量子信息研究獲諾獎！我國該領(lǐng)域領(lǐng)軍人物潘建偉院士曾這樣解釋量子通訊

量子信息領(lǐng)域研究獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎。量子糾纏是什么？量子通訊有何特別？來看我國該領(lǐng)域領(lǐng)軍人物潘建偉院士的解讀。

北京時間10月4日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩 (Alain Aspect)、美國科學(xué)家約翰·克勞澤 (John Clauser) 、奧地利科學(xué)家安東·塞林格 (Anton Zeilinger) 分享2022年諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們?yōu)榧m纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)所作出的貢獻(xiàn)。

值得注意的是，來自奧地利的這位科學(xué)家是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士的博士研究生導(dǎo)師。潘建偉是我們量子科技領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。2016年1月，潘建偉及其團(tuán)隊的“多光子糾纏及干涉度量”研究，獲得中國科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最高獎項——國家自然科學(xué)一等獎。

2016年1月16日，剛剛獲得2015年度國家自然科學(xué)獎一等獎的潘建偉教授帶來了有關(guān)量子通訊與信息安全的精彩演講。在此，讓我們一起回顧這場演講，感受量子科技的魅力。

▲潘建偉在進(jìn)行《神話、哲學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)與未來》的主題演講。

? 以下為潘建偉演講整理稿：

整理/白竟楠

非常高興能到這里跟大家分享一下我的思考和理解，我今天報告的題目叫：神話、哲學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)與未來，有點像大雜燴。

1.信息交互和隱私促進(jìn)人類文明

前一陣（2015年12月）我正好在烏鎮(zhèn)參加了互聯(lián)網(wǎng)的大會，會議中我忽然有這么一個理解，我們其實在古時候同時期存在著兩種文學(xué)，一種叫做碩壯直立人，其實碩壯直立人已經(jīng)開始使用工具了，而且它的腦容量也挺大。而且還有另外一個同時存在的直立人，相對的來說它沒有碩壯直立人那么強(qiáng)壯，但是它有發(fā)明的符號與基本的語言，就可以很好的來進(jìn)行交流。正因為這個原因，它經(jīng)過慢慢的進(jìn)化就成為我們現(xiàn)代人的祖先。

▲演講PPT截圖

所以說某種意義上來講，那個時候就已經(jīng)有一種信息的交互，如果我們不太較真兒的話，可以把它叫做互聯(lián)網(wǎng)的雛形。我的理解是，這樣的信息交互在直立人在進(jìn)化的過程中起到了關(guān)鍵的作用。

那么，我覺得互聯(lián)網(wǎng)始終伴隨一個問題，就是所謂的隱私。有隱私的保護(hù)之后，我們才能保證我們思想的自由和多樣性，才能百家爭鳴，所以我覺得在人類文明的進(jìn)化過程當(dāng)中，是跟信息交互和隱私兩者緊密結(jié)合的。

2.通訊手段實現(xiàn)“千里眼、順風(fēng)耳”

在西游記中，真正吸引人的是美猴王孫悟空，孫悟空有幾個功能，第一功能它就是它毫毛一拔，往到處一扔它就有一種分身術(shù)，有好多孫悟空同時可以在北京、上海各個地方開講，這樣的話我們的論壇就更加有效。還有另外一種非常強(qiáng)大的功能，它有一個筋斗云，翻一個筋斗就可以從一個地方消失在非常遙遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)。還有兩個很有名的神仙，叫“順風(fēng)耳”和“千里眼”，能聽到、看到很遠(yuǎn)的地方。

▲演講PPT截圖

那么，這些東西在我們現(xiàn)實生活當(dāng)中到底能不能實現(xiàn)？大家都知道，這得益于電動力學(xué)。有無線電的通訊之后，其實在1888年的時候赫茲在在德國的一個小鎮(zhèn)做了一個實驗來驗證電磁波是不是存在，線圈在抖動的時候里面加有電流可以傳到遠(yuǎn)方，按道理他計算就會發(fā)生電火花，但因為他這兩個實驗室本來是兩個不同的房間，所以他搖完以后趕緊跑到隔壁的房間看，什么也沒有看到。我多年前到那個地方看，他后來把那個墻給拆掉了，然后這邊一抖那邊即時的電火花就發(fā)生了，因為無線電波是以光速傳遞的，太快了，因為他怎么跑還是跑不過無線電。

有這些東西的發(fā)明之后，后來有電話，然后有電視機(jī)，到現(xiàn)在我們可以用到我們的手機(jī)，都可以實現(xiàn)千里眼、順風(fēng)耳的功能。

從口口相傳到互聯(lián)網(wǎng)，整個地球變成一個村，信息的交互已經(jīng)并將一直伴隨著我們?nèi)祟惖倪M(jìn)化和社會的發(fā)展，那這里面有兩個永恒的主題：如何來加強(qiáng)信息的交互的效率；如何加強(qiáng)隱私的保護(hù)。

