2023年12月4日，美国IBM公司发布了包含1121个量子比特的Condor（秃鹰）超导量子处理器（QPU），量子低密度奇偶校验码(quantum

Greene发邮件给叶军：经过计算，他找到了这样的一个魔术波长，可以做到在囚禁原子时做到原子跃迁的频率稳定。[15]在实验中，这种特定波长的激光，被称为“魔术波长”（magic

2024年全国硕士研究生招生考试（初试）刚刚过去，考生们紧张的心情可以暂时放松了。在中国，无论是高考还是考研，都不啻为人生中的重要节点，也是许多人一生中知识储备最为丰富的时期。如果你认为备考很辛苦，不妨阅读这篇故事，了解朗道是如何通过世界上最难的考试挑选研究生的，也通过朗道的学生的经历提前了解自己的读研生活。1962初的莫斯科，一位物理学家因乘坐的汽车与卡车发生碰撞而身受重伤，这让他昏迷了将近两个月。传说他清醒后给病床旁的儿子出了一道微积分题，或许是因为紧张与惊讶，16岁的儿子并没有立即给出答案，他非常生气：“你觉得自己是一个受过教育的人，却无法完成这么简单的任务”。如此奇异的举止，他身边的人却都习以为常，因为这个人就是朗道(Lev

内容来自墨子沙龙活动“从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技”（2023年12月6日）上的演讲。演讲嘉宾是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟教授。文字由王佳整理。感谢墨子沙龙的邀请，让我有机会再次来到科大附中。今天，我将从爱因斯坦对量子力学的好奇心开始，介绍量子信息的发展历程，并分享我们所做的相关工作。从神话传说到物理实现大家肯定都熟悉吴承恩的《西游记》。我记得在我大约10岁、还未上初中的一个夏天，我父亲给我买了这套书。整个夏天，我都沉浸在《西游记》中。书里有许多有趣的概念，其中一个是天和地的区别。书中告诉我们，天上是神仙的居所，而大地则是我们凡人的家园。更有趣的是，天上过去一天，地上就经历一年，呈现了“天上一日，地上一年”的时间差概念。我对千里眼和顺风耳也格外感兴趣。孙悟空从石头中孕育而出，引起了轰动。玉皇大帝命千里眼和顺风耳前去查看下界发生了什么。这两位神仙拥有非凡的能力，如其名所示，可以看到千里之外发生的事情，听到千里之外发出的声音。图1

Gross（大卫·格罗斯）共同提出的夸克之间的相互作用随着距离的增加而变强的渐进自由理论，成为粒子物理学理论基石，并于2004年获得诺贝尔物理学奖。采访者：袁岚峰

在叶军眼里，费米子对于原子钟有什么意义？玻色子和费米子区别在哪里？原子钟的精度有极限吗？光钟的优势在哪里？叶军在9月22日墨子沙龙演讲活动“A

不正经采访第二期更新了！本期嘉宾：Serge

LED，那我们所谓的QLED，它跟普通的LED相比，优缺点都在哪里？A：它的优点都是来自于这个Q——

那就以刚才的视频为内容写一篇作文。字数800字以上，文体不限，诗歌除外。由于微信公众号试行乱序推送，您可能不再能准时收到墨子沙龙的推送。为了不与小墨失散，

“如果在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存给新世代的生物，哪句话可以用最少的字数包含最多的信息呢？我相信那会是原子假说（或者原子事实，或者你爱怎么叫都可以）：宇宙万物由原子构成。”60年前，著名物理学家理查德·费曼在一个讲座中讲到了这句话。这句话如此著名，在全世界都得到广泛的传播。2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank

对于原始人来说，光意味着白昼、意味着方向，对于现代人来说，光更是每天工作生活不可或缺的元素。可以说，光伴随了人类进化和文明发展的每个阶段。那么，对于科学家，光又有着什么特殊意义呢？他们看待光，会不会与普通人有所不同？这个问题对于法国物理学家塞尔日·阿罗什（Serge

点击直播预约光，是宇宙中最古老的物质之一，它既是波，也是粒子。光是生命的能量来源，而人类对于光的探索，也推动了科学的发展，文明的进步。从古到今，人们用各种方式表达着对光的向往和赞美，也着迷于对光本质的探索。对光的初步探索春秋战国时期的墨子，就对于光进行了研究，在《墨经》中留下了光学八条的记载。古希腊哲学家也同样对光进行了大量的研究，大概理解了光线传播的规律。透镜光学17世纪，伽利略用自制的望远镜看向木星，发现了木星的4颗卫星。这是人类第一次借助望远镜看向星空，不但动摇了地心说的绝对真理地位，更开启了宇宙探索的新篇章。光的速度在伽利略发现单摆周期规律后，惠更斯发明了能够更加准确计算时间的摆钟。伽利略发现的几颗小小的卫星和木星构成一台天然的“时钟”，1676年丹麦天文学家罗默用它测出了光的速度。原来，光的传播不是瞬时的，也需要时间。波？粒子？惠更斯把光的传播类比成在空气中传播的声波，他认为，光波是一连串传播的以太的振动。而牛顿对光的本质则有另外的看法，他认为光不是波，而是微粒，光沿直线传播可以看作在均匀介质中直线行进的粒子。光是波还是粒子，两派僵持不下，没有定论。直到1801年杨氏双缝实验的出现，波动说暂时取得胜利。19世纪中叶，麦克斯韦开创电磁理论并预言了电磁波。随后，赫兹做实验证实电磁波的存在。光的神秘面纱就要揭开了。光的量子时代19世纪末，欧洲钢铁工业蓬勃发展，人们发现炼钢炉发出的光和炉温存在一定的规律，后来总结成黑体辐射问题。为了解释黑体辐射后面的物理机制，普朗克提出了能量量子化的假设，这时，20世纪刚刚开始，量子时代的幕布缓缓拉开。在量子理论的建立过程中，人们逐渐意识到光具有波动和粒子双重性，不只是光，微观粒子都具有波粒二象性。物质的波粒二象性成为量子理论的基石。虽然光的本质之争落下帷幕，但围绕量子世界奇异特性的争论从量子力学诞生起就从未停止，争论的焦点也在不断变化，量子理论就在这些争论中逐渐发展完善起来。1937年，量子力学奠基人之一，量子纠缠的提出者薛定谔提出了著名的“薛定谔的猫”这一思想实验。“半生半死，既生又死”的猫现实中当然不存在，但在实验室里，科学家在微观世界不断冲破极限。11月5日，墨子沙龙邀请到2012年诺贝尔物理奖得主塞尔日·阿罗什教授，他由于在实验中“操控和测量单个光子”而获奖。阿罗什做到了薛定谔认为不可能实现的事情——操控单个光子、原子。而这位经历了二战后欧洲发展“辉煌三十年”的实验物理学家，在实验室之外也经历了种种“将不可能变成可能”的故事。本周日，阿罗什教授会和我们分享他和光的故事。在这些跨越百年的故事里，光像一把钥匙，曾帮助人类洞悉宏伟天河，也带着我们进入至微秘境。

