潘建偉：經過十到十五年努力，發展天地一體廣域量子通訊網絡
被稱為量子物理學家的中國科學院院士潘建偉從古生物學開始講起，分享了關于新量子革命的發展。
有效信息的交互幫助人類形成社會化的群體，信息交互已經并將一直伴隨著我們人類的進化和社會的發展。在我們這過程當中有兩個東西是非常重要的，第一個是信息交互的效率，第二個是隱私保護。
要做到這兩點就要提高計算能力、網絡效率和信息網絡安全技術水平。潘建偉院士表示，目前的計算能力發展處在瓶頸期，計算能力有限，傳統的發展模式目前已經受到了嚴重的制約。而量子力學的發展，將有助于以上領域的發展進入新紀元。
由量子力學發展出的量子信息科學，將能夠提供一種原理上無條件安全的通信方式，利用量子計算可以提供非常強大的計算能力，而用于各種各樣的復雜系統的研究。
近年來，國內國際的量子秘鑰分發、量子隱形傳態、量子計算等量子信息科學方面的應用正在快速發展。潘建偉院士希望未來能夠完整地發展天地一體廣域量子的通訊網絡技術體系，在國防、政務、金融、能源等領域以應用，為形成下一代的國家信息安全生態系統的奠定基礎，也希望在量子計算方面，通過對數百個量子比特的相干操縱，能夠對一些現實的問題的求解，研發具備基本功能的通用量子計算原型機，能夠超越目前的超級計算機，并且能夠來解決一些重大的科學問題、初步探索對密碼分析、大數據分析等方面的相關應用。
以下是潘建偉院士的演講實錄：
大家好，非常高興來到這里，跟大家分享我們正在開展的一些工作。
我叫潘建偉，來自于中國科學技術大學。我今天給大家報告的題目是新量子革命。
請允許我，從古生物學開始講起。我們的古生物學告訴我們，在10萬年之前我們存在著有兩類人屬。其中一類是尼安德特人，另外一類是智人。尼安德特人比智人更加強壯，甚至他的腦容量比現代人還大。智人，個體是弱于尼安德特人的。那么為什么智人會在進化當中勝出成為現代人的祖先呢? 其中主要的原因是智人發明了基本的符號和語言。有了符號和語言的幫助之后，人們就可以進行有效的信息的交互，以至于可以形成一個互為一體的社會化的群體。所以，他在對抗大自然的各種困難當中變得更加地有效。
其實在人類的進化當中還有一個事情是非常重要的，就是所謂的隱私的保護。正因為大腦里面在想什么，在思考什么，是別人怎么樣也沒法知道的，所以它才能夠導致思想的多樣性。而思想的多樣性，是創新與進步的源泉。比如古希臘的雅典學院和我們春秋戰國時候的百家爭鳴，正因為這樣才導致了各種各樣的思想出來推動社會文明的進步。
在人類的歷史上，有一次重要的科學革命。根據牛頓力學，他告訴我們一切力學的現象，都是可以統一為一個簡單的公式F=ma。與此同時，麥克斯維爾建立的電動力學又告訴我們一切光電磁的現象都可以統一成為一個方程組。第一次科學革命所帶來的科學進步，極大地推動了信息交互效率的提升。
古時候的信息只是通過口口相傳，更近一點，大家有書了、有紙了，可以用書進行千里傳書，然后有了著作。到了近代，科學革命的發生，推動了第一次工業革命，也就是蒸汽機時代。同時推動了第二次工業革命，進入電力時代。所以整個地球已經變成一個地球村，信息交互的效率越來越高，巨大地推動了我們人類文明的進步。
隨著量子力學和相對論的建立，又發生了一次新的科學革命，這是人類歷史上的第二次科學革命。在第二次科學革命當中，我們基本上把量子力學在過去100年中的應用歸屬成第一次量子革命。在第一次量子革命中，大家產生了非常多有用的東西。從某種意義上講，我們第三次產業變革或第三次工業革命是建立在信息技術的基礎之上的。信息技術的硬件的基礎就是量子力學。沒有半導體晶體管的發明，就不會今天的計算機、手機，沒有萬維網的發明就不會有我們現在的萬物互聯、互聯網的概念。
