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量子物理學(xué)家潘建偉：量子力學(xué)第二胎正準(zhǔn)備展示實力

中國科學(xué)院院士、量子物理學(xué)家潘建偉

騰訊科技訊11月7日，2020騰訊科技WE大會在線舉行。中國科學(xué)院院士、量子物理學(xué)家潘建偉以量子計算和量子通信為題發(fā)表了演講。

潘建偉指出，我們目前面臨的計算能力瓶頸是我們擁有的計算能力非常有限。如果把世界上所有計算機(jī)的計算能力加起來，一年之內(nèi)是無法完成2到90次方數(shù)據(jù)的窮舉搜索的，傳統(tǒng)的開發(fā)模式目前受到了嚴(yán)重的限制。因為摩爾定律正在逐漸接近極限，晶體管的尺寸將在不到十年的時間內(nèi)達(dá)到——亞納米的原子尺寸。這時，晶體管的電路原理將不再適用。

那么如何解決這些問題呢？潘建偉給出了答案：量子力學(xué)。量子力學(xué)生的第一個孩子是現(xiàn)代信息技術(shù)，準(zhǔn)備生第二胎，可以解決計算能力不足，信息傳輸不安全的問題。

潘建偉介紹，量子計算本質(zhì)上，目前的國際學(xué)術(shù)界大概把它們分成三個階段：

第一階段：我們希望建造一臺比目前最快的超級計算機(jī)更快地計算特定問題的機(jī)器。那么，為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們大概需要有50個相干操控的量子位，這也是我們當(dāng)時學(xué)術(shù)界的目標(biāo)之一。

第二階段：我們希望一臺量子計算機(jī)可以操縱數(shù)百個量子位，這叫做特殊的量子模擬器，這樣我們就可以用它來揭示一些經(jīng)典計算機(jī)無法完成的計算任務(wù)。

第三階段：我們希望實現(xiàn)一個可編程的通用量子計算機(jī)。

除了量子計算，潘建偉還介紹了量子通信中的相關(guān)應(yīng)用，其中之一就是所謂的量子密鑰分發(fā)。比如，為了安全通信，兩個人可以發(fā)送一系列單光子，從A到b，狀態(tài)各不相同。

如果中間有一個竊聽者，光子能量就不再可分，不能分一半，所以如果竊聽者想把這個光子帶走，接收器B就收不到了。

或者說如果竊聽者測量這個光子，量子力學(xué)中有一個原理——測不準(zhǔn)原理。測量光子會影響光子的疊加態(tài)。

所以竊聽必然會被發(fā)現(xiàn)：一是不能分成半光子，光子是不可分的；第二，這個光的狀態(tài)是測量的，會被干擾。

然后這個通信的雙方就可以把已經(jīng)被別人干擾或者帶走的光子扔掉，就可以形成安全的密鑰分發(fā)。通過使用安全密鑰分發(fā)，可以實現(xiàn)加密內(nèi)容無法破譯的安全量子通信。

最后，潘建偉說，隨著量子計算的發(fā)展，我們可以在很多方面使用它，比如破譯經(jīng)典密碼、天氣預(yù)報、金融分析、藥物設(shè)計，這些都是未來可以應(yīng)用到的相關(guān)領(lǐng)域。

以下為潘建偉教授演講全文：

大家好，我很高興來到這里，與大家分享我們正在做的一些工作。

我叫潘建偉，來自中國科技大學(xué)。我今天給大家報道的題目是新量子革命。

請允許我從古生物學(xué)開始。我們的古生物學(xué)告訴我們，10萬年前有兩種屬。一個是尼安德特人，一個是智人。尼安德特人比智人強(qiáng)壯，甚至他的腦容量比現(xiàn)代人還大。智人，個體比尼安德特人弱。那么智人為什么會在進(jìn)化中勝出，成為現(xiàn)代人的祖先呢？主要原因是智人發(fā)明了基本的符號和語言。借助符號和語言，人們可以有效地交流信息，從而形成一個相互融合的社會群體。因此，他在面對大自然的各種困難時變得更加有效。