本次报告属于2023年浦东新区“全国科普日”重点活动（2023年9月22日），演讲者是叶军教授。文字由张浩然整理。很高兴到墨子沙龙来作报告，早就听说了墨子沙龙的大名。我算是半个上海人吧，此次能回到上海来和大家，尤其是中学生见面，感到很荣幸。今天我报告的主题是美国天体物理联合实验室（JILA）锶原子钟的简要历史，希望大家可以享受这段历史。量子力学的两个原理：确定和不确定就像墨子一样，物理学家玻尔也是一个哲学家。玻尔做过的很多工作都不是基于数学的推导，而是基于他的物理直觉。我们知道海森堡通过数学推导出了不确定性原理；但是玻尔却通过直觉得出关于互补性、宇称等等的信息。我想跟你们分享一下量子力学的两个原理。一个是确定性原理——你可能从来没有听说过确定性原理，因为这是我自己编出来的，不过这是正确的。原子中的电子按照一定的轨迹围绕着原子核运动，这些轨迹可以很精确地由量子力学描述。这是原子核的电子轨道的图片，与这些轨道相关的是非常精确的能量。我们之所以可以搭建精确的原子钟，最关键的原因就是量子力学的确定性原理。另外一个更著名的原理是不确定性原理。当测量一个围绕着原子核运动的电子时，如果你想知道在经过一段确定的时间之后，这个电子是在什么位置；或者对于电子的轨道而言，它是处于基态还是激发态。当你进行测量的时候，就有了不确定性。这就是自然的基础噪声。我总是说，在这个世界上，一切事情都是确定性的；唯一不确定的是量子物理。真正的噪声来自于量子物理，经典物理学中没有真正的噪声。这两个看似冲突的原理，确定性原理和不确定性原理，构成了量子物理学的两大基础。各种量子通信、量子计算、量子计量学实验室的一切工作，归根结底都是操控量子噪声。而对于接下来我要介绍的原子钟，克服量子噪声同样是最重要的一件事情。时间尺度：从原子到宇宙既然这次是介绍原子钟，那么首先来了解一下一些关于时间尺度的基本概念。电子绕着原子核运动的速度非常快，大概是每秒1015次，也就是一千万亿次。这里我们谈论的时间尺度是一飞秒，也就是10-15秒。另一方面，我们知道，宇宙的年龄是一个非常宏观的时间尺度，大概是1018秒。如果你对这两个时间尺度取一个几何平均数，也就是它们把相乘再开平方根，得到的结果大概是一分钟。巧合的是，我研究的锶原子的量子相干叠加态的寿命也大约是一分钟。当然，这仅仅是一个巧合。提高精度的法宝：光晶格我们都知道时钟在日常生活中是极其重要的。很多人今天都通过GPS导航来到现场，而GPS的工作原理就依赖于极其精密的原子钟。然而，时钟的重要性不止于此。在日常生活之外，时钟作为一种科学的工具，在引力波探测、暗物质探测和大地测量学中都有着重要的应用。如今的时钟早已不仅仅是一个计时的设备，它已经成为了我们的望远镜或显微镜，让我们发现很多之前从未见过的事物，探索未解之谜。时钟在大地测量学中的应用在这样的背景下，怎样提高时钟的精度自然成为了人们关注的问题。对于量子计量学，特别是原子钟而言，精度的提高有几个关键点。首先是激光。我们没法直接用肉眼来观察原子，因此为了观察原子中的电子是怎样运动的，我们需要一个工具。这个工具就是激光。为了读出原子的量子态，我们必须要制造非常稳定的激光。第二点，由于我刚才提到的量子噪声，我们希望在实验中使用的原子数量越多越好。这是因为噪声通常与原子数平方根的倒数成正比。通过增大实验中使用的原子数量，我们就可以用平均的办法来减小噪声。第三点则与第二次量子革命有关。对多体系统的量子纠缠的研究可以说是第二次量子革命。对于多体纠缠态，单个粒子的噪声可以被极大地减小，这样就可以提高测量的精度。这张图片展示了二战后计时技术的进步。蓝线表示的是微波钟的发展，红线表示的是光学原子钟的发展。在半对数坐标下，两条技术路线的发展具有不同的斜率。通常，当先进的新技术取代了旧技术时，斜率就会发生变化。现在光学原子钟的测量精度已经达到了10-19，但科学家并未就此满足。在接下来的几十年内，原子钟的发展将推动更多科学发现的涌现。更高的测量精度将有望让我们通过新的现象增进对量子物理的理解，而对量子物理的新理解反过来又可以促进实验技术的发展，让我们的测量精度进一步提高。光晶格中的原子钟如今，我们依然对原子钟的继续进步充满信心。之所以有这样的信心，是因为我们在光学原子钟中应用了光晶格。我们可以把一百万个原子装在由两束互相干涉的激光形成的人造晶体里。这是一个极其干净的体系，在自然界中并不存在这种体系。我们可以在每个格点上放一个原子；而每一个被束缚在光晶格中的原子都是一个原子钟。通过这种体系，我们将测量精度提高到了10-20的量级。六年前，当我们通过增大量子体系而达到了这一测量精度时，我们非常兴奋，因为当时正是人们第一次探测到引力波的时候。探测到引力波的三位先驱几年前也曾经来到墨子沙龙举办过讲座，他们让我们听到了宇宙的脉搏。如果有着精度足够高的原子钟，我们在未来将可以直接利用时间来测量引力波。光学原子钟的发展：站在巨人的肩膀上光学原子钟的发展绝非一蹴而就，而是依靠着一代代人的努力，以及国际上各个研究组之间的良性竞争。回顾历史，光学原子钟的发展过程中，我们始终站在巨人的肩膀上。我来自一个叫做JILA的研究机构，它是一个由科罗拉多大学和美国国家标准与技术局（NIST）设立的联合机构。JILA已经成立了大约有六十年。我在上九十年代末期来到JILA，并在〇〇年代初得到了正式教职。在此之前的事情，我并不了解太多。但我可以从我在JILA的博士导师——约翰·霍尔讲起。约翰·霍尔约翰·霍尔在上世纪七八十年代制作出来世界上最稳定的法布里-珀罗腔。法布里-珀罗腔用于稳定激光的频率，其结构非常简单，最主要的就是两面镜子。但约翰·霍尔毕生都致力于让这两面镜子之间的距离变得更加稳定，这样就可以得到频率最稳定的激光。他发展的这项稳定激光频率的技术，不仅使他之后获得了诺贝尔奖；更开启了光频标，乃至引力波探测等研究的整个领域。法布里-珀罗腔朱棣文是上世纪九十年代的另一位诺贝尔奖获得者。当时冷原子物理刚刚兴起，而他利用冷原子演示了原子喷泉钟。他的实验室当时是发展激光冷却技术的先驱。有一次他问学生，为什么我们不做这样一个实验？把原子抛起来，然后当它们掉下来时，看看我们能不能捕获它们。如果原子真的非常冷，它们不会粘到天花板上；而是会向上运动，然后在重力的作用下折返。这一点可以用来做精密的光谱学测量，并且最终被证明是一种极好的工具。朱棣文利用这一原理，人们发展了冷原子喷泉钟技术。最早的喷泉钟的精度和现在差了九个数量级，尽管如此，这也开创了使用冷原子作为频率标准的先河。冷原子喷泉钟朱棣文当时正在贝尔实验室工作。与此同时，贝尔实验室还有另外一名叫做亚瑟·阿什金的科学家。亚瑟·阿什金后来也获得了诺贝尔奖，他在上世纪七、八十年代已经发展了一种叫做光镊的技术。这种技术使用打进真空腔体的激光，可以在真空中捕获单个原子，并让原子保持静止。让原子保持静止有一个重要的好处，就是可以克服所谓的时间膨胀效应。狭义相对论告诉我们，当我们保持静止时，如果另一个物体正在移动，那我们会发现移动的物体上的时间变得更慢。而当你做原子钟的时候，如果不让原子保持静止，不同的原子还具有不同的速率，这样就会无法确定哪一个原子才是最适合做原子钟的。正因如此，从上世纪八十年代开始，人们开始发展一项称为原子激光冷却的技术。原子可以吸收共振光。如果从六个方向都逆着它们的运动照射共振光，可以非常迅速地把它们的动能带走，从而把它们的温度从室温降低到毫开尔文甚至微开尔文的量级。这项技术始于上世纪八十年代，如今已经在实践中已经被广泛应用。在科大的任何一个冷原子实验室，你都可以看到这项技术。在上世纪九十年代中期，由于激光冷却技术的发展，有一种之前在这个宇宙中从来没有存在过的物态出现了。如果你把一些玻色原子冷却到非常非常低的温度，那么它们就会进入玻色-爱因斯坦凝聚态。这是一种势阱中的原子全部凝聚到基态的相变。曾经是热的、完全无序的原子，全部完全有序地变成了量子力学中的同一个波函数所描述的状态。你可以用肉眼看到真空腔体中的玻色-爱因斯坦凝聚体，这是一种可以看到的宏观的量子物态。玻色-爱因斯坦凝聚体通过激光冷却来创造新的物态，是冷原子领域的重大进步。埃里克·康奈尔、沃夫冈·凯特勒和卡尔·韦尔曼因此获得了诺贝尔物理学奖。费米子在势阱中的占据自然界中有玻色子和费米子两种粒子。与玻色子会全部凝聚到基态这一现象不同的是，当把费米子装进势阱中时，每个态上只有一个原子。黛博拉·金通过激光冷却展示了这一点，她实现了最早的费米子量子简并气体。不幸的是，她去世地非常早，在2016年就去世了。她是当选时最年轻的美国科学院院士。当她成为美国科学院院士时，只有三十岁。如果她没有去世的话，或许已经获得了诺贝尔奖。她的工作后来被证明对我们的原子钟具有极其重要的意义。黛博拉·金我的研究历程：新千年后的梦想与努力在大约2000年的时候，我被JILA聘为青年教授。我曾经是JILA的学生，后来去了位于帕萨迪纳的加州理工学院。我在那里呆了两年时间，然后2000年的时候回到JILA成为教授。在那一年，一切事情都在日新月异地发展着。也正是在那时，我有了一个梦想，有没有可能利用这些已经在实验室里实现了的技术，用光阱束缚住原子，让它们免受扰动的影响，从而获得非常长的量子相干时间。或许这是一种实现原子钟的新的方法。在这样的背景下，我们开始了研究。要把这种梦想变为现实，有一个非常关键的问题需要解决。我们希望把原子囚禁住，但是当囚禁这些原子时，会对原子的能级有扰动。这就意味着当我用光晶格来囚禁原子时，会有频率的移动，从而导致原子钟变得不准确。