所以從計算、網絡和感知方面，其實都是量子力學所帶來的這么一個巨大變革。所以從某種意義上講，信息交互已經并將一直伴隨著我們人類的進化和社會的發展。在我們這過程當中有兩個東西是非常重要的，第一個是信息交互的效率，第二個是我們的隱私的保護。這是剛才已經講到了的。
那么怎么來做到這兩點呢?我們可以通過計算能力的提高和網絡效率的提高來加強信息交互的效率。通過信息安全和網絡安全，來加強對我們個人的和各類各樣的隱私的保護。實際上，為了實現信息的安全，大家就設計各種各樣的非常復雜的加密系統來保證信息的安全傳輸。有矛必有盾，在二戰當中德軍一個非常高級的密碼，那個密碼被圖靈給破解了。現在我們廣泛使用的一個公鑰體系，RSA 512位在1999年就被破解了，768位在2009年被破解了。現在我們銀行里面用的U盾，大概經常用的是1024位。大家現在已經建議，隨著計算能力的發展，最好不要去使用它(RSA 1024)了。所以人類歷史告訴我們的經驗，就是依賴于計算復雜度的經典加密算法，隨著我們計算能力的增加，原理上都會被破解。
這么一來，我們的信息技術就面臨著一個信息安全的問題，就是怎樣才能夠很好的達到我們信息的安全傳輸?早在一百多年之前，有一位作家，他就寫過一段話，他說人們早就懷疑“以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼。”那么到底可不可以呢?這是我們后面要回答的一個問題。
除此之外，隨著社會的發展，我們信息交互的效率提高，我們計算能力的需求，也在快速的增長。第一臺計算機是在1943年造出來的，當時的重量是一噸，它的功耗是8.5千瓦左右，每秒鐘可以算5000次。在當時看來已經是非常的快了，所以當時IBM的總裁Thomas Watson曾經預言全世界估計只需要5臺這樣的計算機就可以了。
但是經過了將近70年的發展，到了2010年的時候，其實一部智能手機的計算能力的總和已經超過了整個阿波羅登月計劃的計算能力的總和。所以從這種角度上講，我們對計算能力的需求是在快速地增長。
目前我們所面臨著的計算能力的瓶頸，就是我們擁有的計算能力是非常有限的，如果我們把全球的所有的計算機的計算力加在一起，一年里面，都沒辦法完成對2的90次方個數據的窮舉搜索，但是這個傳統的發展模式目前已經受到了嚴重的制約。摩爾定律正在逐漸地逼近極限，那么大概會在不到十年左右的時間，我們晶體管的尺寸大概就會達到原子尺寸——亞納米水平。這個時候，晶體管的電路原理將不再適用。那么怎么來解決這些問題呢?
量子力學，可以說是他生的第一個小孩就是現代信息技術。但他自己在百余年的發展過程當中，又已經準備好產生第二個小孩，為解決前面那種算力不夠，信息安全的傳輸不夠這些問題做好了準備。
這里我需要簡要的介紹一下什么叫做量子。所謂的量子，它其實就是構成物質的最基本單元，它是能量的最基本攜帶者，它的基本特征就是不可分割。比如說我手中有一個激光筆，這個激光筆打出來的光的能量，如果你可以用一個放大鏡來看一下的話，其實發出來的光本身是由很多個小顆粒構成的，那么這樣的小顆粒我們把它叫做光子或者光量子。你不可能再拿刀來切一下，變成1/2個光子等等。它有基本特征，它就叫作量子疊加。
那么量子疊加是什么意思呢?在我們的經典物理學當中，一只貓，它可以處于死和活這么兩個狀態，可以來代表一個信息的傳輸單元0或者1，就是加載一個比特的經典信息。但是到了量子世界的時候，在微觀世界里面的一只貓，它不僅可以處于0或者1的狀態，甚至可以處于死和活這個狀態的相干疊加。對這樣一種態，我們就把它叫做量子比特。那在物理的實現上是非常簡單的。
