它不是具体粒子，却“构筑”起我们身处的世界
原创 科技日报 1月29日◎ 科技日报记者 吴长锋

编者按：中央经济工作会议指出：科技自立自强是促进发展大局的根本支撑，只要秉持科学精神、把握科学规律、大力推动自主创新，就一定能够把国家发展建立在更加安全、更为可靠的基础之上。近年来，量子科技发展突飞猛进，成为促进高质量发展、保障国家安全的重要力量。

据此，科技日报今起推出量子科技系列报道，关注量子科技的发端与发展。

量子力学是微观物理学依赖的基本理论框架，自其提出一百多年来，在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功。从九章量子计算机原型的发布到证明广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已成熟，中国科学家过去几年在量子科技领域取得了跨越式的发展。

量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观深入到微观，是近400年现代科学发展史上一个革命性飞跃，也是公认的上世纪最伟大的科学发现之一。

在深入了解量子力学之前，我们需要弄明白，究竟什么是量子？我们这个复杂的物理世界，是如何由微观粒子构建而成的？

量子不是“子”，而是一种物理学概念

物质是由原子组成的，原子是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么粒子？它跟电子、质子、中子相比如何呢？

事实上，量子只是一个物理学概念，不是实物。一个事物如果存在最小的、不可分割的基本单位，我们就说它是可量子化的，并把其可分割的最小单位称为量子。所以说，量子并不是具体的实在粒子。

打个比方来说，我们在统计人数时，可以有一个人、两个人，但不会出现半个人。再比如上台阶时，人们只能迈上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说，一个人就是一个量子；对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。

同样的，电子最初是在阴极射线中发现的最小单位，那么我们就可以说电子是阴极射线的量子。而光子就是光的量子，一束光至少也要有一个光子，否则就没有光了。

以上这些例子是物质组成的量子化，还有一类是物理量的量子化。假设你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/小时、20千米/小时或80千米/小时的速度行驶，这些数值之间的速度是不允许出现的。换挡的时候，你突然就从5千米/小时跳转到20千米/小时，速度的变化是瞬间发生的，几乎觉察不到加速的过程。能量的取值由连续任意变成离散特定，并且存在一个固定的最小值，其它值只能是最小值的倍数。这就叫做物理量的量子化。

科学研究证实，在每一种原子和分子中，电子的能量都是量子化的。不只是能量，还有电荷、磁矩、角动量等许多物理量，也是量子化的。

物质组成的量子化和物理量的量子化，都说明量子化是微观世界的本质特征，量子力学也因此成为了科学家描述微观世界的基础理论。

在量子力学出现后，人们就把传统的牛顿力学称为经典力学。可以举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别，经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：晶体管要么导通，要么关闭，完全确定。即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。

但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。

量子概念的提出，源自一场与光的邂逅

量子概念的提出，始于德国科学家普朗克发现了黑体辐射的不连续性无法通过经典力学来解释。

通俗一点说，就是一个完全黑的物质会吸收一切光线，但是光被黑体吸收的过程不是连续的。人们一开始不知道光是由光子构成的，所以认为黑体吸收光线应该是连续的。但是实验数据却表明，黑体吸收光线是一份一份的，并不是连续的，这是人类首次发现能量的量子化特性。

这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门，它的发现者——普朗克也因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

1905年，爱因斯坦做出了三项震惊世界的重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应。光电效应被认为是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

简单地说，光电效应就是当某一光子照射到对光灵敏的物质上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量之后，动能立刻增加，如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

此前，牛顿的经典力学理论中提出，能量是连续的，但是光电效应现象昭示出世界不再是线性的，而是非线性的。前辈科学家通过思考光的本质，最早提出了量子的概念。所有微观世界中的粒子，包括原子、原子核、电子以及光子，全都是量子的，而且它们全都不满足牛顿力学的规律。这背后是人类从未涉足的领域——微观量子世界。

到二十世纪三十年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述。现在科学界公认，量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。

费米子和玻色子，是量子世界存在的基础

既然描述微观世界必须用量子力学，而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。所以有必要先了解一下物质粒子的量子属性：费米子和玻色子。

随着量子力学的深入研究，科学家发现，在微观世界中，很多微小的粒子并不是固定不动的，其中比较重要的一个性质就是粒子自旋，这与地球自转的效果差不多。自旋是粒子的一种与其角动量（可理解为半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处在于，自旋是量子化的，也就是说，它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。

