光量子干涉实物图。图片来自新华社
党的二十大报告在总结十年来的重大科技创新成果时,再一次提到了量子信息。近年来,“墨子号”“九章”“祖冲之号”等一批量子信息领域的成果集中涌现,我国量子科技实现从跟跑、并跑,到部分领跑的重大历史性飞跃,量子科技发展的体系化能力正在稳步建立。
量子力学自1900年诞生以来,打开了人类认识世界的一扇新的大门。第一次量子革命,量子力学催生了晶体管、激光等重大发明。近年来,以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命兴起,极大地影响和改变着人类的生活。
本期科技访谈录,我们邀请到军事科学院量子技术方向学科带头人、国防科技创新研究院前沿交叉技术研究中心副研究员徐馥芳,请他谈一谈神奇的量子世界,展望量子科技发展的宏阔未来。
量子之美,美在未知
记者:习主席在党的二十大报告中,把量子信息列入新时代十年重大科技创新成果之一。量子信息是什么?它和我们经常提及的量子科技有什么关系?如今我国在量子信息领域都取得了哪些重要成就?
徐馥芳:量子信息是量子物理学和信息科学交叉催生的技术领域。它利用微观体系的量子效应,实现信息的高灵敏感知、安全传输和高速处理。量子信息主要包括量子通信、量子计算和量子精密测量等3个典型技术分支。
量子科技是一个更宏观的概念。它指的是量子力学建立后催生和发展起来的一系列科学与技术。随着量子信息技术的发展,量子科技发展进入新阶段,第二次量子革命兴起。这是一次巨大的飞跃,直接或间接改变和提升着人类获取、传输和处理信息的方式和能力。
近年来,我国在量子信息领域取得了很多重大成果。在量子通信领域,我国实现了光纤量子保密通信应用演示与验证的“京沪干线”,成功发射了“墨子号”量子卫星;在量子计算领域,我国实现了“九章”光量子计算原型芯片和“祖冲之号”超导量子技术原型系统;在量子探测领域,我国多个单位研制的冷原子干涉重力测量样机在国际重力比对试验中都取得了优秀成绩,针对水下目标探测的量子磁力探测样机已经针对典型场景开展了测试,等等。
记者:我们知道,量子力学是描述微观物理世界的理论。在您的眼里,又或者说在您的想象里,量子世界有多美?
徐馥芳:量子世界之美,在于它的神秘与未知。在量子的概念提出之前,我们对微观世界的认识,往往基于对宏观世界的理解之上。受到物理学自身限制,我们无法直接观测微观世界,甚至借助光学、电子学显微镜等也只能观测到皮毛。如今,了解过量子测量的我们都知道,量子测量会对被测量子系统产生影响;处于相同状态的量子系统被测量后可能得到不同的结果。这种因果颠倒的试验结果听来近乎玄幻,也是诸多科学家无法用经典物理学理论解释黑体辐射实验的原因。
在量子世界,很多经典物理学中不存在的物理状态变得可能。量子力学直接颠覆了我们对整个世界的认知。一个全新的世界在我们面前徐徐打开,太多的未知等待着我们去探索。这怎能不令人欣喜?
如今,还有许多物理现象难以被我们理解,比如量子隧穿、电子自旋、电子轨道跃迁、单电子自身干涉、测量导致的坍缩、共轭物理量无法同时精确测量(海森堡测不准原理),等等。这些都是量子世界里的一扇扇神秘的“大门”,一旦打开走进去,里面可能是一个更加幽远深邃的“洞天”。
但是,量子世界的神秘,或者说对量子世界的疑惑,并不足以使我们怀疑量子力学。量子力学的一部分已经得到实验验证,基于量子力学发展起来的科学与技术,已经极大地改变了我们的社会,并将继续服务于人类社会生活。
量子概念图。资料图片
对未来世界的影响,将远超你的想象
记者:有句俗话说,“遇事不决,量子力学”。量子似乎已经走进了人们的日常生活,又似乎还很遥远。您怎么看?