其實人類進(jìn)化還有一個很重要的東西，就是隱私的保護(hù)。正是因為大腦里在想什么，正在想什么，別人不可能知道，所以才會導(dǎo)致思想的多樣性。思想的多樣性是創(chuàng)新和進(jìn)步的源泉。比如古希臘的雅典學(xué)院和春秋戰(zhàn)國時期的百家爭鳴，引發(fā)了推動社會文明進(jìn)步的各種思潮。

在人類歷史上，發(fā)生了一場重要的科學(xué)革命。根據(jù)牛頓力學(xué)，他告訴我們所有的力學(xué)現(xiàn)象都可以統(tǒng)一成一個簡單的公式F=ma。同時，麥克斯韋建立的電動力學(xué)告訴我們，光電磁的所有現(xiàn)象都可以統(tǒng)一為一個方程組。第一次科學(xué)革命帶來的科學(xué)進(jìn)步極大地促進(jìn)了信息交流的效率。

在古代，信息只能通過口頭傳播。再近一點，大家都有了書和紙，可以用書把書傳播千里，然后就有了書。近代，科學(xué)革命推動了第一次工業(yè)革命，即蒸汽機(jī)時代。同時推動了第二次工業(yè)革命，進(jìn)入權(quán)力時代。因此，整個地球已經(jīng)成為一個地球村，信息交流的效率越來越高，極大地促進(jìn)了我們?nèi)祟愇拿鞯倪M(jìn)步。

隨著量子力學(xué)和相對論的建立，發(fā)生了一場新的科學(xué)革命，這是人類歷史上的第二次科學(xué)革命。在第二次科學(xué)革命中，我們基本上把過去100年來量子力學(xué)的應(yīng)用歸功于第一次量子革命。在第一次量子革命中，產(chǎn)生了許多有用的東西。從某種意義上說，我們的第三次工業(yè)轉(zhuǎn)型或者說第三次工業(yè)革命是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的。信息技術(shù)硬件的基礎(chǔ)是量子力學(xué)。沒有半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明，就沒有今天的電腦和手機(jī)，沒有萬維網(wǎng)的發(fā)明，就沒有萬物互聯(lián)的概念。

所以從計算、網(wǎng)絡(luò)、感知來說，其實就是量子力學(xué)帶來的這么大的變化。因此，從某種意義上說，信息交互一直并將永遠(yuǎn)伴隨著我們?nèi)祟惖倪M(jìn)化和社會的發(fā)展。在我們的過程中有兩件非常重要的事情，第一是信息交流的效率，第二是對我們隱私的保護(hù)。這是剛才說的。

那么這兩件事怎么做呢？我們可以通過提高計算能力和網(wǎng)絡(luò)效率來提高信息交互的效率。通過信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全，我們可以加強(qiáng)對我們個人和各種隱私的保護(hù)。事實上，為了實現(xiàn)信息安全，我們設(shè)計了各種非常復(fù)雜的加密系統(tǒng)，以確保信息的安全傳輸。有矛有盾。二戰(zhàn)時德軍有一個非常先進(jìn)的密碼，被圖靈破解了?，F(xiàn)在廣泛使用的公鑰系統(tǒng)，1999年破解了RSA 512位，2009年破解了RSA 768位。我行目前使用的u盾，頻率大概在1024位左右。有人建議，隨著計算能力的發(fā)展，最好不要用(RSA 1024)。所以人類歷史告訴我們的經(jīng)驗是，依賴計算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，原則上會隨著我們計算能力的增加而被破解。

因此，我們的信息技術(shù)面臨著一個信息安全問題，即如何實現(xiàn)信息的安全傳輸。早在100多年前，就有一位作家寫過一段話，說人們早就懷疑“人類的智能無法構(gòu)造出人類自己牢不可破的密碼?！蹦敲从锌赡軉幔窟@是我們以后要回答的問題。

