西湖公开课潘建伟实录:从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技

来源:公共事务部 发布时间:2020-09-07 作者:刘云

 

 

在湖心讲堂公开课上,著名量子物理学家、中国科学技术大学常务副校长潘建伟带来的第一课,是“从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技”。

从经典物理学的困境出发,向大家介绍了量子通信与信息科技的发展历程与前景展望。

以下演讲内容,根据潘建伟现场演讲整理而成。

01

今天从爱因斯坦的好奇心讲起,会延伸到最近这些年来发展的一个新技术,就把它叫做量子信息科学或者量子信息技术。

后面可能有一些具体的内容,大家不一定了解,但是只要是有两个信息能够记住就可以,这就是我整个报告的主题。

第一个,我想告诉大家,目前的科学理论是,我们的世界不是决定论的。

第二个,有了这样新的理念之后,可以来做很多有趣的事情。

02

 

我从爱因斯坦一个观点讲起。

爱因斯坦应该是我们历史上最伟大的科学家之一,他有一个信念,上帝是不掷骰子的,什么意思?

大家肯定学过牛顿力学,它告诉我们,比如卫星发射之后,我可以来计算什么时候卫星可以经过我们的头顶。也就是说,所有粒子的运动状态都是可以精确预言的。那么,如果把这个问题进一步延伸一下,就会引起这么一种概念,就是决定论。

也就是说,包括今天的演讲,是不是老早之前就决定了?相当于我们看一部电影的时候,尽管还没有看到电影结尾,但我们知道这个电影已经有结尾了,你的任何行为是改变不了什么的。

可能有些人看过科幻片《西部世界》,里面有一位女士,她其实是一个机器人,她认为自己是有自主意识的。但事实上,她的每一个举动都是由后台程序所设定的,下一时刻要做什么说什么,其实老早像拍电影一样已经被确定好了。

我们作为一个人,内心深处其实不相信牛顿力学这个结论,所以霍金讲过一句话:“即使是相信一切都是上天注定的人,在过马路的时候也会左右看一看,以免被车撞到。”

现在我们提两个问题:第一,这个世界到底是决定论的,还是本质上是不确定的,以至于允许我们有自主意识,可以有自由的思想。

第二个,如果本质上是不确定的,那如何从物理学上来证明这一点?

这是我整个报告希望能够来解释一部分的。

03

我们先来做一个实验。

有一条缝,光源照过去,有强度分布,中间最亮,两边慢慢变暗。这个实验很简单,我们每天都可以重复做,拿手电筒一照就可以了。但是有些科学家说,如果把光的强度进一步减弱,会有什么样的结果呢?

我们再来重复做这个实验,把光源不停地减弱,结果在屏幕上发现,在每个确定的时刻,看到一个点、一个点出现。实验重复了很多次之后,这些点的分布概率跟左边图的分布是完全一样的。但是单次实验当中出现的是一个点,这就引出了所谓的单光子概念。后来的科学告诉我们,其实光是由很多小颗粒组成的;这些小颗粒就是光能量的最小单元,叫做光量子。

量子的概念最早是普朗克提出来的,普朗克从某种意义上来讲,应该算是旧量子力学的祖父,爱因斯坦和玻尔是旧量子力学之父,他们又是新量子力学的祖父,海森堡、薛定谔和狄拉克等则建立了新量子力学——真正有方程去求解的量子力学。

有了这个基本概念之后,再来做一个双缝实验。

第一次我只开左缝,会看到集中在左边的很多小点,最后的分布就是这样的高斯分布;我再打开右缝,又看到很多小点,也是高斯分布。有这样的结果出来之后,我们可以问一个问题:如果两条缝同时都打开的话,应该看到什么现象呢?

按照我们通常的观念,首先,单光子是不可分割的,单次的过程当中,应当从某一条缝过去。左缝过去的光子应该不受右缝的影响,两条缝都打开的时候,应该是一种简单的概率叠加,最后变成同时开双缝的时候,应该也是高斯分布。

下面来做一下这个实验,到底跟逻辑分析的结论是不是一致的呢?

如果两条缝都打开,屏幕上光子数目越来越多的时候,就出现了干涉条纹。做实验的人马上就会想到,这不是波的现象吗?因为经典的电磁波、水波、声波里面都有非常明显的干涉现象——波峰+波峰就是干涉增强,波峰+波谷就是干涉相消。如果按照经典物理学,光是电磁波的话,那么有干涉现象是非常正常的。

但现在的问题是,为什么不可分割的粒子表现也像波一样呢?按照道理是强度叠加,怎么变成了这么一种干涉的叠加了呢?