徐馥芳:很多时候,我们会觉得量子力学离我们很远。这一略带神秘、略显高深的学科,告诉我们微观世界中存在一些超导、超流、纠缠等神奇的量子效应,一般人很难理解。虽然一直都在说量子科技正在走进我们的生活,但是这一过程,往往以基础科学的形式在起作用。量子力学指导和推动了电子技术和信息技术的发展,但是我们的科学家、工程师和用户并不一定需要对量子力学懂太多。传统的学科还在将技术进一步推向前沿,仍有在不引入量子力学的情况下的进步空间。或者更直白地说,期望改变世界的量子信息技术,目前许多还停留在实验室阶段或者初步应用阶段,有待进一步突破。
另一方面,量子力学其实离我们又很近。我们周围的物质,包括我们的身体和大脑都是由原子分子构成的,它们在微观上遵守的是量子力学的规则。我们享受的现代科技产品,手机、电脑等都是量子力学指导的产物。近年来,随着量子信息技术的快速发展,量子通信、量子计算、量子精密测量领域都取得了一些重大进展,相关的科技产品正在加速走进我们的生活。
当然,我们更需清醒地看到,量子技术在向世界展现出其强大能力和发展潜力的同时,也面临巨大挑战。这其中,不仅有来自对量子态的长时间维持和精确调控等人类改造世界能力的挑战,更牵扯到物理学基础理论等人类认识世界能力的挑战。也许,还需经过漫长的时间,有新材料、新机理等特殊契机出现后,量子技术才能真正向世界显示其威力。
记者:请您设想一下,量子信息技术会给我们的未来生活带来怎样的改变?
徐馥芳:量子信息技术对未来世界的影响,将远超你的想象。在量子信息技术的3个分支中,量子精密测量和量子通信发展得相对成熟,已经从实验室“飞入寻常百姓家”。而难度最大的量子计算,发展仍处于早期阶段,距离商用普及仍有较长距离。我们乐观估计,还要20年以上的时间才能实现。
量子计算是量子信息技术中最综合的一个技术分支,也是对信息技术冲击最大的一个分支。从算盘时代发展到冯·诺依曼架构的电子计算机时代,人类社会发生了翻天覆地的变化。从经典计算机到量子计算机,“量子比特”取代了经典的“比特”,量子计算机在理论上具有秒杀所有传统计算机的计算能力。可以想象,一旦通用量子计算机发展起来,人类社会又将再次经历巨大变化。网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域都将因为量子计算机的巨大信息处理能力,发生颠覆性改变。
有没有勇闯科技“无人区”的胆识,决定了我们未来能走多远
记者:在钻研量子技术的道路上,您遇到最艰难的挑战是什么?
徐馥芳:从我的经历来看,最艰难的往往是起步阶段。我们这个团队是伴随着2017年新军事科学院调整组建而成立的一个研究团队,刚刚成立时,团队只有几个人,来自全军不同的单位。我还清楚记得,大家刚来到单位的时候,办公场地都是临时借用的,第一份项目申报书,是在临时租借的宿舍中完成的。但大家都没有被这些现实困难吓倒,科研经费有限,就省吃俭用买设备买器件;团队人才短缺,就想方设法引进、培养青年人才……几年时间过来了,我们的团队已经相对稳定成熟,科研条件有了很大改善,也取得了不少研究成果。
回顾这段从零起步的创业历程,我最大感触是,我们这一代科研人员赶上了一个好时代。在国家高度重视科技创新的大背景下,在党中央和中央军委的相关政策扶持下,在军事科学院良好的科研氛围下,我们团队可以瞄准一个目标,心无旁骛地共同努力。在这种环境下,拼搏也成为内在的自发本能。
记者:您认为,研究量子技术和其他科学技术有什么不同?研究量子技术需要怎样的科学精神?