物理学家将不同自旋的粒子分成了两种。一种自旋是整数的粒子被称为玻色子，以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名，光子就是生活中最常见的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整数，被称为费米子，以意大利物理学家恩利克·费米命名，电子就是典型的费米子。

科学家通过实验发现，两个玻色子交换，它们的波相加，所以两个玻色子喜欢待在一起，有亲和力；两个费米子交换，它们的波相消，所以两个费米子无法待在一起，互为排斥。这就是有名的泡利不相容原理：两个费米子不能占据同一个状态。

因此，原子中的电子必须占据不同的轨道。所以当原子带有多个电子时，电子按能量由低到高，依次的填充不同的轨道。当电子数目不同时，电子的轨道占据构形也是不同的。因为原子的形状，主要是由最后被占据的同颜色轨道所决定的，我们发现，带不同数目电子的原子，会有不同的性状。这导致了原子的丰富形状和丰富的化学活性，这是复杂生物世界存在的原始基础。

但是只有费米子是构不成物质的，必须有东西把费米子装配起来才能构成物质。说白了，我们还需要费米子之间能够相互作用，而传递这个相互作用的粒子的统称就叫做玻色子。

总的来说，物质的基本结构是费米子，而物质之间的基本相互作用却由玻色子来传递。费米子和玻色子，就是我们这个世界存在的微观基础。


美国黑名单瞄准中国超算，“卡脖子”只会加速中国科技进步
来源：科技日报 2021年4月11日

美国针对中国科技力量的“黑名单”再次拉长。

4月8日，美国商务部网站公布，7家中国超级计算机实体被列入“实体清单”。从这7家实体看，飞腾、申威是国产CPU芯片的代表性企业，四家国家超算中心，则在算法和模型训练上颇具实力，美国对中国超算的打击可谓不遗余力。

关键核心技术是买不来、要不来、讨不来的！百年未有之大变局，对我国科技创新提出了更加迫切的要求。把国家发展和安全的主动权牢牢掌握在自己手里，必须依靠自主创新，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。

为遏制中国发展，美恶意打压中国高科技企业

当地时间4月8日，美国商务部发布公告宣称，已将7家中国超级计算机实体列入所谓“实体清单”，声称其涉嫌“破坏军事现代化的稳定”，“从事的活动有悖美国国家安全或外交政策利益”。

美国商务部公告显示，涉及实体包括天津飞腾信息技术有限公司、上海高性能集成电路设计中心、成都申威科技有限责任公司，以及国家超级计算济南中心、深圳中心、无锡中心、郑州中心。

这7家实体为何被盯上？美商务部官员表示，这7家机构均参与了中国希望打造的世界首个E级超算（每秒百亿亿次浮点运算）的研发项目。而目前正在无锡中心运营的“神威·太湖之光”，则是世界上首台峰值运算性能超过每秒十亿亿次浮点运算能力的超级计算机。

7家实体中，申威背靠无锡江南计算所，主要研发CPU芯片。2010年，国家超算济南中心采用了申威CPU；2016年，申威的CPU又用在了无锡“神威·太湖之光”超算里，帮助其连续三次登顶世界超级计算机TOP500，并且实现了CPU和操作系统的全部国产化。

2009年5月，科技部批准成立国家超算天津中心，随后又批准成立了深圳、济南、长沙、广州、无锡5家国家级超算中心。被列入“实体名单”的国家超算郑州中心，2020年10月刚刚通过科技部组织的专家验收，是全国第7家批复建设的国家超算中心，也是科技部出台认定管理办法后批复建设的首家国家超算中心。

4月9日，外交部发言人赵立坚表示，美国政府为了维护自身科技垄断和霸权地位，遏制中国发展，一再泛化国家安全概念，滥用国家力量，滥用“实体清单”，不择手段恶意打压中国高科技企业，中方对此坚决反对。针对美方的有关措施，中方将采取必要措施，坚决维护中国企业的合法权益。

中国超算的飞速进步，引起美国警惕和打压
超级计算机，为何备受瞩目？

顾名思义，超级计算机，是具有很强的计算和处理数据能力的计算机。一般来说，超级计算机的运算速度平均每秒1000万次以上，存贮容量在1000万位以上。

美国在超级计算机领域很长一段时间处于领先。

尽管起步晚，但中国从“银河”到“天河”“神威”等一系列超级计算机是世界范围内叫得响的品牌。中国超算不但实现了自主创新的诸多“第一”，而且接连几代登上世界“速度巅峰”。