在量子力学里面,按照玻尔和海森堡的观点,首先光子确实是一个粒子,但是它在自由飞行的时候,光子状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前,光子没有一个确定的位置。波函数告诉我们的信息只是在某一个点上探测到光子的概率是波函数的模平方;通过双缝之后,波函数的干涉就会影响光子出现的概率分布,就类似于经典波干涉一样。他们认为在自由飞行的时候,波函数本身代表一个光子,光子在各个地方都同时存在。

按照他们的观点,最后在屏幕上探测到光子的时候,光子就会坍缩成一个点,随机地出现在某个地方。

我们重复实验很多次,最后的结果告诉我们,单光子像波一样,是同时通过两条缝,但是光子的位置是完全不确定的,屏幕上是随机出现在某一点,出现在某个点的概率,是由两个波函数相干叠加决定的。

这样重复很多次实验,我们就能够看到干涉条纹,但是单次的过程当中,它都是一个光子,并且可以出现在很多地方。因为看到了干涉,量子力学就用波函数的形式来解释这个现象。

但是对于这种理论,爱因斯坦并不满意。他说是的,如果你看到了干涉条纹,我们只能认为光子同时通过两条缝;但是如果我一定要坚持,一个光子是一个颗粒,只能通过某一条缝,那么我是不是应该做实验看一下,光子到底从哪边过去的?

我们接着做一个实验:在每条缝后面放一个小小的原子,光如果从左边过去,跟原子轻轻碰撞一下,通过测量原子反冲的动量,我们会知道光子是左边过去的;如果右边的原子被撞了一下,我们就知道光子是从右边过去的。所以如果想去看光子的路径,在每次实验当中,我们只要看哪一边的原子会反冲一下就知道了。这个实验证明,光子确实是通过某一条缝过去的。

但现在我们就遇到麻烦了,当我们知道光子从哪一条缝过去的时候,干涉条纹就消失了,又变成了概率的叠加。

最后,总的结果是这样的,如果知道光子路径的话,就没有干涉条纹;如果出现了干涉条纹,那么我们的实验是没有办法来判断光子路径的,这就是我们遇到的这么一种困境。

04

遇到这种困境之后,两种观点就开始争论了。

爱因斯坦相信上帝不掷骰子,他觉得我们应该有一个确定规律可以算出来每次光子究竟是从哪条缝过去的。玻尔则说,你不要告诉上帝祂能够做什么,上帝自己来决定祂能够做什么。

玻尔的观点是,光子的路径在没有测量之前是不确定的。它的路径到底怎么样,取决于你有没有去看它。你去看的话,它在某一条路径上;你没有看,就是在两条路径上,处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。

但爱因斯坦认为,光子的路径是可以预先确定的,只不过量子力学目前能力太差,没有掌握真正的自然界的规律。其实可以设计一个隐变量,让光子变得聪明一些,也可以同时来解释两类现象。

爱因斯坦的隐变量理论是这样的,首先无论如何,我相信光子是确实从某一条缝过去的,不管有没有在看。但他同时认为光子是比较聪明的,具有自然规律所允许的所有能力,它可以预先决定不同的概率分布。

什么意思呢?所谓的隐变量,它可以决定实验最后的结果。

在一次做实验当中,如果两条缝都开着,一个光子飞过来的时候,隐变量就故意 “命令” 光子跑出这种干涉的分布,尽管光子是从某一条缝钻过去的;如果只有一条缝的时候,隐变量就 “命令” 光子跑出这样的高斯分布,以至于最后是概率叠加。对于这样的观点,没有办法反驳,因为原理上确实可以这样,但人们又并不知道所谓隐变量到底是什么机制,在实验上没有办法证实。

所有的单粒子实验当中,隐变量的理论和量子力学理论,最后都可以来自洽地解释双缝干涉的实验结果。

那么,上帝到底掷不掷骰子?如果掷骰子,人可能还有一点自由意志;如果上帝不掷骰子,我的命运和做什么事情,都是方程决定的。这个问题很重要,上帝到底掷不掷骰子,跟人到底有没有自由意志,某种意义上是联系在一起的。