为了解决这个问题，我们寄希望于用魔术波长的激光作为光阱。魔术波长可以在囚禁住原子的同时，对原子的能级没有扰动。2000年克里斯·格林发给叶军的电子邮件幸运的是，2000年，当我启动研究时，在JILA有一位优秀的理论物理学家，克里斯·格林。他是JILA的另一位研究人员，致力于各种关于原子结构的计算。他为我找到了魔术波长。这是十分重要的，因为在魔术波长下基态和激发态有完全相同的势场形状，从而避免了两个态之间的跃迁频率发生改变。魔术波长下基态和激发态的势场形状及能级移动示意图我们一开始用锶原子的¹S₀态作为基态，³P₂态作为激发态。一年之后，香取秀俊教授想出了一个主意，他认为应当使用更低的³P₀态来代替³P₂态。³P₂态和³P₀态的区别在于³P₀态没有角动量。这后来被证实是十分重要的，因为对于没有角动量的态，电子的分布总是各向同性的。锶原子的精细结构能级示意图把原子囚禁在势阱里是另外一个非常重要的事情。当原子从基态跃迁到激发态时会发生反冲，这样的反冲能量就会导致原子钟的误差。因为本来我们是想要测量基态和激发态之间的能量差。理想情况下，激光的频率刚好是这两个态之间的能量差；但如果原子移动了，就会有动能。这部分动能也要来自于光子，这就意味着光子的能量要比两个态之间的能量差略微大一些，从而导致原子钟的误差。那我们怎样解决这个问题呢？如果我们能够用弹簧来约束这些原子，当用光子去撞击它们时，就没有反冲了。实际上，这个弹簧是光对原子的力。我们把原子放在光晶格中，就仿佛将它们之间用非常硬的弹簧相连。通过这种囚禁原子的方式，我们取得了成功。我们现在已经可以在精密测量原子的光谱时排除运动的影响。并且魔术波长的使用可以让基态和激发态完全匹配。今年，我们发表了一篇文章，我们已经可以让精确度达到10-19。我们不完全相信理论物理学家。我们向理论物理学家请教，从中获取灵感，请他们帮我们完成计算等等。但最终，一切事情都需要实验来检验。如果有人说，他可以算出魔术波长是多少，那我们一定会造一台这个波长的激光器，在实验室里验证它。观察原子的工具：激光下面我想要跟大家讲一下量子物理和激光的关系。把原子放在基态和激发态的相干叠加需要激光；在叠加态演化一段时间之后，我们可以再打一束激光，来看看这个原子演化了多久，也就是这个时钟走了多久。这就是我们怎样测量时间的。为此，我们需要非常非常稳定的激光。我们使用了非常低膨胀率的玻璃材料来制造非常稳定的激光。这项技术由JILA和PTB（德国联邦物理技术研究院）联合研发，使用石英这种非常坚固的的晶体结构，我们实现了非常稳定，也即相干性极好的激光。如果没有大气层的话，这束激光可以在地球和月球之间跳跃一百多次之后仍然可以让你分辨它目前处在哪个周期，是波峰还是波谷。在未来，我们希望激光的相干长度可以进一步提高到地球和太阳之间的距离——这一距离光需要走八分钟，被称为一个天文单位。这种技术会非常有应用价值。我们可以通过这个技术，把两个卫星之间的距离控制在仅差几个激光波长的水平上，从而可以利用这一点建造综合口径雷达和综合孔径望远镜，来探索宇宙的边缘。关于激光还有一个问题，我们没有合适的电子学方法来测量这些光学的频率。光的频率往往太快了。我制作了一些动画来说明这一点。当一个轮子以很快的速度运动时，你很难判断这个轮子是顺时针还是逆时针转的。它转的太快了，以至于我们无法捕捉到。但通过所谓的频闪技术，我们可以看到这个轮子。我们可以使用频闪光，每隔一段时间给它拍一张照片。黑色的图案是轮子真实的运动，红色是我通过频闪照片看到轮子的移动。如果知道频闪光的频率，我们就可以通过这些红色的照片来算出黑色的轮子原始的速度。这和我们使用光频梳来测量光频率是同样的原理。如果我搭建了一台锁模激光器，有一小束光在四块镜子之间来回运行。当这束光打到最后一个镜子上时，它就会像一列光弹一样出来。在时域下，它是一列光弹。根据傅里叶变换，如果某个东西在时域是周期性的，则它在频域是离散的。这就意味着，在频域，或者说在颜色的空间中，你就会得到一个梳子一样的结构。事实上，这就是一个非常漂亮的东西。在我们实验室，你可以看到激光器发出的颜色就像彩虹一样。你在实验室工作了一整夜，早上走出去，在山边看到一道美丽的彩虹。你会觉得，这个也很美。大自然和科学是相连的。但是这个实验室中人造的彩虹有着离散的频谱；而阳光雨露形成的模拟彩虹，其频谱是连续的。量子多体物理：理解越深，精度越高下面我来讲一下量子多体物理，让我们从原子间相互作用谈起。如果你有一个非常昂贵的手表，那你肯定怕把它摔坏了。同样的道理，如果原子钟的两个原子彼此碰撞，这也不是一件好事，会导致原子频率的移动。那我们如何控制这一点呢？原子间相互作用对原子钟的不利影响（示意图）这是故事里面很有趣的一部分，和量子统计学有关。你们在大学的量子力学课上会学到，但我现在想告诉你们一点点量子统计。大家可能玩过台球。如果给你两个普通的球，11号球和12号球，你击打它们，让它们彼此碰撞，12号球往上走，11号球往下走。可是如果我给你两个完全一样的球呢？你怎样区分是哪个往上走呢？在量子力学中，对于全同的粒子，如果你没法区分哪一个往上走了，那这两种可能性都存在。这就是量子力学的魔法之处。你需要考虑每一种可能性，并且把这些可能性加起来。自然界中有两种粒子——一种叫做玻色子，另一种叫做费米子。玻色子喜欢聚在一起，这也是为什么我们可以实现玻色-爱因斯坦凝聚。当两个玻色子聚在一起的时候，它们的波函数中间是一个加号。而对于玻色子，如果左边粒子的波函数和右边粒子的波函数是相同的，则它们总的波函数是单个波函数的两倍。而费米子是不同的，当你用波函数描述两个费米子时，它们的波函数中间是一个负号。这个负号带来的结果是什么？它告诉你，当两个费米子相遇时，它们想彼此回避。因为如果他们彼此重叠的话，这个负号会让波函数会变成零。玻色子和费米子的波函数我们可以利用这个原理来制造原子钟。我们使用费米子，因为我们不想让这些原子彼此相聚、碰撞。这是一个非常简单的出发点。然而大自然总是喜欢和我们开玩笑。即使费米子不会彼此聚集、重叠，它们仍然可以互相围绕着转圈，这仍然会导致一个频率的移动。这就是原子间相互作用产生的效应。当在光晶格中有许多原子时，这些原子彼此之间都会有相互作用。每个原子都可以看做一个小的赝自旋为1/2的系统，N个原子就是N个赝自旋为1/2的系统。这N个原子的总波函数可以用一个巨大的自旋N/2来描述，我们称之为集体自旋。这会形成一个巨大的球面，并且会导致巨大的量子噪声；但这个球上的矢量也会变得更长。集体自旋产生了一些有趣的量子噪声的动力学效应，也会导致原子钟中的频率移动。我们需要理解这些自旋之间的所有量子的相互作用——这实际上就是磁性的微观机制。因此，量子磁性和原子钟这样的量子精密测量也联系了起来。2016年，因为对这些相互作用效应有了进一步的理解，我们的原子钟达到了2×10-18的精确度。如果这个时钟从宇宙诞生起就工作，直到今天，它的误差也不会超过一秒。可我们怎样才能做得更好呢？通过使用更浅的光晶格，我们可以在原子钟的系统变得更大之后，提高相干性。事实上，原子的波函数变得更分散了。这可以创造出一些非常有趣的叠加态，比如这个地方有一个自旋向下的原子，而另一个地方有一个自旋向上的原子。这确实是一种非常有趣的叠加态。你可以利用这一点来搭建原子钟或者原子干涉仪，甚至可以直接利用这个来测量重力。这张图中的原子可以分成上下两个部分，每个部分都相当于是一组原子钟。如果你一直关注着这个钟摆的震荡，你会看到上下两部分震荡画在同一幅图里，起初看起来是对角线的，因为它们之间的相位是同步的。但如果等的时间长一些，三十秒，或者一分钟，就会发现这两组钟摆的摆动相位发生了错位。这是因为上半部分的频率和下半部分的频率有一些差别。发生了什么？为什么会有频率的差异呢？我们可以找出很多其他的原因，但其中一个基本的原因是爱因斯坦的广义相对论效应。因为地球的引力势场，上面的时钟总是比下面的时钟跑得更快一些。这个差别有多大？假如你能活一百岁，你的脚趾头的衰老，会比你的大脑慢了大概十个纳秒。尽管如此，对于GPS来说，这仍然是需要考虑到的一点。我可以告诉你们一个例子：如果我把我的手表抬高一微米，就像头发丝的宽度那么小的距离，这带来的时间变化是10-20。时间不再是一个绝对的概念，就像艺术家萨尔瓦多·达利画的那样，时间是十分柔软的。结语这是我们实验室的一幅照片，在经过了艰难的努力之后，这个年轻的学生甚至无法相信自己搭建了一台如此复杂的实验装置。对于从事科学研究的青年学生来说，当你们用自己的双手，搭建了最好的实验装置，从来没有人搭建过的实验装置。你们应当为自己感到骄傲，以及你可能发现的科学突破感到敬畏。制作原子钟并不是科学家的自娱自乐。虽然对我来说，在实验室自娱自乐确实是我的工作的最重要的一部分。但实际上这是一个非常重要的工作。国际单位制下的七个基本单位中，秒在其中有重要的作用——它定义了其他六个基本单位钟的五个。在工业生产、通信、计算、网络、科学研究等方面，时间都有着非常重要和实际的作用。叶军，1967年11月出生于上海，物理学家。现任职于美国科罗拉多大学博尔德分校、美国国家标准与技术研究院（NIST）以及二者共建的天体物理联合实验室（JILA）。从事光与物质的相互作用的前沿研究，包括超冷原子-分子、量子精密测量、量子光学等领域。曾获得2022年度基础物理学突破奖、2020年度墨子量子奖。由于微信公众号试行乱序推送，您可能不再能准时收到墨子沙龙的推送。为了不与小墨失散，

