20世纪初，26岁的爱因斯坦首次提出光量子概念，此后的100多年里，人们孜孜不倦地研究光。中国工程院院士、上海市科协主席陈赛娟表示，从产业角度看，以微电子为基础的信息技术必然会达到物理极限，给信息技术的纵深发展带来挑战，而基于量子特性的信息研究领域将成为未来各国激烈竞争的焦点。

目前世界关于光子的最前沿的领域是什么？

这其中又有何未解之谜？

它对我们的生活有什么影响？

前天，世界顶尖科学家论坛（上海滴水湖）光子科学与产业论坛上，来自全球的众多诺贝尔奖得主和中国两院院士齐聚一堂，在这个汇聚全球“最强大脑”的论坛上，光子科学与产业的思想火花激烈碰撞。

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基础研究：解决未解之谜的唯一途径

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“科学家的工作就是通过科学的观察和实验，提出很多新的问题，并通过我们构建和发展的理论，探索新的问题和答案。”2004年诺贝尔物理学奖获得者戴维·格罗斯在论坛上说。那么光子科学的前沿和最新问题是什么呢？从宏观上讲，他觉得引力波的发现进一步推动了人类对黑洞和宇宙起源的探索。“未来10年，天体物理学家将进一步观测成千上万个相撞的黑洞和恒星，以及来自宇宙早期形成时期的引力波。”

2011年诺贝尔物理学奖获得者亚当·里斯认为，暗物质是当前物理学界的一大未解之谜。暗物质是科学家们用来指代未知物质的统称。在新标准宇宙学模型中，整个宇宙的5%是由人类熟悉的粒子组成，这些粒子可以在元素周期表中找到，另外25%以暗物质的形式存在，而整个宇宙的70%则是暗能量。“很多人问为什么要研究暗物质和暗能量，其实人类只能通过引力的作用感受到它的存在，至于它的本质是什么，我们无从得知。”亚当·里斯说，如果不了解这些占据整个宇宙大部分的物质和能量，就很难探索宇宙的本质和起源。

在微观层面上，量子力学是微观物理学的整个基本框架、基本逻辑、基本语言。与经典物理学相比，量子力学的基本框架是全新的，也是对经典物理学逻辑的延伸甚至是颠覆。

“在我们整个时空中，量子纠缠导致整个时空的几何结构发生改变。”然而，在霍金的“黑洞悖论”中，量子物理理论再次受到质疑。“黑洞悖论”认为，黑洞一旦形成，就会开始向外辐射能量，最终黑洞会因质量的损失而消失，黑洞内部的信息也就随之消失。量子物理学认为，像黑洞这样质量巨大的物体，其信息不可能完全丢失。大卫·格罗斯表示，黑洞巨大的引力场在一定程度上摧毁了量子物理理论。

“有些人可能会灰心，但我们看到，虽然现在面临很多挑战，但我们仍在竭尽全力前进。”戴维·格罗斯激动地说，“对于我们的时空来说，或许一个全新的理论已经开始浮现。我认为研究的最佳时机就是现在。”

“基础科学与发现是一切学科进步的源泉。”2006年诺贝尔化学奖获得者、世界顶尖科学家协会主席罗杰·科恩伯格在致辞中说，“我们相信，基础研究可能是解决未来这些难题的唯一途径。”

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量子物理的应用：巨大的空间和潜力

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1959 年，物理学家理查德·费曼在一次演讲中提到了“信息倍增”的概念，设想可以将 24 卷大英百科全书的内容放在一根针尖上，将加州理工学院图书馆的所有内容放在一张小卡片上。要知道，当时计算机的计算能力还没有我们现在口袋里的手机那么强大，当时的真空管和计算机还非常庞大。

如今，用二进制来整合信息已是小菜一碟。而且，2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克表示，当研究领域从宏观物理拓展到量子力学时，科学家发现空间的“密度”远大于我们想象的，信息量也超乎想象，远超常识中的三维。维尔切克强调：“量子物理学还有很大的研究空间，也有巨大的应用和转化潜力，等待未来科学家去探索。”

量子力学这个曾经被认为是不完备甚至是荒谬的理论，现在已经在很多领域得到了尝试甚至应用。

基于量子态的叠加原理和纠缠特性，科学家发明了量子密码技术。“经典加密方法建立在计算复杂度的基础上，随着计算能力的不断提升，再复杂的经典加密方法也可能被破解。”量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士表示，量子通信已被证实具有绝对的安全保密性，并在此基础上形成了量子信息产业，将量子通信推向社会应用领域。

2013年，NASA将视频信息调制到光子上，成功将一段视频从月球传回地球，表明光子通信在月地通信、深空探测等领域有着巨大的应用前景。潘建伟透露，他们还正计划启动新项目，建立地球与月球之间的超长纠缠分发。我国还将发射更高轨道的量子通信卫星，争取实现万公里级的量子通信，覆盖全中国，让空地量子通信进入应用阶段。

此外，由于量子态的神奇特性，全球范围内也正在开展量子计算机的研发。“在量子计算机中，计算能力将拥有想象的空间被无限放大。”2012年诺贝尔物理学奖得主Serge Haroche形象地解释道，“量子物理的应用就是驯服薛定谔猫的过程。如果量子物理能够驯服或缓和薛定谔猫的状态，破坏量子关联，计算能力将大大提高，但这对我们来说是一个很大的挑战。”