05

我也不是说,爱因斯坦和玻尔这两个人谁更高明,反正薛定谔方程可以把氢原子能谱等等算得非常精确,有用就行了。

在应用量子力学规律的过程中,产生了很多的技术革新:核能、晶体管的发现、激光的发明、核磁共振、高温超导材料、巨磁阻效应的发现等。通过量子规律的被动观测,即使在宏观世界的体现应用,也已经很大程度上改变了我们的生活。

某种意义上来讲,量子力学是现代信息技术的硬件基础,数学是软件基础,数学和物理结合在一起,奠定了整个现代信息技术的基础。

正是有了半导体,才有现代意义上的通用计算机;然后在加速器的数据往全世界传递的过程中,催生了万维网;为了检验相对论,利用量子力学构建非常精确的原子钟,在原子钟的帮助之下,可以进行GPS卫星全球定位、导航等等,第一次量子革命直接催生了现代信息技术。

大家经常讲,我们现在为什么有卡脖子的问题,其实可以看到,一部手机里面凝聚了很多跟量子力学相关的基础物理、基础化学成果:半导体器件是2009年诺贝尔物理学奖、集成电路是2000年诺贝尔物理学奖等等,一部手机当中,有八项诺贝尔奖成果在里面。如果基础研究不行的话,我们被卡脖子是一个难以避免的结果。

06

随着信息技术进一步发展,逐渐地遇到了一些问题。一个问题就是信息安全瓶颈。实现信息的安全传送,自古以来就是人类的梦想。

在公元前7世纪,古希腊斯巴达人用加密棒,把一个布带缠到加密棒上,写上 “明天发动攻击”,命令发布完之后,如果别人没有同样半径的加密棒的话,信息是读不出来的,这是最原始的加密方法。

后来到了公元前1世纪左右,凯撒大帝发明了更好用的办法——把26个字符移动一下,这样移动完之后,“明天发动攻击” 就变成DWWD等等,只有预先约定的人才知道这个命令究竟是什么。

这样一些非常聪明但很古老的加密算法,其实可以用字符出现频率的方法加以破解。英语中A出现的概率是8%B出现的概率是1.8%,等等。不管字符怎么变化,只要文字是固定的,我们拿出来算算字符频率,出现8%就是A,出现1.8%就是B。一封信如果有几千个字符,很大概率可以被破解。

二战期间,人们又设计了更加复杂的密码,到后来还有RSA公钥加密算法,但是随着计算能力的提高,这些都被破解了。2017年,清华大学的王小云教授发明的一种方法,把SHA-1算法破解了。

历史告诉我们,有矛必有盾,基于计算复杂度的经典密码,总有方法可以破解掉。大概在一百多年之前,有一位作家写了一句话:“人可能不够聪明,以至于没有办法构建一种我们自己破解不了的密码。”

我们遇到的另一个问题是难以满足人类对计算能力的巨大需求。最早的时候,1940年代的 Colossus 计算机,重量1吨,功率8.5千瓦,每秒运算速率五千次,当时人们觉得这已经很快了,按照IBM的前总裁 Thomas Watson 的说法,全世界大概只需要五台这样的计算机就够了。

但是到了2010年的时候,是一个什么样的状态呢?其实每个人拥有的智能手机已经可以每秒钟运算5万亿次,功耗不超过5瓦,计算能力是当年美国阿波罗登月计划计算能力的总和。

随着大数据时代的到来,全球数据量以指数的增长,每两年翻一番,对计算能力的需求非常巨大。

一般来说,我们通过加强芯片的集成度来提升计算能力。但是目前,摩尔定律马上就要逼近极限了,估计再过十年,就会达到亚纳米尺寸。这样的话,前面讲到的干涉效应就会出现,0不一定是01不一定是1,晶体管的电路原理将不再适用。

怎么解决信息科技面临的这些问题?在研究爱因斯坦百年之问的过程当中,目前的量子力学已经初步地为突破信息安全和计算能力的瓶颈做好了准备,而且也为回答上帝到底是否掷骰子提供了可能的答案,因为这是跟自主意识、自由意志紧密相关的。

07

到底是怎么联系在一起的呢?让我们先来考虑一个最简单的量子系统。

在日常生活当中,一只猫,要么是活的,要么是死的,这两种状态就可以代表一个比特的信息。

根据量子力学,量子世界中的一只猫,当我们没有去看这只猫时,猫可以处于死和活状态的相干叠加。但是对于这两种观点,爱因斯坦说,我可以用隐变量来构建,反正你也不能说服我,它还是可以确定地处于死和活某种状态,不是处于相干叠加。

他为了反驳量子力学,进一步考虑了多粒子体系。在讲多粒子体系之前,先讲一下量子比特到底是什么东西?