10月15日下午，来自中国、美国和欧洲的顶尖量子计算领域的专家在香港的2023未来科学大奖周科学峰会上，共同探讨量子计算领域的最新进展和前沿问题。会议由中国科学院院士潘建伟召集和主持，吸引了众多关注量子计算的研究者和感兴趣的观众。从左到右依次是，潘建伟，Rainer

电影《奥本海默》昨日在中国大陆上映。去电影院之前，不妨通过一篇书摘，走近奥本海默。书摘选自《大科学》，由湖南科技出版社出版授权。作者：迈克尔·

2023年8月16日，未来科学大奖物质科学奖颁给中科院物理研究所赵忠贤院士和中国科学技术大学的陈仙辉院士，表彰他们对高温超导材料的突破性发现和对转变温度的系统性提升所做出的开创性贡献。他们突破性的工作引领了高温超导领域的持续性发展，本文对此次奖项的科学背景和意义做简单解读。2017年，赵忠贤在墨子沙龙活动现场

8月16日上午，2023未来科学大奖获奖名单揭晓。柴继杰和周俭民获得“生命科学奖”；赵忠贤和陈仙辉获得“物质科学奖”；何恺明、孙剑、任少卿、张祥雨获得“数学与计算机科学奖”。2023年“生命科学奖”获得者柴继杰周俭民获奖评语：奖励他们为发现抗病小体并阐明其结构和在抗植物病虫害中的功能做出的开创性工作。柴继杰，1966年生于中国辽宁，1997年获得中国医学科学院北京协和医学院药物研究所分析化学博士学位。周俭民，1964年生于中国四川，1994年获得普渡大学园艺系博士学位。2023年“物质科学奖”获得者赵忠贤陈仙辉获奖评语：表彰他们对高温超导材料的突破性发现和对转变温度的系统性提升所做出的开创性贡献。赵忠贤，1941年出生于辽宁新民，1964年毕业于中国科学技术大学技术物理系。陈仙辉，1963年出生于湖南湘潭，1992年获中国科学技术大学凝聚态物理专业博士学位。2023年“数学与计算机科学奖”获得者何恺明孙剑任少卿张祥雨获奖评语：奖励他们提出深度残差学习，为人工智能做出了基础性贡献。何恺明，清华大学学士（2007年），香港中文大学博士（2011年）。孙剑，西安交通大学学士（1997年）及博士（2003年）。任少卿，中国科学技术大学学士（2011年），中国科学技术大学与微软亚洲研究院博士（2016年）。张祥雨，西安交通大学学士（2012年）和西安交通大学与微软亚洲研究院博士（2017年）。什么是未来科学大奖？未来科学大奖设立于2016年，由科学家和企业家群体共同发起。未来科学大奖关注原创性的基础科学研究，奖励在中国内地(大陆)、香港、澳门、台湾做出杰出科学成果的科学家(不限国籍)。获奖工作必须同时具备以下条件：（一）产生巨大国际影响；（二）具有原创性、长期重要性或经过了时间考验；（三）主要在中国内地（大陆）、香港、澳门、台湾完成。完成者的国籍不限。未来科学大奖目前设置“生命科学奖”、“物质科学奖”和“数学与计算机科学奖”三大奖项，单项奖金725万元人民币（等值100万美元）。2016年至今，未来科学大奖共评选出35位获奖者，他们均是来自生命科学、物理、化学、数学、计算机等基础和应用研究领域极具成就的科学家，做出了原创性且产生了巨大国际影响的研究工作。2023未来科学大奖周将于10月首次在香港举行，70多位来自全球9个国家的世界级科学家，将在科学峰会上共同探讨前沿科学议题，分享最尖端的科学资讯和前瞻视角，颁奖典礼和青少年对话获奖者会在香港故宫文化博物馆举行，这将是最值得期待的高光时刻，也是科学与文化的一次融合与碰撞。由于微信公众号试行乱序推送，您可能不再能准时收到墨子沙龙的推送。为了不与小墨失散，

美国宇宙飞船“阿波罗11”号于1969年7月21日登上月球，首次实现了人类登上月球的梦想。阿波罗计划是美国在1961年到1972年组织实施的一系列载人登月飞行任务。经过八年的准备，1969年，“阿波罗11”号圆满完成了人类第一次载人登月飞行，实现了“人类的一大步”。此后，美国又相继6次发射“阿波罗”号飞船，其中5次成功，共有12名宇航员登上月球。如今，美苏争霸的硝烟早已散去，而根据我国载人登月初步方案，我国计划于2030年前实现载人登陆月球并开展科学探索。回顾历史，那些波澜壮阔中的属于人类特有的喜怒哀乐，不应被遗忘在宇宙尘埃中。或许，这些人类的普通情感，才是我们在广袤宇宙中存在的意义。今天，当人们想起登月时，首先想到的便是阿姆斯特朗的名言——这是我的一小步，却是人类的一大步。再进一步，人们还会想起出现在教科书以及印刷品上的几张照片，包括宇航员走下航天器、月球上的脚印以及宇航员居于月球中央等等。大家通常会把这些照片与阿姆斯特朗联系在一起，事实上，这些照片的主角没有一张属于阿姆斯特朗，而是那个大家要花费一些功夫才能想起的登月第二人——巴兹·奥尔德林（Buzz

量子纠缠，相信墨子沙龙的读者们早就不陌生了。2022年诺贝尔物理学奖授予量子纠缠的相关研究，更让它刷屏了每个人的朋友圈，飞入寻常百姓家。所谓量子纠缠，它说的是，在量子世界，粒子之间可以具有一种奇特的联系，而任何经典物理理论都无法描述这种关联。量子力学的奠基人之一薛定谔就说过：“纠缠是量子力学的精髓，正是它使得量子力学和经典物理的思维方式彻底分道扬镳。”（推荐观看“量子纠缠：粒子间鬼魅般的关联

量子计算和量子计算机，是科学界和企业界的大热门，五花八门的新闻标题和成果展示，让人眼花缭乱。挖掘机，哦不，量子计算机技术到底哪家强？今天，就让我们以超导量子计算为例，教大家“五分钟看清量子计算含金量”。为什么选超导量子计算机？换个角度，为什么谷歌“悬铃木”，“祖冲之号”还有IBM的量子计算机都是超导计算机？那是因为超导量子计算机具有可扩展性、稳定性等优点，被认为是目前实现大规模量子计算的最有希望的技术路径之一。也就是说，因为有比较稳定的工程技术支持，科学家可以更快的在这个领域发展技术，再进一步推动工程的发展。不过这并不代表光量子计算，离子阱量子计算就没有研究前景，作为量子计算的不同赛道，他们都将展现不同的实力。第一台计算机诞生虽然只有不到百年，但它凭借强大的计算能力成为推动人类文明飞速发展的重要工具。以前的理论物理学家可以在火车上推算完一个重要理论，现在他们离开计算机就很难做到了，我们的日常生活也早已离不开它。说到底，计算的本质是信息的改变和处理。我们输入一些东西，最后电脑输出给我们一些东西。信息发生了改变，计算就发生了。而强大的计算功能，离不开算法和算力。算法（Algorithm）是指解题方案的准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。算力（Computility）是计算机设备或计算/数据中心处理信息的能力，是计算机硬件和软件配合共同执行某种计算需求的能力。也就是说，计算机要知道怎么算这个问题，还能很快的算出来，这个计算机对我们而言才是有意义的。经典计算和量子计算系出同源，都是遵循图灵机原则的计算机。经典计算机的CPU由晶体管组成，用电流表达0和1；超导量子计算机用的则是超导材料中的电子形成的超导态。在算法中，“门”是一个非常重要的概念，无论是经典计算还是超导量子计算都有“门”。最简单的门是“非门”：我们输入一个0，输出一个1。还有“与非门”和其它的各种门，在超导量子计算机中，门是以量子比特为基础构成的，有单量子比特门和双量子比特门等。而超导量子计算机的算力靠的就是量子比特之间的纠缠了。相互纠缠的量子数越多，量子芯片（QPU）的计算能力就越强。如果说量子芯片是一块土地，量子比特就是一座座建筑物（职能部门）。量子纠缠就是连接量子比特之间的道路。联通越多，职能部门之间的互动就越紧密，“城市”活力就越强，“文明”也就出现了！在物理学中，我们把纠缠程度最高的称之为真多体纠缠体系——我们把一个多体系统任意划分为两部分，不论如何划分，划分后的两部分之间都存在纠缠。当然，如果在一个量子计算系统中，有两个量子比特发生了纠缠，而其他没有发生纠缠，你仍然可以宣称这是一个“纠缠体系”，但是计算能力肯定就大打折扣了。聪明的读者们，你们现在肯定知道如何分辨量子计算机的“含金量”了吧，请认准真·纠缠！当然，在真·多体纠缠系统中，还有不同的纠缠方式。比如一维簇态，就像贪吃蛇一样，从第一个“建筑”一直连接到最后一座“建筑”。这种纠缠方式相对简单，特点是纠缠的粒子数越多，对保真度的要求就更高。还有一种二维簇态，量子比特之间两两纠缠，形成了像网一样的连接方式。优点是有更多的算法选择，但是对“搭建”的要求比较高。