一個光子在真空當中傳播的時候，它可以沿著水平方向偏振，豎直方向偏振。這兩個狀態就代表0或者1。當它沿著45度方向偏振的時候，其實就是所謂的量子疊加態|0>+|1>。那么愛因斯坦對這個問題做了比較深入的思考，他說，對一只貓可以處于死和活狀態的疊加，那么兩只貓是不是可以處于活活和死死狀態的疊加呢?這就相當于兩個骰子糾纏在一起，哪怕他們相距非常遙遠，一個在合肥的科大，一個在深圳騰訊的總部。那么我們在扔這個骰子的時候呢，單邊的結果是完全隨機的，但是兩邊的結果在當時實驗當中的是一模一樣的。
愛因斯坦把這種現象：遙遠地點之間的詭異的互動，這么一種現象就把它叫做是量子糾纏。對這個量子糾纏，在實驗上怎樣才能把它造出來呢?你需要有這種單個量子的調控，比如說我有一杯水，你把它喝掉一口是很容易的，但是如果你能在里面拿出一個水分子來，這在技術上就變成一個非常困難的事情。科學家經過幾十年的努力，慢慢地掌握一種能力，可以對一個光子、一個原子把它拿出來，按照你的需要進行操縱，行進主動的操縱。
那么有了這樣一種能力后，你就可以把一個個量子比特，按照你的需要進行調控。那么這個時候就催生了一個新的學科，我們把它叫做量子信息科學，這直接導致了第二次量子革命的發生。那么利用量子通信可以提供一種原理上無條件安全的通信方式，利用量子計算可以提供非常強大的計算能力，而用于各種各樣的復雜系統的研究。
量子通信的第一個應用就是所謂的量子秘鑰分發。那比如說有張三和李四，他們為了進行安全的通信，可以先送一系列單光子，處于各種各樣狀態的單光子，由張三送給李四。那么如果中間有個竊聽者存在，那我剛才講到這光子的能量是不再可分的，不能分成半個，所以如果竊聽者要把這個光子拿走的話，接收者李四就收不到了，所以這個秘鑰你就沒有收到。
那么另外一種可能性，比如竊聽者對這個光子做個測量，那么量子力學里面有個原理---測不準原理。你去測量光子就會影響光子的疊加態，所以說有了竊聽就必然會被發現。第一，它不能分半個光子，光子是不可分割的;第二，這種光的狀態是去測量它，它就會被擾動。那么這個通信的雙方，張三和李四，把那些被別人擾動過的或者被別人拿走的光子扔掉，就可以形成了一種安全的秘鑰分發，利用安全的秘鑰分發你就可以實現了加密內容不可破譯的安全的量子通信。
那么除了這個之外呢，我們可以利用量子糾纏可以把一個粒子的量子信息從一個地方的轉移到另外一個粒子上，而不用傳輸這個物體本身。我這里舉一個形象的比喻，比如說我在合肥要到深圳騰訊去開會，但坐飛機來不及了。如果說合肥的一個實驗室和騰訊總部的一個實驗室正好有一團糾纏物質，那么我們可以把合肥的潘建偉跟這樣糾纏物質做一個操縱，把他糾纏起來。糾纏起來之后，你就會得到一種信息。那么這種信息通過網絡傳到深圳的騰訊總部，就是說對這些物質做一些操縱，我們就可以把潘建偉全須全尾地在深圳把它構造出來，我們把這樣的過程就叫做量子隱形傳態。
那么當然在很久的將來，我們可能都無法做到傳送一個復雜的物體，但是目前的技術已經允許我們可以進行了多體的、多終端的、多自由度的量子隱形傳態。比如說幾十個粒子、幾百個粒子、甚至幾百萬個粒子所構成的一個系統的狀態、是可以在一個網絡里面走來走去的。那么這個東西其實本質上就是構建量子計算機的一個基本的單元了。那么量子計算機，因為它(量子比特)可以處于量子疊加，所以它的計算能力是隨著可操縱的量子比特的數目呈指數增長的。那么這里我給你舉個例子，比如說利用一臺萬億次的經典計算機分解一個300位的大數的話大概需要15萬年，但當你利用一臺萬億次的量子計算機的話只需要一秒鐘就行了。