其实任何两能级的系统都可以实现一个量子比特,例如可以用光子的两个极化状态,来代表0或者1。左上方光子沿着垂直方振动叫做1,沿着水平方振动叫做0,可以代表两个状态,如果让它偏转一下,朝着45度振动,其实就是属于0+1状态相干叠加了,沿着135度振动其实就是0-1的相干叠加。光子的极化其实可以沿任意方向振动。

我们怎么测量光子的极化状态呢?如果有一个光子是0+1的状态,但是我们并不知道它是什么状态。我来测量它,可以用一个小晶体,叫做极化分束器,对那些水平极化的光子全部穿透;对于竖直极化的光子则全部反射。如果在后面再各放一个单光子探测器,它每次实验当中,要么就左边有响应,要么就右边有响应,可以证明每次发射进来的是一个单光子。

光子处于45度极化的话,测量后就有50%的几率处于水平极化,50%的几率处于竖直极化。测量前属于两者的相干叠加,测量后则以一定概率处于这两种状态里的某一个,这就是最简单的量子测量。

当然,我们也可以换一个方向来测量,让45度的光子反射,135度的透射。不管怎么说,测量的结果不仅取决于被测量的量子态,也取决于测量的方向,沿着两个正交的方向,各有一定的概率,得到两个测量结果。

如果事先状态属于叠加状态,测量完以后,会变成两个状态当中的一种,也就是说对未知的量子态的测量会扰动初始状态。如果这个状态事先未知的话,便没有办法获得原件的全部信息,于是对未知量子态就没有办法进行精确克隆。这就是量子力学因为有叠加之后和经典物理学观念的一个非常大的不同。当然,也有人说可以用爱因斯坦隐变量的理论回到经典物理学所描述的确定的状态。

爱因斯坦认为,既然单粒子实验不能确定隐变量、量子力学两种理论谁对谁错,那么应该再往前走一步,于是他在1935年提出了“量子纠缠”的概念。

他认为如果量子力学是对的话,那么就允许两个骰子始终处于一种精确的关联:你掷出的结果是6,我也一定是6;你掷出的结果是1,我也一定是1等等。从实验上讲,假如有01-10这种两粒子纠缠态,沿着任意方向来测量的话,都有一种非常奇怪的结果。比如沿着水平/竖直方向测,如果测到粒子1处于水平极化,粒子2就一定处于竖直极化,就是01;如果测到粒子1处于竖直极化,粒子2就处于水平极化,就是10;如果是用45/135度测,这边的测量结果是45度,那边就是-45度;这边的测量结果是-45度,那边就是45度。只要按照同样方向测,两个粒子的测量结果会完全相反。

爱因斯坦进一步做了一个思考。他认为如果两个粒子处于刚才所说的纠缠态,在T1的时候,完成了对粒子1的测量;在T2的时候,完成对粒子2的测量。现在爱因斯坦提出了一个类空间隔的概念。这是什么意思呢?如果T2减去T1,是小于光从粒子1飞到粒子2所用的时间的话,也就是说,两个粒子完成测量的时间差是小于光从左边飞到右边的时间的话,爱因斯坦认为,既然光都来不及通风报信——光是跑得最快的,每秒钟30万公里——粒子1测量的结果跟粒子2的测量结果是完全独立的,因为任何能量都来不及从粒子1传到粒子2这个地方。

但是根据前面讲到的,你是1的时候,它必定就是0;你是0的时候,它就必定是1。也就是说,只要测量了粒子1的状态,就可以精确地预测粒子2的状态。这么一来,我去测量粒子1,又不影响粒子2,但我又可以知道粒子2处于什么状态,那么对于两个粒子的测量结果,在没测量之前就应该是存在的,而不应该是测量后才决定的。