我有个朋友叫小Z，Ta是一个“双面人”。这一切不开心的情绪，Ta都留给了自己。面对别人时，Ta总是保持微笑。在大家眼里，Ta很乐观、开朗，还喜欢助人为乐。在这个世界上，有很多人像小Z一样，是不开心的“双面人”。你也许听说过，这就是抑郁症。根据世界卫生组织的统计，全世界有

本文内容来自“墨子沙龙

4月12日21时，有“人造太阳”之称的中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST创造新纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。那么，什么是“人造太阳”？为什么要研究“人造太阳”？如何实现可控核聚变？……通过漫画来了解下吧！进一步了解中国人造太阳的故事，推荐观看合肥国家科学中心能源研究院李建刚院士在墨子沙龙的演讲“托起明天的太阳”。自从人类学会了使用火，能源的发展和人类文明进步就紧密联系在一起了。从工业革命到现在，人类对能源的需求越来越大。人类主要消耗的化石能源（石油、天然气、煤炭等）是存储了过去亿万年光合作用产生的能量。然而，按照人类现在的使用速度，化石能源的开采最多只能再持续两三百年，而且化石能源的使用还容易对地球环境造成巨大的破坏。根据国家统计局的公开信息，2022年我国工业发电量8.4万亿千瓦时，其中火力发电约占7成，水电、核电、风电和太阳能发电等清洁能源约占3成。我们国家的能源结构还是以煤炭为主，环保能源的开发仍有很大空间。面对严峻的能源和环境危机，人类的应对方针是：开源、节流一方面，开发新型能源，积极利用再生能源，如风能、太阳能、水能、地热、潮汐能、生物能等。另一方面，提高能源使用效率，研究新材料新工艺，

内容来自墨子沙龙线上活动“点亮聚变的第一盏灯”（2023年2月22日），演讲者是合肥国家科学中心能源研究院李建刚院士。文字由林梅整理。随着《流浪地球2》的热映，行星发动机成了网络热词。在电影里，这种帮助地球远航的发动机，靠的就是可控核聚变。现实中，虽然像电影中那样的重核元素可控核聚变还难以实现，但是对于氢的可控核聚变研究，人类已经走过了半个多世纪的征程。在实现可控核聚变的方案中，磁约束被认为是最适合解决能源问题的途径。利用磁约束实现可控核聚变的装置叫做托卡马克，因为酷似太阳燃烧的机制，也因为被寄托了未来能源的美好愿景，人们更愿意将托卡马克叫做“人造太阳”。作为全超导托卡马克核聚变实验装置牵头人，中国工程院院士李建刚已经为这颗太阳的升起奉献了四十多年的人生，他毕生的梦想，就是要在有生之年，能够看到有一盏灯被核聚变点亮，他说，这盏灯一定要在中国合肥。时代和机遇，让他越来越坚信，这个梦想，不只是“梦想”。核聚变是人类未来的终极能源全超导托卡马克核聚变实验装置，常常被叫做“人造太阳”，今天我就想给大家说说，怎么样能够托起我们的太阳？我们人类的发展史一直伴随着能源的消耗，但对能源消耗的速度并不是恒定的。就我们中华民族5000年的文明史来说，前面3000年都是烧木材，但自从我们发现煤以后，能源消耗开始增长，人口也逐渐增加。在过去的一两百年里，能源的消费急剧增长，相应的，人口急剧地增加，我们的科技水平也飞速发展。现在地球上人口为70多亿，目前主要还是依赖化石能源，也就是大家经常看到的石油、煤。未来，人类需要继续发展，人口也还会继续上升，如果想要保持比较高的社会和经济水平，还是需要非常大的能源消耗，那么我们地球上现有的化石能源，将会很快消耗殆尽。这个时间窗口，只有100到300年的时间。对于我们地球的历史来讲，也就是弹指一挥间的事儿。所以，长期以来我们人类一直问自己一个问题——化石能源消耗完以后，我们要去哪里寻找稳定的能量来源？相信每一位同学都认识这位科学家——爱因斯坦。爱因斯坦是我最喜欢的一位物理学家，而且我最喜欢的一个公式（没有之一）就是爱因斯坦的质能方程——E=mc2，能量等于质量乘以光速的平方。它告诉我们，哪怕只有一点点的质量，原子核级别的反应，瞬刻之间就能放出巨大能量，这就是太阳燃烧的原理，也是浩瀚的星际里大部分的恒星发光发热的原因。太阳发出能量中非常小的一部分，照射我们的地球上，几十亿年以来，我们的地球沐浴在阳光里，正是因为得到了这些能源，我们才有了现在幸福的生活。说起核反应能，原子弹是最简单的，原子弹是什么原理？简单来说，就是一个大的原子核，裂变为二的时候，就释放出巨大的能量，包括我们国家在内的几个国家，都是很早以前就实现了原子弹。有了原子弹，就可以利用原子弹把一团气体加热到很高的温度，实现氢弹的爆炸。现在，世界上的460多个核电站都是用原子弹的原理，也就是裂变产生的能量发电。我们现在用的核电站的原料——铀，仅需一克，就能产生相当于1.8吨的石油燃烧产生的能量，如果用氘-氚的话，一克产生的能量相当于8吨的石油，正如爱因斯坦质能方程描述的那样，哪怕一克的质量，乘以光速的平方，能量就非常巨大。地球上有大量的资源可供裂变电站使用。这就是一个裂变电站的工作原理：反应堆里面放上铀235，那么一旦有了中子，就会产生链式反应，源源不断地产生热量，这些热量让水变成气体，推动发动机转动发电。核电站能量转换过程虽然现在全世界的465个核电站都是利用这个原理，并且为人类提供了大于10%的电力，但它仍然有两个缺陷：第一，我们地球上裂变电站资源是有限的，不管是铀、钍、还是钚，储量都不多，即使全部利用，千年的时间也会用完，本质上，这些也是化石燃料的一部分。第二，就是核裂变时产生的各种射线会对人体产生伤害，放射性物质会对周围环境造成放射性污染。这一点现在还没有完全解决。比如，众所周知的美国三里岛事故、日本的福冈事故，以及切尔诺贝利核电站事故，都是由于我们人类操作不当造成的，这些事故很大程度上都是人为事故。尽管总体来说核电站是安全的，这些事故现在可以降到非常低的概率——大约100万年才会发生一次，但这种概率始终是存在的。所以一般的裂变电站都建在远离人群的地方。而核聚变，具有固有安全性，什么叫固有安全性？就是说永远都是安全的，不会有问题。对于聚变电站来说，哪怕遇到恐怖分子袭击，都没有关系，为什么呢？因为聚变的原理，首先是要把氢的同位素氘和氚加热到上亿度，这是一个很难的事情，而它的产物是什么？一个是氦气，另一个是中子。中子携带能量，我们用水就可以把中子吸收，然后水就变成水蒸气，用来发电；另一个产物氦气也是干净的，而且氦气是往空中飘的。所以，聚变的产物既没有二氧化碳，也没有长寿命的放射性元素，一旦停下来反应立刻中止。聚变要保持很难，但是要停下来就很容易。所以聚变设施可以放在城市的中心。这就叫做固有安全性。我们再说说聚变的另一个优势，我们海水里面大约有氘燃料40万吨。我刚才说过，E=mc2，一升的海水可以提取0.03克的氘，释放的能量高于340升汽油燃烧产生的能量，全世界海水里有40万吨氘，所以海水里边的氘可以供我们人类使用100亿年，比太阳和地球的寿命都长，所以，聚变资源是无限的。一个核电站，一年用150公斤的重水和150公斤的锂就可以了。作为比较，一个100万千瓦的煤电站，一年要烧200万吨煤，一个裂变电站一年需要30吨的铀，而聚变电站的优势就很明显了，像合肥市这样规模的城市，只需要10个聚变电站，

实验证实超导态“分段费米面”费米面决定了固体材料的电学、光学等多种物理性质。对费米面的人工调控，是材料物性调控的最重要途径。超导体因为在费米能级处有能隙，没有费米面。1965年Peter

总的来说，吴健雄及其学生关于高能纠缠光子的相隔25年的两个工作推动了对量子纠缠和贝尔测试的研究，虽然没有能够严格证明对贝尔不等式的违反，但是实验结果展示了量子纠缠。1975年，拉梅伊-拉什蒂（M.

