潘建伟:经过十到十五年努力 发展天地一体广域量子通讯网络

新浪科技讯 北京时间11月7日消息,2020腾讯科学WE大会今日开幕,来自四大洲、六个国家的七位全球顶尖科学家线上与科学爱好者么们直播相聚。当代最伟大的理论物理学家之一的Steven Weinberg、量子物理学家潘建伟、脑机接口先驱Miguel Nicolelis、人造皮肤领域“材料大师”鲍哲南、金星生命迹象发现者Jane Greaves等都与大家分享了各自领域内的最新研究进展与亟待解决的重点问题。

潘建伟:经过十到十五年努力 发展天地一体广域量子通讯网络

被称为量子物理学家的中国科学院院士潘建伟从古生物学开始讲起,分享了关于新量子革命的发展。

有效信息的交互帮助人类形成社会化的群体,信息交互已经并将一直伴随着我们人类的进化和社会的发展。在我们这过程当中有两个东西是非常重要的,第一个是信息交互的效率,第二个是隐私保护。

要做到这两点就要提高计算能力、网络效率和信息网络安全技术水平。潘建伟院士表示,目前的计算能力发展处在瓶颈期,计算能力有限,传统的发展模式目前已经受到了严重的制约。而量子力学的发展,将有助于以上领域的发展进入新纪元。

由量子力学发展出的量子信息科学,将能够提供一种原理上无条件安全的通信方式,利用量子计算可以提供非常强大的计算能力,而用于各种各样的复杂系统的研究。

近年来,国内国际的量子秘钥分发、量子隐形传态、量子计算等量子信息科学方面的应用正在快速发展。潘建伟院士希望未来能够完整地发展天地一体广域量子的通讯网络技术体系,在国防、政务、金融、能源等领域以应用,为形成下一代的国家信息安全生态系统的奠定基础,也希望在量子计算方面,通过对数百个量子比特的相干操纵,能够对一些现实的问题的求解,研发具备基本功能的通用量子计算原型机,能够超越目前的超级计算机,并且能够来解决一些重大的科学问题、初步探索对密码分析、大数据分析等方面的相关应用。

  以下是潘建伟院士的演讲实录:

  大家好,非常高兴来到这里,跟大家分享我们正在开展的一些工作。

  我叫潘建伟,来自于中国科学技术大学。我今天给大家报告的题目是新量子革命。

  请允许我,从古生物学开始讲起。我们的古生物学告诉我们,在10万年之前我们存在着有两类人属。其中一类是尼安德特人,另外一类是智人。尼安德特人比智人更加强壮,甚至他的脑容量比现代人还大。智人,个体是弱于尼安德特人的。那么为什么智人会在进化当中胜出成为现代人的祖先呢? 其中主要的原因是智人发明了基本的符号和语言。有了符号和语言的帮助之后,人们就可以进行有效的信息的交互,以至于可以形成一个互为一体的社会化的群体。所以,他在对抗大自然的各种困难当中变得更加地有效。

  其实在人类的进化当中还有一个事情是非常重要的,就是所谓的隐私的保护。正因为大脑里面在想什么,在思考什么,是别人怎么样也没法知道的,所以它才能够导致思想的多样性。而思想的多样性,是创新与进步的源泉。比如古希腊的雅典学院和我们春秋战国时候的百家争鸣,正因为这样才导致了各种各样的思想出来推动社会文明的进步。

  在人类的历史上,有一次重要的科学革命。根据牛顿力学,他告诉我们一切力学的现象,都是可以统一为一个简单的公式F=ma。与此同时,麦克斯维尔建立的电动力学又告诉我们一切光电磁的现象都可以统一成为一个方程组。第一次科学革命所带来的科学进步,极大地推动了信息交互效率的提升。

  古时候的信息只是通过口口相传,更近一点,大家有书了、有纸了,可以用书进行千里传书,然后有了著作。到了近代,科学革命的发生,推动了第一次工业革命,也就是蒸汽机时代。同时推动了第二次工业革命,进入电力时代。所以整个地球已经变成一个地球村,信息交互的效率越来越高,巨大地推动了我们人类文明的进步。

  随着量子力学和相对论的建立,又发生了一次新的科学革命,这是人类历史上的第二次科学革命。在第二次科学革命当中,我们基本上把量子力学在过去100年中的应用归属成第一次量子革命。在第一次量子革命中,大家产生了非常多有用的东西。从某种意义上讲,我们第三次产业变革或第三次工业革命是建立在信息技术的基础之上的。信息技术的硬件的基础就是量子力学。没有半导体晶体管的发明,就不会今天的计算机、手机,没有万维网的发明就不会有我们现在的万物互联、互联网的概念。