所以爱因斯坦得出这么一个结论,物理量的值是预先确定的,与是否执行测量无关,这个就跟他的隐变量是一样的,叫定域实在论。

但是量子力学告诉我们,单个粒子的物理量在测量前是没有确定状态的。对粒子1的测量,不仅仅决定它自身的状态,而且也瞬间决定粒子2的状态,无论它们相距多么遥远。

但是到这一步为止,定域隐变量也好,量子力学也好,也是给出同样的预测的,没有办法检验谁的观点是对的。

这里为了形象一点打这么一个比方,假定有两朵花处于纠缠的状态。花有两个性质,第一种性质就是它的颜色,用眼睛看的时候左边是红色,右边也是红色,我再看一遍左边是蓝色,右边也是蓝色,它们的颜色总是一样的,这是第一种性质的纠缠。我现在来闻闻花的香味,一闻是玫瑰花香,这边是玫瑰花香,那边是玫瑰花香,我再来闻一下,这边是兰花香,那边也是兰花香味,它们的气味也总是一样的。现在有两种观点,按照爱因斯坦的定域实在论,花的颜色和气味在测量前已经确定好了,跟你有没有看它的颜色,有没有闻它的香味没有关系;量子力学告诉我们花的颜色和气味在测量前是完全不确定的,对一朵花的测量,就是你看它的颜色,去闻它的气味,会瞬间的确定另外一朵花的颜色和气味,这就有点像王阳明所讲的,你没有看花的时候它是与万物同寂,你去看它的时候顿时这个花的颜色就明白起来了。但这么一个东西实验上怎么检验,如果两边同时看花的颜色和闻花气味的时候,你是永远解决不了这个问题,结果爱因斯坦提出量子纠缠的概念30多年之后,有一位John Bell,他说不要同时看花的颜色和闻花的气味,有些时候可以让左边这个人看花的颜色,右边这个人闻花的气味,这样一来就可以得到一个Bell不等式,这个数学上不用管它。如果你认为没有看之前,它有确定的性质的话,这个不等式测出来值要小于等于2;如果量子力学对的话,这个数值可以达到2.82,这么一来可以在实验上进行检验,到底谁对,结果几乎所有的实验证明量子力学都是正确的。这告诉我们一个非常好的结果,也就是说物理量的值不是预先确定的,你去决定测量的时候才会决定它是什么性质;测量的结果是随机的,也就是说观测者的行为会影响体系的演化;那么同时告诉我们对于单个量子的未知态你都不能复制,更不用讲像我们大脑里复杂的意识,我们不可能像手机一样里面的信息可以做简单的复制,两个手机一模一样,事情就麻烦,如果可以复制一个潘建伟来,我的儿子就不知道叫谁爹。量子力学告诉我们一个原子的状态都是不能被复制,更加不用担心有我们的复制体。

08

所以说,我独一无二,我有自主意识,我的行为可以影响体系的演化,这是量子力学和牛顿力学根本的不同。

有了概念之后,科学家发展大量的技术来做实验,来验证这个理论对不对,这个技术很困难,比如拿一瓶水,喝掉半瓶水很简单,可如果我说,一公你现在每次只能喝一个水分子,这在技术上非常困难,但是科学家从1964年开始,经过将近五六十年努力,我们已经可以相当于从一个十瓦的电灯泡,拿出一个个光子来,然后把这些光子黏连在一起来进行干涉,然后来做我们想做的事情。

这样,一个新的学科诞生了,我们把它叫做基于量子调控技术的量子信息。

我觉得它的革命性,有点像我们遗传学里面从孟德尔的遗传规律到DNA这么一个过程。在这里面有一堆豌豆,可以说豌豆种到地里面的时候有多大概率豌豆长成绿色,多大概率豌豆长成黄色,当我拿出一颗具体的豌豆来问你,你告诉我这颗豌豆到底长的黄色还是绿色,你不知道,但是到DNA结构发现之后,就知道这个可能长黄色,那个长绿色,所以你从被动的观测到主动调控的时候,在技术会带来巨大的进步。所以,我们现在可以从对量子规律被动的观测和应用变成了对量子状态的主动调控和操纵,这样就产生了第二次量子革命,那就是量子信息技术。

它的进步很多,一个是量子通信,可以提供原理上无条件的安全通信方式,另外量子计算可以提供超快的计算能力,来揭示复杂系统的规律。

为什么量子通信是安全的,比如张三和李四要送密钥,我送的单光子,如果中间有窃听者,对这光子他先来看一下,本来送的时候有干涉,到最后可以看到干涉条纹,如果中间这个人看一下就变成01,最后变成没有干涉,只要没有干涉你就知道我的状态中间被别人窃听过,不可以用了。

