xiàn)場。圖源：陳曉雪
他特別介紹了團(tuán)隊在鍶-87（Sr-87）費米子原子鐘方面的進(jìn)展。起初，人們認(rèn)為費米子原子之間不會相互作用，但隨著時鐘精度的提升，研究人員發(fā)現(xiàn)原子波函數(shù)的反對稱性以及由此產(chǎn)生的多體量子物理效應(yīng)變得顯而易見，這使得原子鐘成為探測多體量子物理的強(qiáng)大工具，能夠揭示自旋網(wǎng)絡(luò)和相互作用自旋的復(fù)雜行為。
他還詳細(xì)介紹了利用原子鐘來探測引力紅移效應(yīng)的工作。他展示了一個實驗方案，通過精確控制原子在不同高度的量子疊加態(tài)，可以在同一實驗中同時測量原子內(nèi)部的自旋自由度和外部的引力場。
他進(jìn)一步提出，如果時鐘精度能再提高兩到三個數(shù)量級，我們將能觀察到引力如何修正多體量子物理，從而在可測量的層面上探測量子引力效應(yīng)。此外，通過構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，將不同地點的原子鐘連接起來，有望實現(xiàn)非局域的質(zhì)量疊加態(tài)，從而在更大的尺度上探測量子引力效應(yīng)，即使是地球引力對量子系統(tǒng)的影響也將變得可觀測。
為進(jìn)一步提高精度，葉軍團(tuán)隊正努力增加原子數(shù)量至百萬級并引入量子糾纏技術(shù)。同時，他們積極研發(fā)基于釷-229核躍遷的新型光鐘（核鐘）。這種核鐘對基本常數(shù)變化極其敏感，敏感度比原子鐘高出6000倍，使其成為搜尋暗物質(zhì)的有力工具。
葉軍還表示，如果按照微波原子鐘的發(fā)展軌跡，我們可能要到1000年以后才能觀察到量子引力效應(yīng)。但是如果遵循光頻原子鐘的發(fā)展軌跡，我們可能在一百年后就能觀察到，但即使如此也是過于樂觀的一個預(yù)測。
“也許，這項技術(shù)需要另一次革命。也許我們應(yīng)該轉(zhuǎn)一個彎，就像從微波原子鐘到光頻原子鐘一樣，在這里稍微轉(zhuǎn)個彎，可能在很多年后產(chǎn)生重大影響?！比~軍說。
他描繪了一個“異想天開”的場景：如果能夠制造出在不同量子疊加態(tài)中質(zhì)量不同的原子，并讓它們相互吸引，那么在極端條件下，甚至可以觀察到量子引力引起的時鐘速率差異?！斑@些都是白日夢，完完全全的白日夢，但它或許能激勵你去思考新技術(shù)?！比~軍說。
童年成長于北京，8歲時隨父母移居美國的儲漪雯，本科畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，跟隨中性原子量子處理平臺的奠基者之一Mikhail Lukin攻讀博士學(xué)位，后在耶魯大學(xué)Rob Schoelkopf 小組從事電路 QED 的博士后研究，目前任職于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院助理教授儲漪雯，圖源：ETH Zurich
這位量子信息領(lǐng)域的學(xué)術(shù)新星，首先介紹了其團(tuán)隊在宏觀機(jī)械系統(tǒng)中實現(xiàn)了類似薛定諤貓的量子疊加態(tài)。她指出，他們制備的這種狀態(tài)涉及“約10^17 個原子在晶體內(nèi)部的集體運動”，將其置于量子疊加態(tài)中。盡管原子在空間上的物理離域程度非常小，甚至小于原子核的尺寸（約 10^-18 米），但通過精密的量子控制和測量工具，研究人員成功在相空間中觀察到了這種宏觀量子疊加。這標(biāo)志著在探索量子疊加態(tài)的質(zhì)量尺度方面邁出了重要一步。
儲漪雯在黑爾戈蘭2025會議現(xiàn)場。圖片：陳曉雪
另外，儲漪雯還介紹了團(tuán)隊的另外一項研究機(jī)械量子比特，解釋了如何利用機(jī)械諧振器作為極其靈敏的傳感器，來探測外部微弱信號，包括高頻引力波和暗物質(zhì)。
報告最后，儲漪雯還探討了利用宏觀機(jī)械系統(tǒng)探測量子引力問題的可能性。她指出，盡管引力相互作用的耦合強(qiáng)度極小，但量子信息科學(xué)的工具，如量子糾錯和量子傳感，有望幫助克服這些挑戰(zhàn)。
芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院教授蔣良主持了一場關(guān)于量子信息學(xué)的小組討論。
蔣良主持了Helgoland2025學(xué)術(shù)討論會中的一場小組討論。從左至右為：蔣良，新南威爾士大學(xué)教授、量子計算與通信技術(shù)卓越中心主任Michelle Simmons，耶魯大學(xué)教授Robert Schoelkopf， 加州大學(xué)伯克利分校量子信息與計算中心主任Birgitta Whaley，來自IBM的Charles Bennett。
蔣良是一位在量子信息領(lǐng)域備受矚目的青年學(xué)者，研究重點是利用量子控制和糾錯技術(shù)保護(hù)量子信息免于退相干，從而實現(xiàn)魯棒的量子信息處理。他是2022 年美國物理學(xué)會蘭道爾-貝內(nèi)特量子計算獎、2022年布拉瓦特尼克國家青年科學(xué)家獎的獲獎人。
蔣良高中畢業(yè)于江蘇蘇州中學(xué)，曾獲1999年國際物理奧賽金牌，本科在北京大學(xué)學(xué)習(xí)了一年，后轉(zhuǎn)學(xué)到加州理工學(xué)院。2009年，他在哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師為Mikhail Lukin。之后他又回到加州理工學(xué)院從事博士后研究，2012年加入耶魯大學(xué)應(yīng)用物理系，先后擔(dān)任助理教授和副教授，2019年加入芝加哥大學(xué)至今。
芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院教授蔣良。圖源：芝加哥大學(xué)
蔣良在十多年前和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉有過交集。據(jù)他在2022年的一個采訪中回憶，他在讀博期間和Lukin提出了開發(fā)一種用于長距離通信的量子中繼器的方案。后來，他在一次會議上遇到了潘建偉，并和他分享了這一想法。而當(dāng)時，潘建偉的團(tuán)隊也提出了一個非常相似的想法。最后，他們都提交了論文，結(jié)果證明整個社區(qū)都很認(rèn)可和喜歡這個主意。
蔣良在那次采訪中還表示：“量子技術(shù)的競賽其實是全球性的，不僅僅是美國和中國之間。還有很多其他參與者，比如歐洲、日本、加拿大、澳大利亞等等。我認(rèn)為，量子技術(shù)不屬于某一個國家，它屬于整個人類。這項技術(shù)將惠及所有人。它不同于軍備競賽，它不是那種‘誰擁有就能攻擊別人’的武器。它更像是某種可以被利用、用來改進(jìn)其他事物的技術(shù)。當(dāng)然，我認(rèn)為有一些健康的競爭是好事，它能促使大家更加努力，推動整個領(lǐng)域的進(jìn)步。但目前來看，我覺得不同地區(qū)之間的競爭仍是健康的。未來隨著工業(yè)界的加入，當(dāng)進(jìn)入到產(chǎn)品交付階段時，競爭可能會加劇。”
據(jù)《賽先生》不完全統(tǒng)計，除了以上四位學(xué)者，來自中國和歐洲的近十位中國科學(xué)家也以海報形式在黑爾戈蘭2025國際研討會上展示了各自的研究成果。他們是：澳大利亞國立大學(xué)教授董道毅、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授施郁、北京量子信息科學(xué)研究院的兩位青年科學(xué)家張文綱和王睿俠，維也納量子光學(xué)與量子信息研究所資深博士后陳琳青，維也納大學(xué)博士后研究員蔣新賀，哥本哈根玻爾研究所助理教授習(xí)翔，馬普學(xué)會光學(xué)研究所博士后研究員朱昌龍、馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所博士后研究員孫孝奇等。
一百年過去了，黑爾戈蘭島上的風(fēng)依舊呼呼地吹，青草貼著地面生長，站在山頂頭發(fā)難免纏作一團(tuán)。但華人科學(xué)家與中國科學(xué)，已成為世界科學(xué)版圖的重要組成。