“我最大的梦想就是在我的有生之年，能够有一盏灯被核聚变点亮，这盏灯一定要在中国合肥。”这是中国工程院院士李建刚五年前在中央电视台《开讲啦》节目中许下的愿望。五年后的今天，在中国科大附中的孩子们面前，李建刚“修改”了曾经的表达：“过去我认为这是有生之年不一定看得到的，所以叫做‘梦想’，而现在，新的时代和机遇给了我们绝佳的舞台。我相信十年之内，一定能看到有一盏灯在咱们合肥被核聚变点亮。”2月22日，李建刚院士受“墨子沙龙”的邀请，面向中国科大附中的高中生们，讲述了他心中的“太阳”。能源问题是关乎文明发展的全人类共同的问题无论是国外的科幻大片《钢铁侠》还是国内的春节黑马《流浪地球2》，都不约而同地出现了同样的终极能源解决方案——核聚变。事实上，发展、利用核聚变技术，解决人类未来的能源问题，是一项全人类需要共同面对的课题。为这一课题贡献四十载的李建刚院士，对“人类命运共同体”的理解，可能比大多数人都深刻。人类虽然拥有漫长的文明史，但是对化石能源的大量利用是近两千年的事，尤其是进入工业社会，化石能源加速消耗，可以预见，未来的100到300年，化石能源必然枯竭，人类的文明想要继续发展，必须寻找新的能源。其中，核聚变是公认的最佳解决方案，它具备固有安全性，即使发生事故，反应立刻停止；它的反应产物十分清洁，是“碳中和”背景下的必然选择；它的原料来源广泛，原料利用率高，相对于人类文明的时间尺度来说，可以认为“取之不尽，用之不竭”。在能源安全和碳中和两大背景下，聚变能已成为大国竞争的战略焦点

施郁（以下简称“施”）：我确实猜想过，是猜想非常非常遥远的未来的一个可能情景，人类的终极情景。那是在复旦大学举办的“上海论坛”上，进行了题为“脑科学与机器学习：下面是什么？（Brain

上一篇文章（“量子纠缠概念的起源：谁是量子纠缠研究的最大功臣？”）介绍了量子纠缠概念的起源，重点阐述了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森，以及薛定谔、玻尔和玻姆的相关工作，还对华人物理学家吴健雄的实验工作进行了介绍。本篇文章将继续量子纠缠的故事——贝尔不等式的提出和实验检验。（《量子纠缠：量子信息中的关键资源》将在近期推出。这三篇文章详细梳理了量子纠缠相关的主要概念、关键思想和重要里程碑，组成了“量子纠缠之路”系列。）作者|

Year）。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等人的一项研究成果入选，他们首次实验排除了实数形式的标准量子力学，研究论文于今年1月发表（推荐阅读：虚数不虚：来自量子物理实验的证实

图源：NASA/ESA/STScI/Hubble美国国家航空航天局（NASA）和约翰·霍普金斯应用物理实验室首次成功地改变了一颗小行星的轨道，演示了“动能撞击”。DART飞行器（Double

136.由于微信公众号试行乱序推送，您可能不再能准时收到墨子沙龙的推送。为了不与小墨失散，

妞妞是一个初中生，第一堂化学课，老师给他们展示了一个非常有趣的实验——金属钠和水的反应。妞妞回到家，爸爸告诉她，他的实验室也在做钠原子和钾原子的化学反应实验。但是当妞妞来到爸爸实验室的时候，她没有看到烧杯、试管，只看到了很多小镜子和激光器。爸爸告诉妞妞，他们的实验室叫做“超冷分子化学实验室”。在超低温度（接近绝对零度）下，他们让钠钾分子和钾原子发生反应，最终生成三原子分子。化学反应是怎么发生的？化学反应的性质为什么是这样的？化学反应是怎样从量子层面过渡到经典世界的？要解开这个问题，要从更早的时候说起。从古代起，人们就好奇物质的性质。中国用五行学说来描述世界万物的形成和相互关系，古希腊人把水、气、火、土当成世界万物之源。后来，人们试着将两种或几种物质放在一起，通过制造一些条件，希望它们发生反应并产生新的物质，并寻找其中的规律。17世纪的科学家罗伯特·波义耳，第一个给出了化学元素的定义，提倡为认识事物的本质而研究化学。现代化学之父安托万-洛朗·拉瓦锡1773年通过实验制备了氧气（那时他只知道这种气体有助于燃烧，还能帮助呼吸），并于1778年认识并命名了氧气，化学从定性走向了定量的转变。而1803年，英国化学家、物理学家约翰·道尔顿提出的原子学说，更是让化学学科获得了重大的进展。道尔顿的原子学说主要观念：（1）化学元素由不可分的微粒——原子构成。（2）同种元素的原子性质和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同。（3）不同元素化合时，原子以简单整数比结合。1900年，量子力学诞生了，有别于经典世界的物理理论，量子力学是研究在微观层面的粒子运动的科学。科学家发现，化学的本质是原子分子的相互作用，交换和动力学演化，最终研究都将在原子、分子层面进行。如果我们能掌握微观粒子们化学“反应”的本质，就相当于拥有了微观粒子“活动手册”，对于新材料和新药物的合成与制备起到非常重要的指导作用。狄拉克曾经说过：大部分物理和整个化学的数学理论所必需的基本物理定律已经完备了，而困难之处仅在于这些定律的精确应用会导致方程过于复杂而无法求解。因此，只要能求解描述原子核和电子的多粒子薛定谔方程，我们就能洞察化学的一切奥秘。不过，愿景非常美好，实施起来就困难多了。事实上，在量子化学的世界里，即使是三体问题，也无法精确求解。量子三体问题没有严格可解模型，所以只能数值求解。一方面，现在计算的精度不够，也就是实验得出的结果，经典计算机无力“验算”；另一方面，粒子相互作用中的参数太多，解决了前面的“高山”，后面还有“群峰”。所以即使是最简单的H3+离子，很多实验测到的光谱理论也无法解释。但是，怎么“计算”呢？三体这么复杂的问题，没有成熟的理论，经典计算机算不了，量子计算机研究刚刚起步，科学家是不是没办法了？小孩子才担心，科学家选择撸起袖子直接干——算不出来，我们就在实验室中直接操控原子分子间的三体“化学反应”。不过，想要操控原子、分子可不容易，为了让它们乖乖听话，科学家们各显神通，最著名也最常见的就是激光冷却、囚禁等技术。所谓激光冷却，就是利用激光技术，实现光子和原子的动量交换，从而冷却原子。原子的激光冷却技术已经很成熟，再结合磁光阱、蒸发制冷等手段，人们制备出了温度低、密度高的超冷原子气体。这种“电子循环跃迁”降温的方式对原子进行冷却非常好用，但是对分子就不太好用了。分子的能级结构比原子复杂得多——振转能级不存在循环跃迁。目前，人们只在少数分子中发现了近似的循环跃迁。科学家尝试对分子直接进行冷却，不过这是非常艰难的。对多原子分子来说，目前世界上最好的结果是将CaOH分子冷却到了100μK，但分子密度还很低（太稀薄）。从20世纪80年代开始，科学家就试着用冷原子合成冷分子的方式给分子“降温”，即利用光缔合从冷原子气中合成出双原子分子。但这种方法得到的分子气密度低、温度也比较高。于是科学家们又探索了另一种技术——Feshbach共振技术。Feshbach共振是指原子们经过散射会牵扯在一起，形成弱束缚分子，如果散射态和束缚态的能量一致，则会产生共振，这会大大增强散射态和束缚态的耦合强度。而且，Feshbach共振可以通过外加磁场来调控，这就给了我们新的机会：利用磁场来将原子合成分子。如今，Feshbach共振技术成为合成双原子分子的最常用的技术手段。既然原子的Feshbach共振可以用来合成双原子分子，那如果有双原子分子和原子的Feshbach共振，不就可以合成三原子分子了吗？但问题是双原子分子和原子间磁场可调的Feshbach共振存在吗？2019年，中国科大潘建伟、赵博研究团队在国际上首次观测到了超低温下钾原子（40K）和钠钾分子（23Na40K）的Feshbach共振。这意味着，利用Feshbach共振实现三原子分子合成是有可能实现的！2022年初，在Feshbach共振附近，研究团队通过射频场将原子分子散射态直接耦合到三原子分子的束缚态。射频合成三原子分子所导致的钠钾分子损失谱，给出了三原子分子合成的间接证据。这项工作于2022年2月9日发表在Nature杂志上。不到一年的时间，研究团队通过努力，将温度降低至100nK，制备出了温度更低、密度更高的简并的钠钾分子和钾原子混合气，这使得研究团队可以通过Feshbach共振磁缔合方法来将钠钾分子和钾原子合成三原子分子。最终，得到了含有约4000个23Na40K2分子的超冷分子气。通过射频解离三原子分子，观测解离谱的行为，研究团队得到了合成三原子分子的直接、确切证据。这项工作于2022年12月2日发表在Science杂志上。一年内接连登上Nature、Science杂志，看起来是闪电般的成绩，其实这项工作是十年努力的结果，从2012年开始搭建钠钾分子实验室，2019年观测到钠钾分子和钾原子Feshbach共振，2022年初观测到射频合成三原子分子证据，直到今年年底制备超冷三原子分子气体，是一步一步走的踏实工作。而对科学家来说，这是超冷分子和超冷化学领域的个里程碑，也是一个全新的开始。未来，量子三体问题的解决，超冷反应奥秘的探索，以及由于分子丰富而独特的能级结构，在量子信息处理、量子精密测量等领域的潜在应用，都等待着科学家们去发掘。文案：白泽、王佳绘制：牛猫小分队专家审核：赵博、芮俊、杨欢进一步了解，请看“墨子沙龙”公众号今日二条的科普文章。由于微信公众号试行乱序推送，您可能不再能准时收到墨子沙龙的推送。为了不与小墨失散，

