《纪事》对话克劳斯•里希特

为纪念2025年国际量子科技年，《联合国纪事》向德国物理学会主席克劳斯•里希特(Klaus Richter)教授就量子物理学的本质及其对人类的潜在益处提出了一系列问题。本次采访旨在帮助读者理解这一高度复杂的科技领域。

采访

国际量子科技年旨在提升公众对量子技术及其变革潜力的理解。您能否为我们广大读者解释一下什么是量子力学？为什么量子力学很重要？

从行星运行到台球运动，经典力学解释了我们周围的宏观世界。但在微观世界中，经典力学却不适用。作为量子物理学的理论框架，量子力学填补了经典力学在微观世界的空白，描述了分子、原子乃至更小粒子的行为与相互作用。在经典物理学中，能量是连续变化的，而在量子物理学中，能量只能取离散值，并呈阶跃式增长。因此，能量是最小“能量单位”（即“量子”）的整数倍。

量子力学极大地丰富了我们对世界的认知，使我们得以理解原子宇宙。量子力学始于1925年，当时只是模糊理论，如今却让我们能够理解自然：为什么太阳会发光？是什么将原子结合在一起？为什么有些分子会导致全球变暖，而有些分子则不会？为什么某些物体具有磁性？所有这些日常现象都只能通过量子物理学来解释。

此外，量子力学还催生了革命性的技术发展，现已成为日常生活不可或缺的一部分：例如，作为计算机和手机等智能技术核心组件的晶体管、作为节能光源的发光二极管、全球定位系统、“千克”的新定义标准以及作为医学诊断重要工具的磁性共振成像。量子力学对科学、技术、文化与艺术的各个领域都产生了影响。

您曾经指出，“在量子物理学成功走过100年之后，我们即将迎来第二次量子革命”。在您看来，量子科技的进步将对我们的生活产生哪些重大影响？

“第一次量子革命”始于20世纪中叶，以能量量子和量子粒子的波动性为基础。“第二次量子革命”则始于21世纪初，这次革命的基础在于我们正日益具备完全操控光子、原子等基本粒子的量子行为的能力。这些成就可能为我们未来思考计算、测量和信息处理方式开辟了新的路径。部分量子技术产品已经投入使用，例如原子钟，而其他产品也即将从研究阶段迈向首次商业应用，例如量子计算。借助新的量子算法，量子计算机有朝一日能够解决一些高度复杂的新问题。复杂的量子纠缠方法是“第二次量子革命”的另一个标志，量子纠缠方法可能会催生全新的传感器技术。

我认为，在量子应用领域，创造力是无限的。未来的量子技术很可能再次深刻影响我们的世界。但我们根本无法预知遥远的未来，不知道这一切会在何时以何种形式发生。在此，量子技术过去100年的演进或许能给我们一些启示：1950年代的激光或单原子操控等突破在当时完全是无法预见的。我们应当怀揣着想象力，去期待遥远未来那些意想不到的事物。

如今，我们日益感受到大数据和人工智能系统的快速发展与应用。这些系统受到量子科技多大的影响？您认为量子物理学在人工智能领域（以及人工智能在量子物理学领域）存在哪些风险与机遇？

过去十年，高性能计算的进步尤其推动了大数据应用、人工智能和机器学习在全球范围内的快速与革命性发展。处理器以及制造工艺都基于高度先进的量子技术，涉及半导体材料和远紫外线激光技术。因此，没有量子力学，人工智能的蓬勃发展就无从谈起。

人工智能的基础源于物理学，而大数据早在获得如今的广泛运用之前，就已经是粒子物理学等领域的一个研究课题了。现如今，机器学习方法也正越来越多地应用于物理研究和开发，因此当然也用于设计新的量子技术。

我们正目睹人工智能、量子物理学和量子计算领域的研究方法日益交织融合。例如，现在受物理学启发的机器学习以及量子机器学习等研究领域将量子算法整合到机器学习程序中。量子算法与人工智能两种方法高速发展、交叉结合，无疑带来了超乎想象的协同效应。然而，高速发展也潜藏着风险。

德国物理学会是国际量子科技年的发起合作伙伴之一，作为该学会主席，您认为量子科学100年来的发展历程，对您推动国际量子科技年目标的实现有哪些启示？

100年前，德国格丁根为创建我们如今所知的量子物理学发挥了核心作用。1925年，量子力学的基本定律在格丁根首次提出。因此，国际量子科技年对德国物理学界而言具有特别的意义。德国物理学会将2025年全年都献给了量子物理学！我们将庆祝量子物理学的成就，尤其聚焦量子力学的未来前景。