2009年，我国发布峰值性能为每秒1.206千万亿次的“天河一号”超级计算机，成为美国之后第二个可以独立研制千万亿次超级计算机的国家。

2016年，国际超算大会公布新一期世界500强超级计算机排名，中国第一台全部采用国产处理器构建的“神威·太湖之光”成为全球最快的超级计算机，其系统的峰值性能、持续性能、性能功耗比等三项关键指标均为世界第一。在全球最强500台超级计算机中，中国占到了167台，数量首次超过美国。

本次被纳入“黑名单”的7家实体，或与中方打造的E级超算项目有关。E级超算是指每秒可进行百亿亿次数学运算的超级计算机，被全世界公认为“超级计算机界的下一顶皇冠”。

美国之所以对E级超算如此关注，主要因为超算对国民经济发展和国防建设都有着重要价值，在很多领域都有重要应用。

中科院计算所研究员、中国计算机学会高性能计算专业委员会秘书长张云泉指出，E级超算在解决人类面临的健康危机、能源危机、环境污染和气候变化等重大问题上能发挥巨大作用。“从目前来看，E级超算主要面对一些具有重大计算的需求，如全球气候变化模拟、天体物理大数据的处理、模拟宇宙的演化、新型材料验证及无库存核武器仿真等。”

公开报道显示，美国去年相继宣布建造“极光”“前沿”和“酋长岩”三台E级超算，交付时间预计为2021年至2023年。而中国也在E级超算领域部署“三连发”，自主研发的E级超算“天河三号”原型机、神威E级原型机和曙光E级原型机系统已于2018年完成交付。

2015年4月，美国开始对中国实施超算芯片禁售，从产业链条和技术层面进行遏制。中国以创新为突破，完成了超算自主可控生态体系的初步建设。2016年6月，采用中国自主研发处理器的超级计算机“神威·太湖之光”成功接棒基于英特尔芯片的“天河二号”夺下第一；“天河一号”“天河二号”则小规模试用了自主研制的飞腾CPU。

此外，中国超级计算机在应用方面发展良好，高端应用连续两次获得国际高性能计算机的最高奖——戈登贝尔奖。

中国超算的飞速进步，引起了美国的警惕和打压。“超算能力对于许多，或许是所有现代武器和国家安全体系的开发都至关重要。”美国商务部长雷蒙多在一份声明中说道。

美国“清单打击”频频指向中国科技领域
美国近年来针对中方的技术打压，早已有迹可循。

2018年8月13日美国总统签署的“2019财年国防授权法案”明确禁止美国政府部门在通讯和视频监控等领域采购中国公司的服务与技术设备，包括但不限于华为、海康威视、大华科技、中兴等；2019年5月15日发布确保信息通信技术服务与供应链安全的行政命令，华为被美国商务部工业和安全局（BIS）正式列入“实体清单”。

2021年1月15日，小米、商飞、中微半导体等9家企业被列入所谓“清单”，并限制美国投资者交易这些公司的证券；1月14日上午，BIS宣布将中海油加入“实体清单”，对其进行出口管控；1月5日，特朗普在卸任美国总统前15天再发总统行政令，欲下架和限制支付宝、腾讯QQ、WPS Office等8款中国公司的应用软件。

美国政府的“清单打击”频频指向中国科技领域。美国政府主要以三个清单和总统行政令作为对中国企业的制裁手段，分别是实体清单、军事最终用户清单（MEU）、所谓“共产党中国军队公司清单”。这三个清单主要限制中国企业的供应链和融资，总统行政令则限制中国企业在美开展业务。上述制裁可以叠加使用。

三个清单中，最为熟知的是牵涉华为的“实体清单”，这也是美国各类经济和供应制裁中最严酷、历史最长的一种。自2019年5月起，美国政府针对华为开启了多轮供应制裁。简单说来，进入“实体清单”就意味着：美国供应商向其出口需要先获得美国政府发放的许可，而这类许可会受到严格的审核和限制。

其余两个清单则是美国政府在2020年大力推动的新制裁手段，均以企业涉及军工或者和军事关联为借口。二者的区别在于，MEU和实体清单均属于供应限制，由美国商务部主管，而所谓“共产党中国军队公司清单”则是从融资层面切入，意在限制美国人士交易公司的证券和衍生品，由美国国防部制定。去年12月，58家中国企业被列入首批MEU清单，包括上飞、西飞等多家飞机制造商；目前进入“实体清单”的则包括华为、大疆、中海油等几十家中国企业及实体；已被列入所谓“共产党中国军队公司清单”则包括中芯国际、华为、浪潮、中国电信、中国移动、航天科工、中国铁建等44家中国企业。