此外，隨著社會的發(fā)展，我們的信息交換效率提高了，對我們計算能力的需求也在快速增長。第一臺計算機(jī)建于1943年。當(dāng)時它的重量是一噸，耗電8.5千瓦左右，每秒可算5000次。當(dāng)時好像很快，于是當(dāng)時的IBM總裁托馬斯沃森(Thomas Watson)預(yù)測，世界上只需要5臺這樣的電腦。

力的總和已經(jīng)超過了整個阿波羅登月計劃的計算能力總和。因此，從這個角度來看，我們對計算能力的需求正在迅速增長。

目前，我們面臨著計算能力的瓶頸，即我們擁有的計算能力非常有限。如果把世界上所有計算機(jī)的計算能力加起來，一年之內(nèi)不可能完成2到90次方數(shù)據(jù)的窮舉搜索，但是這種傳統(tǒng)的開發(fā)模式目前已經(jīng)受到了嚴(yán)重的限制。摩爾定律正在逐漸接近極限，所以在不到十年的時間里，我們晶體管的尺寸很可能會達(dá)到——亞納米的原子尺寸。這時，晶體管的電路原理將不再適用。那么如何解決這些問題呢？

量子力學(xué)，可以說他的第一個孩子是現(xiàn)代信息技術(shù)。但在100多年的發(fā)展歷程中，他準(zhǔn)備要二胎，準(zhǔn)備解決計算能力不足和信息安全傳輸不足的問題。

這里我需要簡單介紹一下什么叫做量子。所謂量子，其實就是物質(zhì)最基本的單位，能量最基本的載體，它的基本特征就是不可分割性。比如我手里有一支激光筆。如果你能用放大鏡看一下這支激光筆發(fā)出的光的能量，光本身其實是由很多小粒子組成的，所以我們把這樣的小粒子稱為光子或光量子。不能再用刀切開，變成1/2光子之類的。它有基本特性，叫做量子疊加。

那么量子疊加是什么意思呢？在我們的經(jīng)典物理中，一只貓，可以是死的，也可以是活的，可以代表一個信息傳輸單位0或1，這是裝載了一位的經(jīng)典信息。但說到量子世界，微觀世界的貓不僅可以處于0或1的狀態(tài)，還可以處于死態(tài)和活態(tài)的相干疊加。對于這樣的狀態(tài)，我們稱之為量子位。這在物理實現(xiàn)上非常簡單。

當(dāng)光子在真空中傳播時，它可以被水平和垂直極化。這兩個狀態(tài)代表0或1。當(dāng)它沿45度偏振時，其實就是所謂的量子疊加態(tài)|0 |1。然后愛因斯坦對這個問題進(jìn)行了深入思考。他說，如果一只貓可以處于死與活的疊加狀態(tài)，兩只貓可以處于活與死的疊加狀態(tài)嗎？這就相當(dāng)于兩個骰子糾纏在一起，即使相隔很遠(yuǎn)，一個在合肥科技大學(xué)，一個在深圳騰訊總部。我們擲骰子的時候，單邊結(jié)果是完全隨機(jī)的，但是雙方的結(jié)果在當(dāng)時的實驗中是完全一樣的。

愛因斯坦稱這種現(xiàn)象為：遙遠(yuǎn)地方的奇怪相互作用。這樣的現(xiàn)象叫做量子糾纏。我們?nèi)绾瓮ㄟ^實驗創(chuàng)造這種量子糾纏？你需要這個單一的量子控制。舉個例子，我有一杯水，你喝了很容易，但是如果你能把里面的一個水分子拿出來，技術(shù)上就變成一件很困難的事情了。經(jīng)過幾十年的努力，科學(xué)家們慢慢掌握了取出一個光子和一個原子，根據(jù)你的需要進(jìn)行操控，并主動操控的能力。

