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

北京時(shí)間10月4日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩 (Alain Aspect)、美國(guó)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(jiǎng)，以表彰他們?yōu)榧m纏光子實(shí)驗(yàn)、證明違反貝爾不等式和開(kāi)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(lái)自?shī)W地利的這位科學(xué)家是中國(guó)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(duì)的“多光子糾纏及干涉度量”研究，獲得中國(guó)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)——國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

2016年1月16日，剛剛獲得2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的潘建偉教授帶來(lái)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(chǎng)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(lái)》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(bào)告的題目叫：神話、哲學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)與未來(lái)，有點(diǎn)像大雜燴。

1.信息交互和隱私促進(jìn)人類(lèi)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(huì)，會(huì)議中我忽然有這么一個(gè)理解，我們其實(shí)在古時(shí)候同時(shí)期存在著兩種文學(xué)，一種叫做碩壯直立人，其實(shí)碩壯直立人已經(jīng)開(kāi)始使用工具了，而且它的腦容量也挺大。而且還有另外一個(gè)同時(shí)存在的直立人，相對(duì)的來(lái)說(shuō)它沒(méi)有碩壯直立人那么強(qiáng)壯，但是它有發(fā)明的符號(hào)與基本的語(yǔ)言，就可以很好的來(lái)進(jìn)行交流。正因?yàn)檫@個(gè)原因，它經(jīng)過(guò)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(shuō)某種意義上來(lái)講，那個(gè)時(shí)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(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用。

那么，我覺(jué)得互聯(lián)網(wǎng)始終伴隨一個(gè)問(wèn)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(zhēng)鳴，所以我覺(jué)得在人類(lèi)文明的進(jìn)化過(guò)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(shí)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(gè)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(shí)可以在北京、上海各個(gè)地方開(kāi)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(gè)筋斗云，翻一個(gè)筋斗就可以從一個(gè)地方消失在非常遙遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)。還有兩個(gè)很有名的神仙，叫“順風(fēng)耳”和“千里眼”，能聽(tīng)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(shí)生活當(dāng)中到底能不能實(shí)現(xiàn)？大家都知道，這得益于電動(dòng)力學(xué)。有無(wú)線電的通訊之后，其實(shí)在1888年的時(shí)候赫茲在在德國(guó)的一個(gè)小鎮(zhèn)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電磁波是不是存在，線圈在抖動(dòng)的時(shí)候里面加有電流可以傳到遠(yuǎn)方，按道理他計(jì)算就會(huì)發(fā)生電火花，但因?yàn)樗@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室本來(lái)是兩個(gè)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(méi)有看到。我多年前到那個(gè)地方看，他后來(lái)把那個(gè)墻給拆掉了，然后這邊一抖那邊即時(shí)的電火花就發(fā)生了，因?yàn)闊o(wú)線電波是以光速傳遞的，太快了，因?yàn)樗趺磁苓€是跑不過(guò)無(wú)線電。

有這些東西的發(fā)明之后，后來(lái)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(shí)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(gè)地球變成一個(gè)村，信息的交互已經(jīng)并將一直伴隨著我們?nèi)祟?lèi)的進(jìn)化和社會(huì)的發(fā)展，那這里面有兩個(gè)永恒的主題：如何來(lái)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(shí)

大家經(jīng)常在問(wèn)，我們?cè)鯓觼?lái)發(fā)展未來(lái)的計(jì)算機(jī)，能夠很好的來(lái)解決我們?nèi)祟?lèi)的計(jì)算能力的無(wú)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(tīng)或被黑客的攻擊的問(wèn)題，那么一種解決方法就可以用來(lái)就是超級(jí)的計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行加密，但是隨著計(jì)算能力的增加，原來(lái)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(méi)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(guò)程中，已經(jīng)為解決這些重大問(wèn)題做好準(zhǔn)備了。

▲演講PPT截圖

具體的來(lái)說(shuō)，孫悟空的兩個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，就得益于量子力學(xué)的建立。比如說(shuō)，我要么在上海做報(bào)告，要么在北京做報(bào)告，我不可能同時(shí)在兩個(gè)地方，這經(jīng)典世界告訴我們的，我們只能在某一個(gè)地方。但是到量子世界去，作為一個(gè)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(shí)在好多個(gè)地方，這是什么意思呢？

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

那么，另一個(gè)問(wèn)題，什么是量子糾纏態(tài)呢？比如說(shuō)我到北京來(lái)，我送給朋友一個(gè)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(lái)他擲出的數(shù)字，我們把這稱(chēng)為遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的軌跡互動(dòng)。2015年這種現(xiàn)象在物理的角度基本被確證，只剩下一個(gè)很小的漏洞，這個(gè)是我們后面要做的事情。

4.讓“穿越”變成現(xiàn)實(shí)

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

其實(shí)還有另外一件有利的事，就是利用量子糾纏。比如說(shuō)我本來(lái)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(guò)無(wú)線電臺(tái)把“我”發(fā)射到北京，到了北京之后可以對(duì)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(lái)，那么這樣一種過(guò)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(zhǎng)的時(shí)間。如果能在網(wǎng)絡(luò)里面“走來(lái)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(lái)跑去”，利用這樣的過(guò)程我們就可以來(lái)構(gòu)建一種量子計(jì)算。

比如說(shuō)要求解一個(gè)10的24次方的變量的方程，用目前最快的“天和2號(hào)”大概需要100年左右的時(shí)間，那么利用萬(wàn)億次的計(jì)算，它盡管計(jì)算的頻率比天和2號(hào)要慢1萬(wàn)次，但它只需要0.01秒就可以把這個(gè)方程求解出來(lái)了，所以它可以廣泛的應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)，金融分析，氣象預(yù)報(bào)，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(duì)物理問(wèn)題的研究，因?yàn)槲锢韱?wèn)題的研究更加直接，它也需要一個(gè)非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。如果有這樣一個(gè)理論，我們就可以利用量子通訊來(lái)構(gòu)建一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。

5.量子計(jì)算在不久的將來(lái)成為現(xiàn)實(shí)

目前我們正在做一些事情，我們今年（2016年）在開(kāi)封、北京到上海之間建設(shè)了天虹干線，我們今年（2016年）也會(huì)發(fā)射一顆量子衛(wèi)星，量子衛(wèi)星除了來(lái)做量子通訊之外還可以檢驗(yàn)一下剛才所講到的遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的軌跡互動(dòng)，這是我們接下來(lái)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(jì)算方面還需要向前走，我們已經(jīng)有一個(gè)比較好的目標(biāo)了，大概會(huì)在10年左右的時(shí)間實(shí)現(xiàn)50個(gè)量子比特的這么操縱，有了這樣的操縱之后，它的計(jì)算能力大概可以達(dá)到天和2號(hào)的數(shù)千倍左右。我覺(jué)得，量子計(jì)算也會(huì)在不久的將來(lái)能夠成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)。

總體上來(lái)講，希望能夠通過(guò)對(duì)量子通訊的研究和對(duì)量子計(jì)算的研究，對(duì)未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)或者人類(lèi)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(tīng)道講壇》

延伸閱讀：

“多光子糾纏及干涉度量”是個(gè)啥

（來(lái)源：北京科技報(bào)、中科院之聲等）