这些是小学生提的量子问题，你敢信？ | 科技袁人

导言：

这届小朋友是我见到的提问最有深度的！

■ 视频链接：https://v.douyin.com/jwhJk8d/本视频发布于2022年7月15日，点赞量已达4971
■ 精彩呈现：最近（2022年6月26日），我应国盾量子和科大出版社之邀，对科大附中五年级和七年级的小朋友们做了一场题为《量子信息：第二次量子革命》的报告。

同时签名销售我的科普书《量子信息简话》以及我审校、我的朋友张文卓博士翻译的科普书《编程宇宙》。

原本我担心这么低年级的同学们能不能听懂，能不能问出有意义的问题，但结果令我吃惊：这届小朋友是我见到的提问最有深度的！

例如，有一位小朋友问：既然量子密码不可破解，那么假如敌人用了量子密码，那我们怎么办？

我告诉他：这是个很好的问题，答案是尝试在物理层面窃密。量子密码的不可破解，指的是不可被数学破解，也就是说你不可能通过解某个数学问题来窃密。所以剩下的办法就是在物理仪器上做手脚，争取破坏量子密码的保密条件，最终偷到信息。然而也存在相反方向的研究，即量子密码的通信方使用量子力学的原理，防止一切可能的物理破解。在原理上这是有可能做到的，只是通信效率会下降。例如一些用到量子纠缠的量子密码方案，就是提高了安全性，而降低了效率。双方的攻防十分有趣，具体需要看《量子信息简话》。

又有一位小朋友问：美国的量子计算机“悬铃木”被经典计算机反超了（中国的量子跃迁 | 袁岚峰），那么其他的量子计算机是不是也都可能被经典计算机反超？

我回答他：这个问题十分深入，答案是惊人的。量子计算机对经典计算机的优越性目前并没有得到严格的数学证明，也就是说不能排除这样的可能，量子计算机能干的事最终发现跟经典计算机能干的事完全一样，即量子计算机完全没有价值。

然而，这种状况对于计算机科学家来说并不陌生，因为他们早已在这种“沙上建塔”的可能性下生活几十年了。计算机科学中最大的未解之谜叫做P对NP问题，其中P是所有能够快速求解的问题的集合，NP是所有能够快速验证解的问题的集合。

例如因数分解，把一个大数分解成两个质因数是困难的，但把两个质数乘起来看看它是不是等于要分解的那个数是容易的。又如数独这样的填数字游戏，找出一个数独游戏的解是困难的，而把一组数字填进去看看它是不是一个解是容易的。所以因数分解和数独都属于NP，而看起来不属于P。

现在的问题是，P是不是等于NP，即所有可快速验证的问题是否都可以快速求解？从直觉来看，P显然不等于NP，它应该是NP的真子集。然而真正惊人的是，这一点迄今没有得到证明！经过无数聪明人几十年的研究之后，P是否等于NP仍然没有结论。因此许多人开始反向思考，也许P确实等于NP呢？假如P等于NP，就会颠覆许多理论的基础，例如密码学。

因此，量子计算机的奇特处境对计算机科学家来说并不是一个新事物。我们在直觉上认为量子计算机对经典计算机有优势是极其可能的，而且这种优势是革命性的，因此谁都不敢自居落后。同时，在理论没有严格证明的情况下，我们希望通过实验来增强信心。这就是为什么会有量子优越性的研究，即造出一台量子计算机，它对某个问题超过现有最强的经典计算机。这虽然不是严格证明，但至少说明并没有某种物理规律阻止我们造出这样的量子计算机，因此还是大大增强了我们的信心。