然后，有了這樣的能力，你就可以根據(jù)自己的需要控制每個量子位。然后這個時候一門新的學(xué)科誕生了，我們稱之為量子信息科學(xué)，直接導(dǎo)致了第二次量子革命。那么量子通信原則上可以提供一種無條件安全的通信方式，量子計算可以提供非常強(qiáng)大的計算能力，可以用于各種復(fù)雜系統(tǒng)的研究。

量子通信的第一個應(yīng)用是所謂的量子密鑰分發(fā)。比如有張三，李四。為了安全通信，他們可以發(fā)出一系列單光子，處于各種狀態(tài)，張三會發(fā)給李四。所以如果中間有竊聽者，我剛才說這個光子的能量不再可分，不能分一半，那么如果竊聽者想把這個光子帶走，接收器李四是收不到的，所以你收不到這個秘鑰。

那么另一種可能，比如竊聽者測量這個光子，就是量子力學(xué)中有一個原理——測不準(zhǔn)原理。如果測量光子，會影響光子的疊加態(tài)，所以偷聽的話會被發(fā)現(xiàn)。第一，不能分成半個光子，光子是不可分的；第二，這個光的狀態(tài)是測量的，會被干擾。然后這個通信的雙方，張三和李四，把別人干擾的或者別人帶走的光子扔掉，就可以形成一個安全的密鑰分發(fā)。通過使用安全密鑰分發(fā)，可以實現(xiàn)加密內(nèi)容不可破譯的安全量子通信。

所以除此之外，我們可以利用量子糾纏將一個粒子的量子信息從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方，而不需要傳輸物體本身。這里我舉個形象比喻。比如我要去深圳騰訊在合肥開會，但是坐飛機(jī)來不及了。如果合肥的一個實驗室和騰訊總部的一個實驗室恰好有一團(tuán)糾纏的物質(zhì)，那么我們就可以用這樣的糾纏物質(zhì)操縱合肥的潘建偉，纏住他。糾纏過后，你會得到一個信息。然后這種信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)津v訊深圳總部，也就是說，如果我們對這些物質(zhì)做一些操縱，就可以構(gòu)建出深圳的潘劍偉，我們稱這個過程為量子隱形傳態(tài)。

那么，當(dāng)然，在很長的將來，我們可能無法傳輸一個復(fù)雜的物體，但是目前的技術(shù)已經(jīng)允許我們進(jìn)行多體、多終端、多自由度的量子隱形傳態(tài)。例如，由幾十個粒子、幾百個粒子甚至幾百萬個粒子組成的系統(tǒng)的狀態(tài)可以在一個網(wǎng)絡(luò)中走來走去。所以這個東西其實是建造量子計算機(jī)的基本單位。那么量子計算機(jī)，因為它(量子位)可以處于量子疊加，它的計算能力隨著可控量子位的數(shù)量呈指數(shù)增長。所以我在這里舉個例子。舉個例子，用萬億次經(jīng)典計算機(jī)分解一個300位的大數(shù)大約需要15萬年，而你用萬億次量子計算機(jī)只需要1秒。

解碼，天氣預(yù)報，金融分析，藥物設(shè)計，這是一個相關(guān)的應(yīng)用。所以具體來說，在量子通信中，我們可以非常方便地使用光纖將密鑰發(fā)送到城市中的成千上萬個家庭。然后，在兩個城市之間，我們可以通過所謂的中繼器將它們連接起來，實現(xiàn)城市之間的量子通信。

在更廣的范圍內(nèi)，我可以利用衛(wèi)星中繼實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。在這方面，我國學(xué)者做得很好。在過去的十年里，城域網(wǎng)(MAN)的小規(guī)模應(yīng)用開始緩慢，然后逐漸擴(kuò)展到我們的廣域網(wǎng)，比如一條從北京到上海的“京滬干線”，開展一些相關(guān)的應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)廣域網(wǎng)。2016年8月，中國科學(xué)院又發(fā)射了一顆“墨子”量子科學(xué)衛(wèi)星，該衛(wèi)星有三大科學(xué)實驗任務(wù)。然后第一個科學(xué)實驗任務(wù)實現(xiàn)了衛(wèi)星的量子密鑰分配，而這個，我們在這個實驗中成功完成了。