徐馥芳:由于量子物理的概念与宏观世界完全不同,从事量子技术研究需要经过科学的系统训练,接受其独特的逻辑和技术方法。量子力学是一门完备的、严谨的科学。没经过系统训练,利用学习到的部分量子概念,结合自己的现实经验看待或处理问题,很容易走入歧路,产生错误观点。
现在社会上对量子技术存在着两种极端理解:一种是认为量子技术是骗子技术,所有的都是假的,不认可量子力学的正确性,或者认可量子力学但不认可量子技术;另一种认为量子技术是万能的,会彻底颠覆现在的电子技术和信息技术。这两种理解毫无疑问都是错误的。量子力学是一门基础学科,我们需要理性认识基于量子力学发展起来的量子技术,尤其是方兴未艾的量子信息学。它是一门全新的交叉学科,它的发展将成为我们传统信息技术的有力补充,并成为信息技术深化发展的基础。
从我长期从事量子技术的经历来看,我认为,研究量子技术,一是需要科学严谨的态度,能够严格依据量子理论进行推理和验证,进行试验设计和现象解释;二是需要前瞻的洞察力,量子世界的现象和规律与我们熟悉的经验世界完全不同,对研究中碰到的问题,必须敢于大胆假设,勇于创新,小心求证;三是需要持之以恒的韧劲,在研究量子信息技术时,科学难题和工程技术难题同在,很多时候在短期内都难以出重大应用成果。中国古人常讲“十年磨一剑”,但在这个领域,有可能十年都难磨一剑,所以必须沉下心来埋头苦干。
在科学研究上,有时看似下的是慢功夫,实则走的是快车道。量子技术是一门非常前沿且深奥的学科,目前虽然已经有了一些研究成果,但还有更多的“无人区”等着我们去探索。当我们与世界同行站在同一起跑线上,有没有勇闯科技“无人区”的胆识,决定了我们未来能走多远。
文字整理:张志华
如何打赢外来入侵物种阻击战?科研提供新依据新方法******
如何打赢外来入侵物种阻击战?
外来物种是一把双刃剑。在一些情况下,引进外来物种确实有助于特定地域的经济发展和生态保育。但是在另一些情况下,外来物种又可能构成生物入侵。
【深瞳工作室出品】
采 写:实习记者 孙明源
本报记者 马爱平
策 划:刘 莉
今年1月1日,农业农村部会同自然资源部、生态环境部、住房和城乡建设部、海关总署和国家林草局组织制定的《重点管理外来入侵物种名录》开始施行。
“外来物种真不少啊”“这份‘黑名单’来得及时”……一经发布,这份目录就引来众网友热议,网上话题量达到298万多条。
基于2022年全国范围外来物种调查及科研人员多年来监测研究,这份最新名录内容从原有的52种更新为59种。
鳄雀鳝、加拿大一枝黄花、美国白蛾……对于这些外来入侵物种,人们或许只是偶有耳闻。事实上,外来物种入侵在我国也非新问题。大多数时候这些外来入侵物种并不显眼,它们静悄悄地给某些地区带去生态灾难,导致受灾地区以外的人们很难关注到它们。直到去年8月,鳄雀鳝以一种异样的形式进入公众视野,让更多人知道了“外来入侵物种”到底是什么。
抽干湖水只为两条外来“怪鱼”
“鱼抓到了吗?”
2022年8月26日,在某直播平台的上百条弹幕里,这个问题“刷屏”了。评论和弹幕背后有至少3700万网友看过直播。
直播现场在河南小城汝州,在那里,工作人员抽干了公园里近30万吨的湖水,只为抓住两条名为鳄雀鳝的“怪鱼”。
次日,汝州通报称,一公一母两条鳄雀鳝已被捕获,并接受了无害化处理。至此,持续一个月的“抽湖捕鱼大战”落下帷幕。
其间,网上甚至出现过此次行动是“劳民伤财”的质疑。
但这个事件,可以说给全民上了一节外来物种入侵的科普课。
早在2002年,在创始人胡隐昌研究员的带领下,中国水产科学研究院外来物种与生态安全创新团队已经开始关注外来入侵水生生物。顾党恩是中国水产科学研究院外来物种与生态安全创新团队首席科学家、国家大宗淡水鱼产业技术体系外来物种入侵防控岗位专家。2009年起,该团队对包括鳄雀鳝在内的多种外来水生生物进行了长期大规模的调查监测。
