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量子物理學家潘建偉：量子力學第二胎正準備展示實力

中國科學院院士、量子物理學家潘建偉

騰訊科技訊11月7日，2020騰訊科技WE大會在線舉行。中國科學院院士、量子物理學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。量子力學生的第一個孩子是現(xiàn)代信息技術(shù)，準備生第二胎，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更快地計算特定問題的機器。那么，為了實現(xiàn)這個目標，我們大概需要有50個相干操控的量子位，這也是我們當時學術(shù)界的目標之一。

第二階段：我們希望一臺量子計算機可以操縱數(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)典計算機無法完成的計算任務。

第三階段：我們希望實現(xiàn)一個可編程的通用量子計算機。

除了量子計算，潘建偉還介紹了量子通信中的相關(guān)應用，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，量子力學中有一個原理——測不準原理。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、天氣預報、金融分析、藥物設計，這些都是未來可以應用到的相關(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。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開始。我們的古生物學告訴我們，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。

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

在人類歷史上，發(fā)生了一場重要的科學革命。根據(jù)牛頓力學，他告訴我們所有的力學現(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。第一次科學革命帶來的科學進步極大地促進了信息交流的效率。

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，科學革命推動了第一次工業(yè)革命，即蒸汽機時代。同時推動了第二次工業(yè)革命，進入權(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，極大地促進了我們?nèi)祟愇拿鞯倪M步。

隨著量子力學和相對論的建立，發(fā)生了一場新的科學革命，這是人類歷史上的第二次科學革命。在第二次科學革命中，我們基本上把過去100年來量子力學的應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。沒有半導體晶體管的發(fā)明，就沒有今天的電腦和手機，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、感知來說，其實就是量子力學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伴隨著我們?nèi)祟惖倪M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。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)絡效率來提高信息交互的效率。通過信息安全和網(wǎng)絡安全，我們可以加強對我們個人和各種隱私的保護。事實上，為了實現(xiàn)信息安全，我們設計了各種非常復雜的加密系統(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的密碼，被圖靈破解了。現(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。”那么有可能嗎？這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。第一臺計算機建于1943年。當時它的重量是一噸，耗電8.5千瓦左右，每秒可算5000次。當時好像很快，于是當時的IBM總裁托馬斯沃森(Thomas Watson)預測，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，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，他準備要二胎，準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？這就相當于兩個骰子糾纏在一起，即使相隔很遠，一個在合肥科技大學，一個在深圳騰訊總部。我們擲骰子的時候，單邊結(jié)果是完全隨機的，但是雙方的結(jié)果在當時的實驗中是完全一樣的。

愛因斯坦稱這種現(xiàn)象為：遙遠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科誕生了，我們稱之為量子信息科學，直接導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大的計算能力，可以用于各種復雜系統(tǒng)的研究。

量子通信的第一個應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，就是量子力學中有一個原理——測不準原理。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，當然，在很長的將來，我們可能無法傳輸一個復雜的物體，但是目前的技術(shù)已經(jīng)允許我們進行多體、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)絡中走來走去。所以這個東西其實是建造量子計算機的基本單位。那么量子計算機，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只需要1秒。

解碼，天氣預報，金融分析，藥物設計，這是一個相關(guān)的應用。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)遠距離量子通信。在這方面，我國學者做得很好。在過去的十年里，城域網(wǎng)(MAN)的小規(guī)模應用開始緩慢，然后逐漸擴展到我們的廣域網(wǎng)，比如一條從北京到上海的“京滬干線”，開展一些相關(guān)的應用。

在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)廣域網(wǎng)。2016年8月，中國科學院又發(fā)射了一顆“墨子”量子科學衛(wèi)星，該衛(wèi)星有三大科學實驗任務。然后第一個科學實驗任務實現(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更快地計算特定問題的機器。那么，為了實現(xiàn)這個目標(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，這是我們當時學術(shù)界的一個目標。

隨著這個目標的完成，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。我們稱之為特殊的量子模擬器。可以用來揭示一些經(jīng)典計算機做不到的計算任務。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，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量子計算機，首次實現(xiàn)了量子優(yōu)勢。在它的工作中，它說使用它的53位超導量子系統(tǒng)，花了200秒完成一次隨機線采樣。然后根據(jù)他們的理論，世界第一超級計算機Summit用了一萬年才計算出同樣的東西。當然后來大家對算法做了一些改進。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，中國學者也做的比較好。2017年，中國學者實現(xiàn)了光學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。最近有一些比較好的進展。已經(jīng)進行了50個光子左右的玻色采樣，應該也達到了這樣一個超越Google的量子優(yōu)勢。此外，中國學者最近在往年工作的基礎(chǔ)上對約60個超導量子比特進行了相干操縱，估計有望在今年年底實現(xiàn)超導系統(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)絡技術(shù)體系。在此基礎(chǔ)上，應用于國防、政務、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，解決一些重要的科學問題。

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分析和大數(shù)據(jù)分析中的相關(guān)應用。

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