可不可以这样把光子分成两半,这一半不看,另一半放在手里,不可能,因为量子不可分割原理告诉我们,不存在半个单光子,所以这么一来首先他不能窃走半个光子,要不然看整个光子,看完之后就知道有窃听。这样存在窃听必然被发现,通信双方可以丢弃存在窃听风险的密钥,来确保密钥的安全分发。

第二个应用,像孙悟空的筋斗云,利用量子纠缠可以把量子信息从一个地点送到另外一个地点。如果量子态处于死和活的叠加,到底多少活的成分你不能测,如果测的话这个状态被改变了,但是利用量子纠缠的帮助可以把一个粒子的初始状态从1这个地方传到第三个粒子,但是又不用这个粒子本身传递过去,我们把这样一种操作叫量子隐性传态。

由于时间的关系只做一个比喻,如果上海和杭州有一团纠缠物质,如果我从上海过来做报告开车来不及,怎么办?

我就说,可以对上海的潘建伟和那个纠缠物质做一个操作,操作完之后把它纠缠起来,我身上每一个原子和纠缠物里面的原子纠缠起来,测量之后得到一组数据,它们处于哪个纠缠态,然后我把这个信息通过无线电台发射到杭州,通过对杭州这种物质做一种可控的操作,我就可以用同样多的物质把潘建伟在杭州构造出来。

是在杭州复制一个潘建伟吗?我说不是的,因为我把这个过程搞完之后,在上海的潘建伟已经没有任何信息了,他就还原成一堆原始的物质,所以在杭州的潘建伟不是上海那个潘建伟的复制品,而是用同样多的物质把我给重新构造出来了。

当然人能不能传送我们不知道,我们说一个原子的状态是可以的,几十个原子状态是可以的,几百个原子状态也是可以的,目前在实验上都已经证实了。

但是这里有一个东西讲清楚,这个传送不能超光速传送。在上海得到这个测量结果之后,要么这个测量结果告诉杭州,所以这个结果的传递最快是光速的,所以最快乘以光速传递。另外,执行完这些操作后在上海这个人已经消失,所以在杭州出现的我不是复制品,我还是独一无二的。这个东西可以来做所谓量子计算的基本单元:量子信息在网络里可以走来走去之后,就可以利用量子叠加来进行量子信息的处理,这就是量子计算机。

09

经典计算机里,一个比特处于01两种状态之一,两个比特则处于四个状态里的某一个。但在量子计算机里,四个状态可以同时存在,随着量子比特数越来越多,同时叠加存在的状态数是指数增长的。利用量子比特这样一种叠加的性质,我们可以设计一些相关的算法。这些算法可以快速分解大数、快速求解线性方程组等等。比如,利用万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数需要15万年,那就是我们现在的手提计算机,但是利用万亿次的计算机只需要一秒钟就可以了,一旦有超强的计算能力可以用到很多地方,气象预报,药物分析,基因分析,经典密码的破译都是可以,这是两个领域重要的应用。

其实在量子通信方面,目前在国内做的比较好,可以在城市里面做一个城域网,利用中技把城域网城际连起来,利用卫星实现远距离的量子通信。

我们从2007开始已经取得一些比较好的进展,在2012年这个系统已经在北京投入运行。后来慢慢把这些局域网,一个一个连起来,变成现在的 “京沪干线”,这个是基于可信中继技术。将来最终解决远距离量子通信这个问题,最好能用到量子中继,目前大家正在研究过程当中。而以目前的技术实现远距离的量子通信,则需要卫星的中转。通过十几年的努力,我们研制成功了国际上第一颗量子科学实验卫星 “墨子号”,在20168月份成功发射。

 

 

“墨子号” 有三大科学实验任务。第一个是星地之间的量子密钥分发,在1200公里的距离上,目前每秒钟点对点可以送十万个安全密钥,这比相同距离光纤的传输速率提高了20个数量级。第二个任务是实现了德令哈到乌鲁木齐,德令哈到丽江之间,距离都差不多是1200公里的量子纠缠分发,验证了即使相隔上千公里,量子纠缠之间的诡异互动也是存在的。第三个任务是实现了上千公里的量子隐形传态,这些工作都是在2017年完成的。“墨子号” 实现的天地之间的量子通信,再加上 “京沪干线” 所实现的千公里级光纤城际量子通信网络,一起构成了天地一体化广域量子通信网络的雏形。这是国际上量子信息领域一大标志性事件。