  所以从计算、网络和感知方面,其实都是量子力学所带来的这么一个巨大变革。所以从某种意义上讲,信息交互已经并将一直伴随着我们人类的进化和社会的发展。在我们这过程当中有两个东西是非常重要的,第一个是信息交互的效率,第二个是我们的隐私的保护。这是刚才已经讲到了的。

  那么怎么来做到这两点呢?我们可以通过计算能力的提高和网络效率的提高来加强信息交互的效率。通过信息安全和网络安全,来加强对我们个人的和各类各样的隐私的保护。实际上,为了实现信息的安全,大家就设计各种各样的非常复杂的加密系统来保证信息的安全传输。有矛必有盾,在二战当中德军一个非常高级的密码,那个密码被图灵给破解了。现在我们广泛使用的一个公钥体系,RSA 512位在1999年就被破解了,768位在2009年被破解了。现在我们银行里面用的U盾,大概经常用的是1024位。大家现在已经建议,随着计算能力的发展,最好不要去使用它(RSA 1024)了。所以人类历史告诉我们的经验,就是依赖于计算复杂度的经典加密算法,随着我们计算能力的增加,原理上都会被破解。

  这么一来,我们的信息技术就面临着一个信息安全的问题,就是怎样才能够很好的达到我们信息的安全传输?早在一百多年之前,有一位作家,他就写过一段话,他说人们早就怀疑“以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码。”那么到底可不可以呢?这是我们后面要回答的一个问题。

  除此之外,随着社会的发展,我们信息交互的效率提高,我们计算能力的需求,也在快速的增长。第一台计算机是在1943年造出来的,当时的重量是一吨,它的功耗是8.5千瓦左右,每秒钟可以算5000次。在当时看来已经是非常的快了,所以当时IBM的总裁Thomas Watson曾经预言全世界估计只需要5台这样的计算机就可以了。

  但是经过了将近70年的发展,到了2010年的时候,其实一部智能手机的计算能力的总和已经超过了整个阿波罗登月计划的计算能力的总和。所以从这种角度上讲,我们对计算能力的需求是在快速地增长。

  目前我们所面临着的计算能力的瓶颈,就是我们拥有的计算能力是非常有限的,如果我们把全球的所有的计算机的计算力加在一起,一年里面,都没办法完成对2的90次方个数据的穷举搜索,但是这个传统的发展模式目前已经受到了严重的制约。摩尔定律正在逐渐地逼近极限,那么大概会在不到十年左右的时间,我们晶体管的尺寸大概就会达到原子尺寸——亚纳米水平。这个时候,晶体管的电路原理将不再适用。那么怎么来解决这些问题呢?

  量子力学,可以说是他生的第一个小孩就是现代信息技术。但他自己在百余年的发展过程当中,又已经准备好产生第二个小孩,为解决前面那种算力不够,信息安全的传输不够这些问题做好了准备。

  这里我需要简要的介绍一下什么叫做量子。所谓的量子,它其实就是构成物质的最基本单元,它是能量的最基本携带者,它的基本特征就是不可分割。比如说我手中有一个激光笔,这个激光笔打出来的光的能量,如果你可以用一个放大镜来看一下的话,其实发出来的光本身是由很多个小颗粒构成的,那么这样的小颗粒我们把它叫做光子或者光量子。你不可能再拿刀来切一下,变成1/2个光子等等。它有基本特征,它就叫作量子叠加。

  那么量子叠加是什么意思呢?在我们的经典物理学当中,一只猫,它可以处于死和活这么两个状态,可以来代表一个信息的传输单元0或者1,就是加载一个比特的经典信息。但是到了量子世界的时候,在微观世界里面的一只猫,它不仅可以处于0或者1的状态,甚至可以处于死和活这个状态的相干叠加。对这样一种态,我们就把它叫做量子比特。那在物理的实现上是非常简单的。

  一个光子在真空当中传播的时候,它可以沿着水平方向偏振,竖直方向偏振。这两个状态就代表0或者1。当它沿着45度方向偏振的时候,其实就是所谓的量子叠加态|0>+|1>。那么爱因斯坦对这个问题做了比较深入的思考,他说,对一只猫可以处于死和活状态的叠加,那么两只猫是不是可以处于活活和死死状态的叠加呢?这就相当于两个骰子纠缠在一起,哪怕他们相距非常遥远,一个在合肥的科大,一个在深圳腾讯的总部。那么我们在扔这个骰子的时候呢,单边的结果是完全随机的,但是两边的结果在当时实验当中的是一模一样的。