三体迷们有福了！万众粉丝翘首以盼的《三体》动画定档2022年12月3日播出。而在今天，12月2日，量子物理学家、量子化学家渴望已久、翘首以盼的《量子三体》先一步“上映”了！中国科学技术大学潘建伟、赵博团队最近完成了一项重要突破，他们在国际上首次可控合成了三原子分子（即由三个原子组成的分子）的超冷气体，温度低至100

中国科学技术大学潘建伟团队首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4×10-19，相关论文于2022年10月5日23点在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。潘建伟、张强、姜海峰为本文共同通讯作者。夜幕退去、黎明初现，我们睁开蒙眬的双眼做的第一件事情是什么？相信大部分人一定是——看时间！（图片来自网络）从每一个人的学习工作安排，到整个社会的有序运转，时间对于我们实在太重要了。小学生学习写作文后都知道，记叙文的基本要素有时间、地点、人物和事件。时间是什么，又如何去测量和共享时间？对这些问题的探究贯穿整个人类文明史。春去秋来，物换星移，大自然的变化让古人感受到了时间的存在，同时也意识到可以利用自然界中的这些周期现象来度量时间。人们曾用各种不同的方式去记录时间的流逝。时间的测量“日出扶桑,入于咸池”，通过太阳的东升西落，我们知道了“一天”有多长；“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，通过月相变幻，我们定义了“一月”；“春生夏长，秋收冬藏”，四季循环让我们感受到了“一年”。这些时间标准都是基于天体运动的周期，例如地球的自转、公转。单摆摆动、弹簧振动等等，它们也具有周期性，利用这些机械运动的周期，人们制造出机械钟表来测量时间。还有物体在阳光下的投影、漏壶稳定的滴水，这些现象也都体现出了周期变化的性质，因此我们有了日晷、水钟……原则上，任何周期性现象都可以作为我们的时间标准。

内容来自墨子沙龙线下活动（2022年2月），演讲者是中国科学院大连化学物理研究所李灿院士。现在我国举国关注的一个事情就是实现“双碳”目标，“双碳”目标已经变成我国发展的一个重大战略。今天的报告，我们要讲一讲绿色氢能和液态阳光甲醇如何在实现“双碳”目标的过程中发挥作用。我的报告分三个方面：全球气候变化怎么影响我们人类的生存发展，温室气体排放和气候变化是什么样的关系；怎么来实现“碳达峰，碳中和”，我们通过绿色氢能和液态阳光甲醇这样的策略，对减排能不能有贡献；这个领域的一些科学和技术方面的挑战。全球气候变化影响人类生存发展，

中国科大引领的中国科学家团队正在打造量子科技发展体系化能力。（来源：央视新闻联播）

上个月小墨为大家带来了一个好消息——世界首颗量子微纳卫星“济南一号”被送入预定轨道，即将开展研究工作。本月，该团队又为我们带来了好消息，我们的“量子星座”在太空中又多了一位新成员。说是新成员，其实它比“济南一号”更早进入太空。早在2016年9月，我国的天宫二号发射升空，它是我国空间实验室建设之路上的里程碑，除了作为中国第一个真正意义上的空间实验室被永远载入史册，它飞行在轨的三年时间里，向国内外相关机构开放合作，完成的各项空间科学实验也体现了我国作为大国的责任担当和与日俱增的科技实力。搭载在天宫二号上的一个量子密钥分发终端，就是对其宏伟成就的一个注脚。相关研究成果于8月18日发表在学术期刊《Optica》上。

内容来自墨子沙龙“载人航天发展历程”线上活动（2022年7月2日），演讲者是中国首批航天员潘占春老师。各位观众，大家好，我是潘占春。今天非常有幸能和大家线上交流，希望能给同学们、年轻的朋友们带来兴趣的启发，也希望能给你们将来的职业生涯起到良好的向导作用。我非常欢迎你们能够加入到我们国家的载人航天队伍里来。说起航天，就离不开航空，航天是在航空的基础上发展起来的。第一架飞机是谁发明的？可能很多人想到的是美国的莱特兄弟。而一个叫兰利的美国人，在莱特兄弟前发明了一架飞机，并突发奇想，想在船上利用弹射的方式把飞机发射起飞。这个项目是受到美国政府资金资助的，当时美国的《纽约时报》发表了一篇文章，说比空气重的东西一万年也飞不起来，你在浪费政府、纳税人的金钱。兰利试验的这架飞机，很不幸出了点儿意外，一头栽进了河里。而在一个星期之后，在家门口修理、售卖自行车的莱特兄弟的飞机却成功飞起来了。兰利很不幸，没有获得首次发明飞机的称号。但是，美国人并没有忘记他，美国的第一艘航母叫兰利号，是对一艘运煤船简单改装而成的，后来在战争中被击沉了；现在NASA的兰利实验室，也是用以纪念这位飞机的先驱。早期的飞机都是活塞式的。莱特兄弟的飞机飞起来后，在欧洲、美洲掀起了一股航空热。有一个老电影，叫《飞行器中的好小伙》，比较能反映当时人们努力追求飞上天的感觉。当时的飞行员如果在空中见了面，还会比较热情友好地用各种语言打打招呼、打打手势。而随着第一次世界大战的到来，飞机逐渐进入了军事领域。一开始飞机被用作侦察机，到敌方的阵地上探查敌方的布防情况，比如人数、火力、战壕、堡垒是什么样。后来有一次，一个飞行员突发奇想，把手榴弹带到了飞机上，跑到敌人的阵地上扔下一枚手榴弹，这就是最早轰炸机的雏形。等到后来，飞机与飞机之间见面就不是那么友好了，飞行员见面会互相拔出手枪射击。当时飞机速度很慢，也没有各种先进的机载武器，只能拿手枪互相射击。后来人们把步枪、机枪、炸弹，所有能想到的武器统统搬到飞机上去。但是，机载机枪有一个问题，早期的活塞式飞机，螺旋桨在飞机的头部，如果机枪安装在机翼上，就和瞄准具不共轴，瞄不准。如果装在中心线轴线上，容易打坏自己的螺旋桨。这就出现了矛盾。有一个德国人很聪明，他想到一个办法，利用螺旋桨旋转的间隙射出子弹，做成一种机枪与螺旋桨的同步装置。很快，飞机的火力就得到增强，飞机击落飞机的次数也逐渐增加。等到二战后期，德国人率先发明了喷气式战斗机，但是还没有来得及进入战场大规模空战，德国就投降了。上个世纪50年代，朝鲜半岛上发生的战争，是世界上第一次大规模的喷气式飞机空战，自此飞机进入了迅速发展时期。现在的飞机，从用途上来看，有民航客机，大型的轰炸机，对地的攻击机，也有像歼-20一样的隐身战斗机。世界航天发展历程第二次世界大战结束之后，形成了两大集团，一个是以美国为首的北约组织，一个是以苏联为首的华约组织。这两大阵营在文化、科技、战备等各个领域开展了竞争，即所谓的冷战。苏联召集了一些科学家，举全国之力，开始向太空进军，并在1957年发射了第一颗人造地球卫星。这个卫星是一个球形体，重达80公斤，具备一定的通信能力。美国人听说苏联人发射了卫星，当时的总统艾森豪威尔不太淡定了。一开始他并没觉得有太大问题，等到苏联人把第二颗卫星发射上天，并且在里面装进了一条叫莱卡的小狗后，美国人开始着急了。对美国人来说，每天都有一条苏联的狗在头上飞来飞去，天空跟以往似乎都不太一样了。艾森豪威尔紧急指令，“我们也要放卫星”。但让哪个部门放呢？当时美国海军掌握了很多远程打击导弹的科技力量，他就指派美国海军放一颗卫星。于是美国海军仓促上马，发射了一颗小卫星。这是为政治目的服务，而完全不讲科学，因此不出所料地失败了。直到苏联卫星上天119天之后，美国终于将另一颗小卫星发射升空，虽然这颗卫星仅仅不到苏联第一颗卫星10%的重量，但也挽回了一点面子。苏联人在太空领域竞争中率先拿到一分。苏联卫星上天119天之后，美国终于将另一颗“小月亮”也挂到了天上苏联第二颗卫星里放了一条莱卡的小狗，他们要印证人能否走到太空里。当时人们对外太空的了解非常有限，太空里有没有空气，有没有压力，有没有重力等等，一无所知。当时还没有考虑到宇宙射线对人的危害。所以说，加加林在1961年的首飞冒着极大的风险。但是苏联人还是比较争气的，4月12号，加加林乘坐“东方1号”，用1小时48分钟绕地球飞行了完整一圈，最后落地了。在太空竞赛当中，苏联连得两分。尤里·阿列克谢耶维奇·加加林美国人更不淡定了，他们也在搞载人航天，但是一直追在苏联的后边。加加林4月12号飞天，美国人是5月5号，没差几天。但是准备还是相对不足，只飞了15分钟，且刚刚到达100公里的高度。100公里是什么概念？航空和航天的一个分界线，就是在100公里，叫做卡门线。100公里以下是稠密大气层，100公里以上也有大气，但迅速稀薄起来。阿兰·谢泼德刚刚飞到卡门线就落回地面了，被苏联人轻蔑地称之为“跳蚤的一跃”。前几年亚马逊的创始人贝索斯搞了一个亚轨道飞行的飞船去体验失重，他的飞船叫“新谢泼德号”，就是为了纪念美国第一个飞天的宇航员谢泼德。阿兰·谢泼德苏联的“东方号”、“上升号”一直在紧锣密鼓地进行，美国这边的“自由钟”等也在进行，但是一直落后于苏联。肯尼迪当选美国总统之后，他在美国国会咨文中提到，要在1970年之前把美国人送到月球上去，我们不能永远地落后于苏联。1961.7.21，“自由钟"7号1967.1，