美国滥用出口管制等措施，严重威胁全球产业链供应链安全

“这不利于中国，不利于美国，也不利于整个世界。”4月9日，就美方宣布将7家所谓“支持中国军队现代化”的中国机构列入出口管制“实体清单”一事，商务部新闻发言人亮明立场，中方敦促美方立即停止错误做法，并将采取一切必要措施，坚决维护中国企业的合法权益。

美国出口管制制度对中国究竟会产生哪些影响？在广州大学粤港澳大湾区法制研究中心研究员王凌光看来，主要有四方面：一是增加中国企业技术引进的难度，二是影响中国企业对外国企业的投资收购，三是危及中国的关键产品产业链的供应安全，四是影响中美两国的科研合作、专家学者交流访学、留学生的自由流动。

制造业环环相扣，供应链不仅决定着成本控制，也决定着效率提升与产业安全。

2020年3月，美国波士顿咨询公司发布一项报告显示：针对中国公司的禁令将给美国的科学技术革新造成巨大损失，未来可能造成美国半导体公司的全球市场份额下降约8%，收入损失16%。如果美国在半导体领域完全与中国脱钩，将使美国损失高达18%的全球份额和37%的收入。

“供应链博弈与地缘政治博弈存在根本不同，套用传统思维推行霸权主义政策将不可避免地令整个供应链出现萎缩，其给任何一方带来的损失远远大于任何可能获得的收益。”中国现代国际关系研究院网络安全研究所助理研究员谭笑间说。

有专家分析指出，短期来看，中美两国供应链依然难以完全脱钩，美方为避免过分伤及美企在中国的利益、危及自身市场份额，仍会遵循“窄领域”“间歇性”等特征。同时，任何国家都不可能仅凭一己之力掌控整个供应链，也不可能长期占据供应链中的关键环节。只有坚持合作共赢，才能做大供应链的全球市场，实现科技的共同进步。

任何想要卡中国脖子的做法，只会加速中国的进步

技术创新是一个从基础科研到创新发展，再到市场扩散的过程。寻求技术的领导权，不仅需要完备的工业基础和研发支出，还需要扎实的基础教育和注重基础科学研究的科研体系、符合产业发展规律的金融市场，以及有一定容错率的社会氛围。
随着中国科技水平的稳步提升，尤其是在关键核心领域的持续加速，美国对中国的制裁很有可能会深入到毛细血管。可以预见的是，技术创新在一段时间内将成为美国遏制中国的关键词，同时也是中国能否突围的关键词。

“任何想要卡中国脖子的做法，只会加速中国的进步，让自己加速失去竞争优势。”今年两会期间，北京大学新结构经济学研究院院长林毅夫的这句话引起了广泛共鸣。

创新将如何改变中国？“十四五”规划纲要用一个个具体的目标为我们擘画了这样一幅图景——

全社会研发经费投入年均增长7%以上，基础研究经费投入占研发经费投入比重提高到8%以上，每万人口高价值发明专利拥有量达12件；战略性新兴产业增加值占GDP比重超过17%；加快5G网络规模化部署，用户普及率提高到56%；2025年，数字经济核心产业增加值占GDP比重提高到10%……

围绕实现科技自立自强，规划纲要打出了一套组合拳：瞄准科技创新源头，制定实施基础研究十年行动方案，重点布局一批基础学科研究中心；强化国家战略科技力量，健全社会主义市场经济条件下新型举国体制，打好关键核心技术攻坚战；深化人才发展体制机制改革，全方位培养、引进、用好人才，充分发挥人才第一资源的作用。

此外，规划纲要就深化科技管理体制改革提出实行“揭榜挂帅”“赛马”等制度。“英雄不问出处，能者尽展其才”，我们正迎来科技创新万马奔腾的全新局面。

无论是芯片、工业软件、航空发动机，还是新材料、新能源或更多领域，长远来看，要切实解决生产供应上的“卡脖子”问题，中国企业必须加快推进关键技术、软件、设备的研发生产工作。正如华为在一封全员信中写道的，“前路更为艰辛，我们将以勇气、智慧和毅力，在极限施压下挺直脊梁，奋力前行！”