那么第二步就是實現(xiàn)幾千公里量子糾纏的分布。在1207公里范圍內(nèi)，我們已經(jīng)證明了這兩個糾纏粒子具有愛因斯坦之前所說的遙遠(yuǎn)地方之間的奇怪相互作用的作用。除此之外，我們還實現(xiàn)了幾千公里量級的量子隱形傳態(tài)。所以這樣的技術(shù)在未來的量子互聯(lián)網(wǎng)中會非常有用。

除了在量子通信方面取得一些不錯的成果之外，世界上還有一個研究熱點，那就是量子計算。因此，目前國際學(xué)術(shù)界基本上將量子計算分為三個階段。在第一階段，我們希望構(gòu)建一臺比目前最快的超級計算機(jī)更快地計算特定問題的機(jī)器。那么，為了實現(xiàn)這個目標(biāo)(也叫“量子優(yōu)勢”)，我們大概需要有50個量子比特的相干操控，這是我們當(dāng)時學(xué)術(shù)界的一個目標(biāo)。

隨著這個目標(biāo)的完成，在第二階段，我們希望有這樣一臺可以操縱數(shù)百個量子比特的量子計算機(jī)。我們稱之為特殊的量子模擬器?？梢杂脕斫沂疽恍┙?jīng)典計算機(jī)做不到的計算任務(wù)。然后，通過更長期的努力，我們希望實現(xiàn)一個可編程的通用量子計算機(jī)，這是我們從事量子計算頭腦中的一個發(fā)展歷程。

去年，美國谷歌公司(Google Inc .)利用世界上第一臺超導(dǎo)量子計算機(jī)，首次實現(xiàn)了量子優(yōu)勢。在它的工作中，它說使用它的53位超導(dǎo)量子系統(tǒng)，花了200秒完成一次隨機(jī)線采樣。然后根據(jù)他們的理論，世界第一超級計算機(jī)Summit用了一萬年才計算出同樣的東西。當(dāng)然后來大家對算法做了一些改進(jìn)。也許Summit可以借助其他資源在幾天內(nèi)完成，但無論如何，這是它第一次意識到量子的優(yōu)越性。

所以在這個方向上，中國學(xué)者也做的比較好。2017年，中國學(xué)者實現(xiàn)了光學(xué)量子計算的第一個原型，可以解決具體問題，超越早期經(jīng)典計算機(jī)。最近有一些比較好的進(jìn)展。已經(jīng)進(jìn)行了50個光子左右的玻色采樣，應(yīng)該也達(dá)到了這樣一個超越Google的量子優(yōu)勢。此外，中國學(xué)者最近在往年工作的基礎(chǔ)上對約60個超導(dǎo)量子比特進(jìn)行了相干操縱，估計有望在今年年底實現(xiàn)超導(dǎo)系統(tǒng)的量子優(yōu)勢。

最后，我將做一個總結(jié)，并簡要展望我們領(lǐng)域未來可能的發(fā)展。然后經(jīng)過10到15年的努力，希望能全面發(fā)展天地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用于國防、政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域。為最終形成下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，這是第一個方面。

第二個方面，我們希望在量子計算中，通過數(shù)百個量子比特的相干操控，可以解決一些實際問題，超越目前的超級計算機(jī)，解決一些重要的科學(xué)問題。

此外，我們也希望通過十到十五年的研究，能夠開發(fā)出具有基本功能的通用量子計算原型，從而初步探索密碼學(xué)分析和大數(shù)據(jù)分析中的相關(guān)應(yīng)用。

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