鳄雀鳝食量惊人,一旦泛滥成灾,不仅会影响渔业生产,威胁粮食安全,更会通过捕食作用导致本土鱼类等水生动物种群的急剧下降,从而影响水生生物多样性和水生生态系统,进而威胁生态安全。
调查数据显示,鳄雀鳝近几年来在我国扩散蔓延速度非常快,在从海南到北京、从上海到西南的大部分省区内都有野外捕获鳄雀鳝的记录。如果不及早干预,有可能扩散到大部分自然江河。
为了摸清鳄雀鳝等外来水生生物的分布和数量变化,顾党恩团队常年在南方的各个水域撒网、取水样、“摸鱼”。
此次鳄雀鳝进入新版名录,与该科研团队提供的大量第一手调查数据以及风险评估报告有着很大关系,可以说离不开这些科研工作者的多年努力。
外来入侵物种防控部际协调机制办公室负责人介绍说,《重点管理外来入侵物种名录》在物种遴选上有四个依据:危害程度重、扩散蔓延快、防控治理难、危害形式多样。“并不是所有外来入侵物种都能‘上榜’。”顾党恩告诉科技日报记者,鳄雀鳝能“上榜”,是因为它会造成很严重的危害,而且能快速扩散蔓延,一旦泛滥就很难得到有效控制。
每年造成的损失高达2000亿元
通过公开资料检索,记者发现我国较早的外来入侵物种,是一种来自非洲马达加斯加的蜗牛。
20世纪30年代,这种蜗牛翻山过海,随着英国、日本的全球贸易首先出现在我国厦门、台北。如今,它已经广泛分布于我国南方多省区。这种蜗牛学名褐云玛瑙螺,即人们常说的“非洲大蜗牛”。
它就是典型的外来入侵物种,不仅对蔬菜等农作物危害极大,还携带多种会对人体带来危害的病原体。
随着全球贸易往来日益频繁,外来入侵物种扩散蔓延的风险不断提高,外来入侵物种带来的危害也逐渐增大。
农业农村部外来入侵生物防控重点实验室主任、中国农业科学院植物保护研究所生物入侵研究创新中心主任刘万学说,我国近十年新增入侵物种55种,每年新增入侵物种达5—6种,是20世纪90年代前新增入侵物种频率的30倍。
中国林科院森林生态环境与保护研究所副所长、外来有害生物与植物检疫学科组首席专家赵文霞记得,2010年时,西藏自治区林芝市出现大面积高山栎枯死,许多山头出现成片成片的枯死木,高原仿佛患上了“毛发斑秃”。赵文霞及有关专家顶着高原反应走遍了这些山头,最终确认高山栎大面积枯死背后的“凶手”竟是一种夜蛾科昆虫。高山栎虽能在高原挺拔屹立,面对外来入侵物种却可能遭遇生存危机。
另一种让赵文霞印象深刻的入侵物种是加拿大一枝黄花。这种菊科植物在我国南方极易滋生。“荒废的上海造船厂长满了这种外来入侵物种,它们的种子像蒲公英一样随处飘洒,风一吹漫天遍野,扎根之处不给其他植物留下任何生长空间。”赵文霞说。
“所到之处寸草不生”,这是顾党恩对另一种外来物种——齐氏罗非鱼的评价。这种鱼吃水草能力极强,在实验环境条件下几条鱼一两周就可以吃光一水池的水草。广州四大生态调蓄湖之一的东山湖,因用于净化水质的水草往往被齐氏罗非鱼破坏殆尽,导致东山湖水质净化工作陷入停滞状态,水质一度沦为劣V类。
另一种对全球森林极具危险性和毁灭性的外来入侵物种则是松材线虫。中国林业科学研究院首席科学家、教授杨忠岐说,其引发的松材线虫病具有极强的传染性,被称为松树的“癌症”。一旦松材线虫侵入林区,会让以松树为主的针叶林染上松材线虫病,从而对整个林区带来毁灭性的破坏。
“能想象某一天黄山的主要景观资源黄山松都被毁灭殆尽,黄山再无迎客松吗?”杨忠岐告诉记者,1982年我国首次在南京中山陵发现松材线虫病,40年来松材线虫给我国林业造成了巨大损失和生态灾难。
对于外来入侵物种造成的灾害,刘万学提供了一组触目惊心的数字:草地贪夜蛾危害严重时可能导致玉米、小麦等作物50%以上的产量损失;番茄潜叶蛾危害严重时可导致番茄减产80%—100%;苹果蠹蛾对我国苹果和梨等水果产业构成的潜在经济损失高达140亿元/年;在1平方米的玉米地里,30—50株豚草苗就可以导致减产30%—40%;一只福寿螺中含有3000条以上寄生虫……而它们还只是外来入侵物种当中的一小部分。