为此，今年，德国物理学会推出了一项全面的外联方案，涵盖五个主题方向：第一，研究与量子技术中的量子物理学；第二，校园中的量子，玩转量子：现代量子技术可以为教学注入新动力，提高公众意识并全面扩大自然科学教育；第三，音乐、哲学、艺术、电影和文学中的量子；第四，职业领域、职业生涯及社会关系中的量子；第五，通往现代量子世界及更广阔领域的道路。

量子理论是人类对所处的世界最伟大的基本认知之一。我们可以热情拥抱量子理论，但不应对可预见的未来许下过多的承诺。德国物理学会强调量子科学具有极其重要的意义，并主张大力推动对量子物理学基础的自由且深入的研究。同时，作为百年遗产的一部分，科学也应承担责任，伴随量子技术的新发展，造福人类，并谨慎考虑量子技术可能产生的社会影响。我们要需保持信息透明，向社会公开量子技术蕴含的机遇与潜在风险。从历史的角度看，且在当前全球形势的背景下，量子技术的战略安全潜力同样显而易见。

您曾指出，物理学对实现向安全的无化石能源供应的必要转型应发挥关键作用。对于量子科技在解决气候危机方面所具有的潜力，您有什么期望和期待？

在我们当今面临的诸多重大全球挑战中，快速的气候变化无疑居于首位。为缓解气候变化，物理学在实现能源去化石化的必要转型过程中正发挥着并将继续发挥关键的作用。对此，光伏就是量子物理学应用的典型例子，它有可能迅速解决气候危机，而这个问题十分紧迫。国际能源署预测，未来十年，光伏的增长速度将远远领先于所有其他电力供应来源，而且，光伏并非仅仅依赖于爱因斯坦在100多年前发现的光电效应：如今的高科技太阳能电池板所涉及的量子和半导体技术要广泛得多。然而，为了向可再生能源的快速、大规模转型以及实现可持续能源管理，还需要在储能系统和（智能）电网方面进行进一步的研究与开发。

此外，尽管保持技术全速发展至关重要，我们也不能忽视长远规划。

包括用于实现无化石化能源生产的基于量子物理学的技术，例如核聚变。核聚变技术实现大规模商业化电力生产仍需数十年，因此尚无法满足限制全球变暖的紧迫需求。然而，核聚变的研究与开发应视为一项长期的解决方案，持续得到推动和支持。

国际量子科技年活动正在世界各地举行，促进跨国界、跨文化的科学对话，激励年轻人为下一个量子世纪做出贡献。您如何看待多边主义对于确保全球持续关注及投资量子及其他各类科学的价值？

在当今全球范围内社会内部和社会之间都出现分裂趋势的背景下，我坚信，国际科学界的多边合作网络建设比以往任何时候都更为重要。

在国际量子科技年，德国物理学会将组织一系列精彩活动，促进量子科学的国际交流。例如，在德国物理学会今年的三月会议上，加纳作为主宾国，成了一场专题讨论会的主角。此外，今年秋天，我们将在量子力学的发源地格丁根举办一场大型国际会议，全面探讨量子物理学的各个方面。值得一提的是，在德国物理学会几位同事的支持下，我的同行，南非德班夸祖鲁-纳塔尔大学的托马斯•康拉德(Thomas Konrad)6月底举办了一场题为“非洲量子科技”的大会，旨在构建泛非量子网络。

另一方面，量子技术的快速发展也蕴藏着再次造成全球依赖的风险。我们谈到数字主权的时候，这个概念当然也应适用于量子技术。

成为一名凝聚态物理学家是一种什么样的感受？您的工作如何影响您看待、体验世界的方式？您目前的研究工作和研究计划是什么？

在物理世界的两极之间，即在基本粒子的微观世界和天体物理学的宏观世界之间，存在着一个迷人而多层次的世界：凝聚态物质世界。乍一看，对于物质我们似乎都很熟悉，因为在我们身边，物质随处可见。但要了解物质和材料为何有自身的属性，特别是如何在21世纪制造出迷人的新型材料属性并实现新技术，量子物理学再次发挥着至关重要的作用。

在研究过程中，一方面我们要处理由若干原子层组成的超薄材料。你可以想象，这些材料是像乐高积木一样堆叠在一起的。这些量子材料中的电流由量子效应支配，我们计算过如何在未来的电子元件中巧妙利用量子效应。此外，我们正在研究量子控制，即如何稳定、切换和控制量子力学对象，也涉及未来量子计算设备的操作。

因此，作为凝聚态物理学家，量子物理学就是我们的日常生活：无论是我的讲座、研究，还是与同事和小组成员的日常讨论，都围绕于量子物理学。从某种意义上说，我们量子物理学家是在混合领域中工作，既包括具有反直觉现象的量子世界，也包括我们的现实世界。

《联合国纪事》感谢里希特教授分享他对量子科学及其日益增长的全球重要性的专业见解。