3.量子力學(xué)讓"孫悟空"變成現(xiàn)實

大家經(jīng)常在問，我們怎樣來發(fā)展未來的計算機(jī)，能夠很好的來解決我們?nèi)祟惖挠嬎隳芰Φ臒o限的需求？信息終端、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)都有可能存在著竊聽或被黑客的攻擊的問題，那么一種解決方法就可以用來就是超級的計算機(jī)來進(jìn)行加密，但是隨著計算能力的增加，原來的路線非常有效的加密算法也都已經(jīng)被破解了。那么大家希望能夠建立下一代的標(biāo)準(zhǔn)密碼，但非常不幸的是這些標(biāo)準(zhǔn)密碼還沒有投入使用又被發(fā)現(xiàn)是不安全的，怎么辦？量子力學(xué)在近百年的發(fā)展過程中，已經(jīng)為解決這些重大問題做好準(zhǔn)備了。

▲演講PPT截圖

具體的來說，孫悟空的兩個功能的實現(xiàn)，就得益于量子力學(xué)的建立。比如說，我要么在上海做報告，要么在北京做報告，我不可能同時在兩個地方，這經(jīng)典世界告訴我們的，我們只能在某一個地方。但是到量子世界去，作為一個微觀的客體，它就不僅可以在這里，也可以在那里，它可以同時在好多個地方，這是什么意思呢？

就是說，如果說你沒在看這個客體到底處于哪個位置的時候，某些特殊情況時它可以同時處于兩個位置。并且量子力學(xué)的未知的狀態(tài)是測不準(zhǔn)的，這就是說，量子是不穩(wěn)定的。

那么，另一個問題，什么是量子糾纏態(tài)呢？比如說我到北京來，我送給朋友一個篩子，我已經(jīng)事先做好了，他的篩子和我的篩子就屬于糾纏態(tài)，我回到上海后讓朋友隨機(jī)擲篩子，但每次我都能夠猜出來他擲出的數(shù)字，我們把這稱為遙遠(yuǎn)地點之間的軌跡互動。2015年這種現(xiàn)象在物理的角度基本被確證，只剩下一個很小的漏洞，這個是我們后面要做的事情。

4.讓“穿越”變成現(xiàn)實

到現(xiàn)在可以說，一個新的科學(xué)誕生了，可以用它來保證理論上無條件的安全通訊，我們的隱私就能保證。

其實還有另外一件有利的事，就是利用量子糾纏。比如說我本來在上海的航班給誤了，但要在幾分鐘之內(nèi)要到北京，那怎么辦呢？我坐飛機(jī)肯定不行了，但是如果北京跟上海之間有兩條糾纏物質(zhì)的話，就可以通過無線電臺把“我”發(fā)射到北京，到了北京之后可以對糾纏物質(zhì)再做一種正變化，那么我就可以用同樣多的物質(zhì)重構(gòu)出來，那么這樣一種過程我們就可以把它叫做量子世界的筋斗云。

當(dāng)然，要傳輸人，傳輸客體，這種比較復(fù)雜的客體還需要很長的時間。如果能在網(wǎng)絡(luò)里面“走來走去”，這就是多體多終端多自由度的量子隱形傳態(tài)，它能夠構(gòu)成一種分布式的量子信息處理單元，那么信息在這其中“跑來跑去”，利用這樣的過程我們就可以來構(gòu)建一種量子計算。

比如說要求解一個10的24次方的變量的方程，用目前最快的“天和2號”大概需要100年左右的時間，那么利用萬億次的計算，它盡管計算的頻率比天和2號要慢1萬次，但它只需要0.01秒就可以把這個方程求解出來了，所以它可以廣泛的應(yīng)用于藥物設(shè)計，金融分析，氣象預(yù)報，密碼分析等等，用途十分廣泛。

那么當(dāng)然我們也可以直接用于對物理問題的研究，因為物理問題的研究更加直接，它也需要一個非常強(qiáng)大的計算能力。如果有這樣一個理論，我們就可以利用量子通訊來構(gòu)建一個非常好的“天地一體化”的網(wǎng)絡(luò)，例如城際網(wǎng)，有這樣的網(wǎng)絡(luò)之后就可以比較好的保證我們的這一個網(wǎng)絡(luò)的安全。

5.量子計算在不久的將來成為現(xiàn)實

目前我們正在做一些事情，我們今年（2016年）在開封、北京到上海之間建設(shè)了天虹干線，我們今年（2016年）也會發(fā)射一顆量子衛(wèi)星，量子衛(wèi)星除了來做量子通訊之外還可以檢驗一下剛才所講到的遙遠(yuǎn)地點之間的軌跡互動，這是我們接下來再量子通訊方面準(zhǔn)備做的事情。

▲演講PPT截圖

另外，在量子計算方面還需要向前走，我們已經(jīng)有一個比較好的目標(biāo)了，大概會在10年左右的時間實現(xiàn)50個量子比特的這么操縱，有了這樣的操縱之后，它的計算能力大概可以達(dá)到天和2號的數(shù)千倍左右。我覺得，量子計算也會在不久的將來能夠成為一個現(xiàn)實。

總體上來講，希望能夠通過對量子通訊的研究和對量子計算的研究，對未來的互聯(lián)網(wǎng)或者人類的發(fā)展提供一種更加有效、更加安全的一種方式，那就是我今天想跟大家分享的一些想法，謝謝大家！

注：整理自2016年1月16日《北京聽道講壇》

延伸閱讀

“多光子糾纏及干涉度量學(xué)”是啥