外来入侵物种对我国生态环境和经济发展带来严重负面影响。据不完全统计,在我国,由外来入侵物种每年造成的直接和间接损失总计高达2000亿元,对外来入侵物种进行综合治理刻不容缓。
科研为治理提供新依据新方法
与外来物种入侵的历史相比,我国对外来入侵物种的研究却起步较晚。
赵文霞是国内较早研究外来入侵物种的学者之一,她从2002年开始研究外来入侵物种,但当时距非洲大蜗牛抵达我国已有70年。
赵文霞回忆说,当时其主要工作是翻译国外关于入侵生物学的经典图书、著作、论文。后来,随着外来入侵物种概念的引进以及一些应用实践的展开,国内学者出版了一系列有代表性的理论著作和论文。
赵文霞告诉记者,国外的入侵生物学研究始于20世纪30年代,兴盛于50年代。我国外来物种研究本世纪初起步,经过科学家们20多年的努力,目前我国相关技术水平已经与国外不相上下,但由于起步晚,我国对许多入侵物种的入侵历史、路径和时间依然不了解,原始数据相当匮乏,还需要长时间积累来补齐短板。
新世纪以来,我国入侵生物学学者最重要的心血结晶之一,就是上文提及的2013年出台、2023年1月1日更新的“名录” 。
2013年,原国家农业部发布了第一个国家层面的外来入侵物种管理名单——《国家重点管理外来入侵物种名录》(第一批)。这份名录包含52种入侵物种,既包括紫茎泽兰、少花蒺藜草、非洲大蜗牛、福寿螺等入侵植物、动物,也包括美国白蛾、桔小实蝇等有害昆虫,以及番茄细菌性溃疡病菌等有害病原物。
刘万学向记者介绍说,第一批目录的出台具有里程碑意义。自2013年以来,我国科学界对于外来入侵物种有了更为清晰的认识,对外来入侵物种的研究进入了快速发展期。
与此同时,法律也在不断地修订完善。
2022年12月30日,全国人大常委会通过新修订的野生动物保护法。该法明确规定:从境外引进野生动物物种的,应当采取安全可靠的防范措施,防止其进入野外环境,避免对生态系统造成危害。
在新修订的野生动物保护法颁布之前,我国为防范外来物种入侵,制定了生物安全法、进出境动植物检疫法、引进陆生野生动物外来物种种类及数量审批管理办法等法律法规和政策文件,还发布了4批《中国自然生态系统外来入侵物种名单》,制定了《国家重点管理外来入侵物种名录(第一批)》。
“可以说,目前我国已建成防范外来物种入侵的法律和政策体系。”北京林业大学生态法研究中心主任杨朝霞教授告诉记者。
杨朝霞曾多次参加全国人大常委会法工委组织或者委托组织的野生动物保护法修订草案研讨会,他的许多建议也被吸纳进本次修订的野生动物保护法中。本次修订的野生动物保护法还特别强调:不得违法放生、丢弃,确需将其放生至野外环境的,应当遵守有关法律法规的规定。
科学界也在行动,不断为治理和决策提供新的依据和方法。
我国对外来入侵物种名录实行动态调整和分类管理,每10年组织开展一次外来入侵物种全国普查。2022年,我国启动了包括实地考察、面上调查和重点调查等外来入侵物种普查工作。近年来发现的草地贪夜蛾、鳄雀鳝等入侵物种,都在普查范围内。
据赵文霞介绍,此次更新目录,最初各方提交上的外来物种名单有800多种,经过多轮筛选,名单从800多种减少到200多种,又从200多种减少到100多种,最终从100多种确定了59种。
科研也在各类外来物种的治理中发挥作用。例如,顾党恩团队和农业生态与资源保护总站合作开发了多重防控技术,应用于对广州东山湖齐氏罗非鱼的治理。结果显示,在控制试验前,齐氏罗非鱼为湖区的优势种,占渔获物重量的79.41%,防控试验20天后,工作人员在渔业抽样调查中未采集到齐氏罗非鱼。