今年春夏之交，上海进入全域静态管理，市民们齐心协力抗击疫情。然而看似“停下来”的城市并没有静止，无数平凡而伟大的人们以各种方式贡献着自己的力量。有这样一群科研人员，他们当时正面临一项重要而时间紧急的任务。这项科研任务，需要精密、细致的调试和攻关，容不得半点差错，同时，还不得不应对紧迫的时间。在无法进行人员交换的现实情况下，位于中国科学院微小卫星创新研究院临港园区的科研团队，靠着仅有的10余人，日夜轮班，相互打气，终于赶在预定时间完成了任务。是什么任务，时间如此紧迫，还如此容不得错呢？答案在今天揭晓。今日中午12点12分，在我国酒泉卫星发射基地，由中国科学院力学研究所和广东中科宇航智能技术有限公司联合研发的我国起飞量级最大的固体推进剂运载火箭——“力箭一号”进行首飞。“力箭一号”的首秀可谓重任在肩，它带着六颗卫星一飞冲天，它们将在各自的轨道完成不同的使命。其中有一颗卫星，就是世界首颗作为量子密钥分发终端的微纳卫星——“济南一号”。“济南一号”由合肥国家实验室牵头研制成功，团队成员平均年龄仅仅约30岁，从2020年5月立项算起，他们已经为这颗小卫星奋斗了整整两年。说起量子通信，2016年成功发射升空的“墨子号”科学实验卫星是家喻户晓的大明星。在太空中运行的这几年，“墨子号”除按预定计划完成了既定任务之外，还超额完成了多项拓展实验，并且至今仍在超期服役：借助位于“墨子号”，人类第一次在太空和地面之间完成了量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态等科学实验，并且也实现了洲际量子密钥分发和基于纠缠的无中继量子密钥分发等实验。这一系列开创性成果，结合地面上的量子保密通信“京沪干线”，为天地一体化量子密钥分发网络的建立打下了坚实基础。虽然“墨子号”在量子密钥分发方面具有划时代的意义，但是从实用的角度说，想要建立完整的、具有广泛应用意义的全球量子保密通信网络，仅有一颗“墨子号”还远远不够。根据量子密钥分发的原理，双方要想共享一个“密码本”，除了需要通过量子信道传递光子，还需要经典信道进行“对照”，进而知道手上哪些光子可以生成需要的码。所以，经典信道畅通与否、效率高低，直接影响量子保密通信网络的实用性。在这一点上，发射于六年前的“墨子号”有一些不足，其经典信道采用的“微波”，需要借助现有的地面微波测控中心进行经典数据交互，受制于有限的信道资源，成码效率始终难以提升。此外，“墨子号”通信时间短、覆盖范围小、成本高等短板，也需要在后来的“量子星座”建设中加以改进。此次发射的“济南一号”正是将目标瞄准“实用性”，围绕上述短板攻艰克难，探索出“低轨微纳卫星+小型化地面站”技术路线。我们了解到，此次发射的“济南一号”可谓是高性价比的代表，在小型化、低成本、实时成码三个方面取得了不小的进步。与“墨子号”相比，“济南一号”成功“瘦身”，它的量子密钥分发终端仅仅重约23公斤，是“墨子号”的五分之一。在诱骗态光源方面，“济南一号”光源频率比“墨子号”提升了六倍，且采用了单激光器方案，有效降低了侧信息泄漏风险。尤其值得一提的是，“济南一号”采用光通信作为经典信道，利用卫星—小型地面站之间的光通信，配合地面站分钟级的密钥提取效率、约100kbit的单轨成码能力，星地之间密钥生成时效性较“墨子号”提高2-3个数量级，还具备了同步数据传输能力。此外，经典安全防护设计得到了加强，能够与现有的通信系统安全体系更好地兼容。济南一号实拍图今年三月，在完成了量子载荷的研制之后，团队紧锣密鼓地投入到了整星的联调联试中。整星质量约为98公斤，除了载荷模块之外，还配备综合电子模块、姿控模块、推进模块、太阳电池阵以及其他必要的测控装置。虽然载荷本身已经通过验收测试，但作为必须运行在太空中的整星，将会置身于温度、振动、磁场等各种极端的外部环境，所以还是要通过层层考验。我们开头已经提到，当时正值上海疫情最特殊的时期，在3月到6月期间，科研团队在人员有限、无法补充的艰难条件下，超负荷运转，终于在6月8日完成整星相关所有调试工作，将其运送酒泉。据悉，“济南一号”量子微纳卫星在成功发射之后，仍需进行为期一个月的在轨测试，之后将正式投入运行，完成与量子密钥分发相关的各类科学实验和应用推广。对于完整的空地一体广域量子通信网络体系来说，“济南一号”只是其中低轨卫星网络的开始。因为，想要最终实现实用化、全球化的量子通信网络，满足数目日益增长、现实需求不同的客户，必须科学布局中高轨量子卫星、低轨量子通信卫星星座和大规模的地面光纤量子通信网络，根据实际需要，三个体系相互配合。但同时，“济南一号”又是重要的一大步，它标志着我国将在世界上首次实现基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发。未来，位于低轨的“济南一号”不会寂寞，它将会迎来另外几个“兄弟姐妹”，这几个低轨的量子密钥分发终端，可以为全球大约100多个用户提供高频、安全的量子密钥服务。由于微信公众号试行乱序推送，您可能不再能准时收到墨子沙龙的推送。为了不与小墨失散，

古希腊哲学家认为世界由4种基本元素火、气、水、土组成，我国古代有类似的思想，把五行视作世界的本原。柏拉图学派还认为，物质世界和几何存在着神秘的联系，并知道了存在5类正多面体：正四面体、立方体、正八面体、正二十面体，以及正十二面体。古希腊人将柏拉图正多面体中的四种与组成物质世界的基本元素火、气、水、土联系了起来，而将正十二面体给予了天上世界：“神使用正十二面体以整理整个天空旳星座”。（图来自彭罗斯《通向实在之路》）在这些朴素的思想中，我们看到了“分类”的重要意义。人们希望能对世界有全面的理解，根据物体性质上的不同将其分门别类，是这一雄心的一种体现。分类，将世间万象囊括，并赋予它们以秩序。在近现代科学中，分类的重要性有增无减。物理学中的粒子标准模型、化学领域的元素周期表、生物学的界门纲目科属种，等等，无不体现了“分类”的思想。“分类”同样是数学研究的重要目的，数学家们对数学对象的性质开展研究，并依据性质的不同进行分类。正如数学家、数学教育家W.

(2017)]；完成了首个地星量子隐形传态以及星地量子态远程传输，证明了在地星千公里距离上能够完成量子比特的传输，为全球化量子信息处理网络奠定了基础[Nature549,

【视频回放】我爱物理的十个理由内容来自墨子沙龙在中国科学技术大学附属中学举办的线下活动（2021年12月）。各位同学们、老师们，大家下午好，今天我的报告题目是“我爱物理的十个理由”。好多朋友说：“真正的爱还需要理由吗？”如果能找到一个你不需要理由就能爱上的事、爱上的人，那当然是最幸运的。“我爱物理的十个理由”其实可以这么来理解，就是“科学的乐趣”。为什么要有理由呢？往往我们站在人生的十字路口，需要选择的时候就要权衡。当有的同学要上大学填志愿，你可能就在一个十字路口。这幅漫画说的就是一个小朋友在选择自己未来的理想。他的心目中，如果选择其他的职业，就是大把的票子，非常

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分，以超过判据43个标准差的实验精度证明了复数在标准量子力学形式中的必要性。这个实验的优势是确定性的纠缠交换和量子比特测量，关闭了探测效率潜在的漏洞。

虎虎生威过新年！春节刚刚过去，在冬奥会的雪场冰面之上，体育健儿斩金夺银，为国增光；而在另一片更加“极寒”之地——超冷原子和分子领域，我国科学家们也不断取得新的突破。几天之前，中国科学家首次观测到费米超流中的熵波临界发散，研究成果发表在Science上，被认为是“令人惊叹的实验杰作”、“有望成为量子模拟领域的一项里程碑”（科普解读）。而小编今天得到的最新消息，中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，首次在超冷原子分子混合气中实现三原子分子的相干合成，向制备和操控超冷三原子分子气迈出了重要的一步，并为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新的道路，该研究成果发表在Nature上[Nature