还有一位小朋友问：量子计算机的原理是用一个量子体系来模拟数学问题，那么是不是可以用一个量子体系来模拟另一个物理体系？

我对这个问题感到很惊讶，告诉他：你说的是一个真实的研究领域，叫做量子模拟（quantum simulation）。它的基本思想跟量子计算非常相似，都是用一个量子体系模拟另一个量子体系。唯一的区别在于，量子计算模拟的那个体系是有明确的数学表达式的，只是这个数学表达式的计算量太大，经典计算机算不过来；而量子模拟模拟的那个体系没有明确的数学表达式，它可能有个方程，但这个方程没有解析解。因此，量子计算和量子模拟经常被并称。不久前潘建伟研究组发表了两个研究，测量超冷费米原子气体中的第二声衰减率（量子模拟重大突破，科大团队首次测得第二声衰减率 | 科技袁人）和合成三原子分子NaK2（量子三体，中国科学家的重要成果 | 科技袁人），这些就被称为量子模拟领域的重要成果。所以是的，你说的是一个真实的研究领域。

一位中学生甚至小学生能够敏锐地意识到量子计算的思想能向什么方向扩展，这种触类旁通的能力真是令人惊喜！

最后，主持人说由于时间有限，只能提最后一个问题了，请袁老师来挑一个吧？我说，就你身边那位女同学吧。结果神奇的事发生了，她问的居然是：“墨子号”量子卫星能不能探测暗物质？

我一边心里在嘀咕，小朋友居然都知道暗物质，真是不得了，一边回答她：这是个非常好的问题，答案是墨子号不是干这个的。墨子号2016年8月上天的时候，目标是三大科学任务，即星地之间的量子保密通信、地面站到卫星的量子隐形传态以及卫星向两个地面站的量子纠缠分发。这些目标都在2017年实现了，而墨子号的原定服役时间只到2019年1月，但此后它的状态仍然非常好，所以我们在继续用它做实验。例如最近，就用墨子号向两个地面站即青海德令哈站和云南丽江站分发的纠缠对，实现了德令哈与丽江之间相距1203公里的量子隐形传态（全世界科学家都想做的实验，中国科学家首先成功了 | 科技袁人）。然而，探测暗物质并不属于墨子号的任务。不久的将来，我们会发射更多的量子通信卫星，它们会去做探测暗物质的实验（潘建伟研究组下一步有什么新目标？| 科技袁人）。

有趣的是，在地面上已经有人用量子精密测量取得了暗物质探测的重要成果。彭新华教授研究组和德国科学家合作，把一种叫做“类轴子”的暗物质候选粒子的存在上限压低了五个量级，即探测精度比以前的最好结果提高了十万倍（中科大发布新成果！暗物质究竟是什么？| 科技袁人）。还有一点特别有趣的是，他们的量子精密测量技术是一种桌面式的实验，即仪器在一张桌子上就能摆下，而以前的探测方法是一种大型天文学实验。也就是说，他们的成本比以前的方法低得多，而精度高得多。当然他们还没有找到暗物质，但已经是这个方向上的最佳结果。好比在鱼塘里捕鱼，水很多的时候你就很难抓到鱼，而你把鱼塘里的水排干，鱼就无处藏身了。

说到这里的时候，坐在第一排的科大附中校长马运生博士对我说了一句：她妈妈就是彭新华！

我不由得在心里大笑，怪不得这位小朋友知道暗物质，原来是她妈妈告诉她的！于是我对她说：我跟令堂是好朋友，我书里的很多内容就是令堂跟我说的，非常感谢令堂的支持和你提的问题。

不久前，我在参加一次阿里达摩院组织的科技少年创造营活动时（五年级读完《量子信息简话》，小朋友们不得了 | 科技袁人），有一位九岁的小朋友问我“什么是量子”，还有一位五年级的小朋友说他已经读完了《量子信息简话》，提出一大堆具体的问题。今天遇到的小朋友们更加不得了，思维深度堪比大学生。

所以我要再次跟大家说：对于爱学习、有志向的人来说，这是最好的时代，学习的条件比以前好了太多。少年强则国强，祝同学们奋发向上，早日成才，为国家、为人类做出更大的贡献。

■ 扩展阅读：

■ 作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

■ 责任编辑：KK.

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