从调查统计、判定优势种和危害、甄别一个外来物种是否属于入侵物种,到提供治理方案,大批科研人员参与到外来物种的防治工作中来。
相关方面都在积极努力,与外来物种进行坚决斗争。
将外来物种挡在国门之外,是防治外来物种的第一步。2022年9月4日,上海海关发现了一批可疑的快件。工作人员打开检查,发现了300个大小一致的环氧树脂管,这些管里塞着潮湿的棉花,每个管放了一只活体蚂蚁。
经鉴别,这些蚂蚁是来自欧洲南部的野蛮收获蚁,国内收货人大概是想将其作为宠物饲养。但是,此类蚂蚁在我国并无自然分布,贸然引进有使其成为外来入侵物种的风险。
据了解,截至2022年11月,我国海关仅在上海口岸就设置了各类外来有害生物监测点471个。据海关总署通报,仅2022年上半年,全国海关就从旅客携带、邮寄等渠道截获检疫性有害生物173种3.1万次、活体动植物2925批。
外来入侵物种防控仍在路上
刘万学说,《重点管理外来入侵物种名录》所列物种是当前和今后一个时期外来入侵物种防控的重点,也是治理外来入侵物种的行动指南。
在防治外来入侵物种的道路上,我们需要做的工作还有很多。
首先,需进一步完善相关法律。杨朝霞举例说,新修订的野生动物保护法,加入了防治外来物种的有关内容。但目前鳄雀鳝、巴西龟等“异宠”的网上交易并未被遏止,主要原因在于现行立法对交易环节尤其是网上交易的规制不足。这些宠物如果不进入自然界,确实不构成外来物种入侵。但是,这些宠物具有逃逸或者被放生的可能性,交易、蓄养它们客观上增加了它们入侵自然界的风险。为此,应对相关法律进行进一步完善。
“以鳄雀鳝为例,我国法律并未对鳄雀鳝的销售作出明确规定。这在一定程度上导致无法严格对鳄雀鳝的销售渠道、途径等进行监管。放生行为极其隐蔽难以发现,鳄雀鳝很可能被混在其它鱼苗中放入自然环境,等鱼长大被发现后,也很难追踪放生者。”杨朝霞说。
其次,相关科学研究有待进一步深入。刘万学指出,防治外来物种入侵和危害,监测预警、扩散阻截、应急处置、综合治理方面的工作都需要加强。
“我们要进一步完善风险预判预警机制,如建立入侵物种风险预警的大数据库,掌握入侵物种实时动态。比如哪些物种有可能入侵,它们从哪些地方进来?通过什么样的方式进来?我们都要有研究、有预判。”刘万学说。
第三,防治外来物种入侵亟待公众参与。顾党恩提醒说,了解和防治外来物种并非只是管理者和学者的责任,要想做好防治工作,就得有全社会的共同参与。
“美洲牛蛙、红耳彩龟、鳄雀鳝这类重点管理入侵物种如果只是在可控的养殖水体或者水族缸中并不会直接带来危害和形成入侵,是具有一定经济价值、观赏价值的。但是因为种种原因导致的随意引种、放生和丢弃,反而使它们在野外变成了真正的外来入侵物种。此外,如果因为它们被列入重点管理入侵物种,导致把它们被当作‘有害动物’而被丢弃或弃养,更会造成严重的生态灾害。让公众认识到放生和丢弃外来物种的危害,对于外来入侵物种的防控具有重要的意义。当然,科学家也应该投入更大的精力来为公众提供必要的科普服务。”顾党恩说。
“外来物种是一把双刃剑。”赵文霞说,在一些情况下,引进外来物种确实有助于特定地域的经济发展和生态保育。但是在另一些情况下,外来物种又可能构成生物入侵。例如,加拿大一枝黄花作为外来入侵物种,在江苏、浙江一带扩张十分猖獗,占用了大量土地。但是,在北方,如河北石家庄地区,由于气候原因它很难大规模蔓延,却能够充当经济作物,作为鲜切花的配花为人们带来收入。
“科学认识外来物种之后,除了做到不随意丢弃或放生,普通公民还可以主动报告身边发现的外来物种,为外来物种治理提供线索。如果人人都能够从力所能及的小事做起,随手消灭身边的外来入侵物种,就能真正筑立起外来物种入侵防控的‘长城’,打赢这场外来物种入侵阻击战。”顾党恩说。
(本版图片除标注外由受访者提供)
(文图:赵筱尘 巫邓炎)