隨著這個量子計算的發展我們可以把它用到經典密碼的破譯、氣象預報、金融分析和藥物設計等多個方面，這是它的一個相關的應用。那么具體地來說呢，在量子通信方面我們可以利用光纖，非常方便地在城市里面把秘鑰送給千家萬戶。那么在兩個城市之間那我們可以利用所謂的中繼器把那個連接起來，來實現城市之間的量子通信。
那么在更廣的范圍里面呢，我又可以利用衛星中轉來實現遠距離的量子通信。那么在這個方面呢，我們國家的學者已經做了比較好的工作。在過去的十多年中，慢慢先有城域網的小規模的應用，然后慢慢地拓展到我們的廣域網，比如說北京到上海的一個“京滬干線”來開展了一些相關的應用。
在這個基礎之上，我們為了實現廣域網。在2016年8月，中科院又發射了一顆“墨子號”量子科學衛星，這個墨子號有三大科學實驗任務。那么第一個科學實驗任務就實現了星地的量子密鑰分發，那么這個呢，我們在這個實驗當中順利地完成了。
那么第二步是實現千公里量子糾纏的分發，我們在一千兩百零七公里的范圍里面，確實證明了這兩個糾纏粒子有前面所說的愛因斯坦所說的遙遠地點之間的詭異的互動這么一種功能。除此之外呢，我們也實現了千公里量級的量子隱形傳態。那么這么一個技術呢，在未來的量子互聯網里面是非常有用的。
除了在量子通信方面，我們國內的學者取得一些比較好的結果之外，其實在國際上有另外一個研究的熱點，它就是量子計算。那么量子計算本質上，目前的國際的學術界大概把它們分成三個階段。第一個階段，我們希望能夠造出一臺機器來，這臺機器在計算某個具體的問題上，它可以比目前最快的超級計算機算的快。那么為了達到這個目標(也稱作“量子優越性”)，我們大概需要有50個量子比特的相干操縱，這是當時我們學術界的一個目標。
隨著這個目標完成之后，在第二階段，我們希望能夠操縱數百個量子比特的這么一種量子計算機，我們把它叫做專用量子模擬機。利用它可以來揭示若干經典計算機無法勝任的一些計算任務，那么通過更長時間的努力呢，我們希望能夠來實現一種可編程的通用量子計算機，這是從事量子計算工作的我們心目當中的一個發展歷程。
去年的時候，美國的谷歌公司，在國際上利用一臺超導量子計算機首次實現了量子優越性。在它的工作當中呢，它說利用它那53個比特的超導量子系統，耗時200秒就可以來完成一個隨機的線路采樣。那么當時按照他們的這個理論，在世界排名第一的超級計算機Summit要來計算這個同樣的的事情，需要1萬年。當然后來大家對算法做了一些改進，大概Summit如果有其他資源的幫助，幾天就可以了，但無論如何，它確實是首次實現了量子的優越性。
那么在這個方向呢，中國的學者也做了比較好的工作。2017年，中國的學者就實現了首個針對特定問題求解超越早期經典計算機的光量子計算原型機。最近也有一些比較好的進展，已經在開展了50個光子左右的玻色取樣，也應該是可以達到超越谷歌的這么一個量子優越性。那么除此之外，我國的學者也在前期多年工作基礎之上，近期已經開展60左右的超導量子比特的相干操縱，估計在今年年底也有希望能夠達到超導系統的量子優越性。
最后，我做個總結簡要來展望一下我們這個領域未來的可能發展。那我們想經過十到十五年的努力呢，我們希望能夠完整地發展天地一體廣域量子的通訊網絡技術體系。在這個基礎上呢，在國防、政務、金融、能源等領域以應用，為最后形成下一代的國家信息安全生態系統的奠定基礎，這是第一方面。
那么第二方面，我們希望在量子計算方面，通過對數百個量子比特的相干操縱，能夠對一些現實的問題的求解，能夠超越目前的超級計算機，并且能夠來解決一些重大的科學問題。
除此之外，我們也希望通過十到十五年的研究能夠研發具備基本功能的通用量子計算原型機，來初步探索對密碼分析、大數據分析等方面的相關應用。
我的報告就到這里，非常感謝大家用寶貴的時間來聽我這個報告!
京公網安備:11010602130026號