在“墨子号”基本任务完成之后,我们就想能不能用量子卫星来做一些跟广义相对论、跟引力相关结合的工作。大家都知道,目前融合广义相对论和量子力学的尝试,困难在于理论模型的检验需要极端的实验条件,例如极小的空间尺度,或者是极高的能标1019Gev后来有些科学家提出新的引力模型,比如这个 Event Formalism 模型。根据它的理论,引力会导致量子纠缠的退关联。2018年的时候,我们用 “墨子号” 做了一个实验,验证了至少在现有的精度下,第一种简单的 Event Formalism 模型被验证是不准确的。后来理论工作者改进了这个模型,进一步验证的话,那就需要上万公里纠缠的分发。我们还有很多工作要做。

在量子计算方面,目前国际上有几个公认的发展阶段:第一个阶段要实现50个量子比特的相干操纵,这样从这个图里面可以看到,只要达到50个比特,对特定问题的计算可以比目前最快的超级计算机算得快。

去年google发布一个结果,在经典超算上需要算1万年的东西,在google计算机只要算200秒就行了。第一步google走在前面,第二步要实现数百个量子比特的相干操纵,可以造一些专用的量子计算模拟机,让我们来做一些量子材料高温超导机制的研究。到第三阶段可以来做通用量子计算。所以google在去年的结果其实构成量子信息界另外一个重大的标志,正因为这样,google未来五年为了超导量子计算上大概会增加投入10亿美元左右,他们希望通过十年左右能够构造出一台大概能够达到百万比特的量子计算机,可以来破解2千多位R的密码,这是他们目前正在考虑的。

当然,这方面我们国家其实整体上的水平还是不错的,早在2012年的时候在拓扑量子纠错上做了一些比较好的工作,近期已经完成50个光子的高斯玻色采样,按现在初步估计和数据分析,应该能够比google的量子优越性大概快100万倍左右。当然,这个需要进一步分析,现在不能百分之百保证。

在超导量子计算方面,目前正在开展60个超导比特的量子相干控制,如果做成,大概在性能方面可以比google快三个数量级左右,这是目前正在开展的一些工作。 

第二个方面希望能够来解决一些实用化专用量子模拟机里的问题,我们在超冷原子量子模拟方面取得了比较好的进展,近期希望能够实现100个原子左右的相干操纵。

希望能够通过1015年的努力,在量子通信方面,对信息安全做一些比较好的工作。除此之外,利用在空间当中所发展的技术,会发射一颗中高轨卫星,这是一个长期的计划,这是我们在空间也可以进一步来做引力和量子理论相关的检验。

在量子计算方面,也希望通过10年左右的努力跟google一样,大概能够达到百万个量子比特的相干操纵,来试图构建具有基本功能的通用量子计算原型机,探索对密码分析和大数据分析方面的相关应用。

10

做一个总结,密码、算法主要是数学家的事情,为什么量子通信和量子计算是由物理学家先提出来的?

这里举一个例子,比如在这个地方有这么一个简单的问题,三个电灯泡,有三个开关,你怎么做才能在开关开完之后,搞清楚哪个开关控制哪个灯泡?对于数学家来说可能是解决不了的,物理学家会怎么做呢?

我们把两个电灯泡打开,过一会儿关掉一个,然后我过去,亮着的那个当然是我打开的那个,然后我用手摸一下,没亮但是发烫的那个是我刚刚关掉那个,凉的那个是我没有开过那个,所以物理学家能够利用物理的现象来解决更多的问题。

我希望很多人能够到西湖大学来学习物理,这样能解决一些数学家和计算机物理学家所解决不了的问题,开开关你跑过去,利用所谓的烫不烫就能够解决这个问题。

我觉得这个是我希望大家能够带回家的take home message,前面讲的这些量子信息技术都是“术”,都是具体的应用,本质上也没有什么太了不起的。但是我觉得随着对量子力学进一步研究,和对量子计算机深入的研究,可能给我们的观念带来两个非常深刻的转变,这就到了“道”的层面。经典计算机是决定论的,经典的人工智能是机器人,是没有自主意志的,量子力学第一次把观测者的意识和物质的演化结合起来,就像一公校长在几年前做过非常精彩的报告,谈论量子纠缠和意识的作用,这是一个非常有道理的东西。

我比较相信,随着人工智能研究的发展和量子计算机硬件的发展,到后来可能能够制造出或者构建出理解甚至超越人类的智慧。

(文中观点仅代表主讲人意见。)