  爱因斯坦把这种现象:遥远地点之间的诡异的互动,这么一种现象就把它叫做是量子纠缠。对这个量子纠缠,在实验上怎样才能把它造出来呢?你需要有这种单个量子的调控,比如说我有一杯水,你把它喝掉一口是很容易的,但是如果你能在里面拿出一个水分子来,这在技术上就变成一个非常困难的事情。科学家经过几十年的努力,慢慢地掌握一种能力,可以对一个光子、一个原子把它拿出来,按照你的需要进行操纵,行进主动的操纵。

  那么有了这样一种能力后,你就可以把一个个量子比特,按照你的需要进行调控。那么这个时候就催生了一个新的学科,我们把它叫做量子信息科学,这直接导致了第二次量子革命的发生。那么利用量子通信可以提供一种原理上无条件安全的通信方式,利用量子计算可以提供非常强大的计算能力,而用于各种各样的复杂系统的研究。

  量子通信的第一个应用就是所谓的量子秘钥分发。那比如说有张三和李四,他们为了进行安全的通信,可以先送一系列单光子,处于各种各样状态的单光子,由张三送给李四。那么如果中间有个窃听者存在,那我刚才讲到这光子的能量是不再可分的,不能分成半个,所以如果窃听者要把这个光子拿走的话,接收者李四就收不到了,所以这个秘钥你就没有收到。

  那么另外一种可能性,比如窃听者对这个光子做个测量,那么量子力学里面有个原理—测不准原理。你去测量光子就会影响光子的叠加态,所以说有了窃听就必然会被发现。第一,它不能分半个光子,光子是不可分割的;第二,这种光的状态是去测量它,它就会被扰动。那么这个通信的双方,张三和李四,把那些被别人扰动过的或者被别人拿走的光子扔掉,就可以形成了一种安全的秘钥分发,利用安全的秘钥分发你就可以实现了加密内容不可破译的安全的量子通信。

  那么除了这个之外呢,我们可以利用量子纠缠可以把一个粒子的量子信息从一个地方的转移到另外一个粒子上,而不用传输这个物体本身。我这里举一个形象的比喻,比如说我在合肥要到深圳腾讯去开会,但坐飞机来不及了。如果说合肥的一个实验室和腾讯总部的一个实验室正好有一团纠缠物质,那么我们可以把合肥的潘建伟跟这样纠缠物质做一个操纵,把他纠缠起来。纠缠起来之后,你就会得到一种信息。那么这种信息通过网络传到深圳的腾讯总部,就是说对这些物质做一些操纵,我们就可以把潘建伟全须全尾地在深圳把它构造出来,我们把这样的过程就叫做量子隐形传态。

  那么当然在很久的将来,我们可能都无法做到传送一个复杂的物体,但是目前的技术已经允许我们可以进行了多体的、多终端的、多自由度的量子隐形传态。比如说几十个粒子、几百个粒子、甚至几百万个粒子所构成的一个系统的状态、是可以在一个网络里面走来走去的。那么这个东西其实本质上就是构建量子计算机的一个基本的单元了。那么量子计算机,因为它(量子比特)可以处于量子叠加,所以它的计算能力是随着可操纵的量子比特的数目呈指数增长的。那么这里我给你举个例子,比如说利用一台万亿次的经典计算机分解一个300位的大数的话大概需要15万年,但当你利用一台万亿次的量子计算机的话只需要一秒钟就行了。

  随着这个量子计算的发展我们可以把它用到经典密码的破译、气象预报、金融分析和药物设计等多个方面,这是它的一个相关的应用。那么具体地来说呢,在量子通信方面我们可以利用光纤,非常方便地在城市里面把秘钥送给千家万户。那么在两个城市之间那我们可以利用所谓的中继器把那个连接起来,来实现城市之间的量子通信。

  那么在更广的范围里面呢,我又可以利用卫星中转来实现远距离的量子通信。那么在这个方面呢,我们国家的学者已经做了比较好的工作。在过去的十多年中,慢慢先有城域网的小规模的应用,然后慢慢地拓展到我们的广域网,比如说北京到上海的一个“京沪干线”来开展了一些相关的应用。

  在这个基础之上,我们为了实现广域网。在2016年8月,中科院又发射了一颗“墨子号”量子科学卫星,这个墨子号有三大科学实验任务。那么第一个科学实验任务就实现了星地的量子密钥分发,那么这个呢,我们在这个实验当中顺利地完成了。

  那么第二步是实现千公里量子纠缠的分发,我们在一千两百零七公里的范围里面,确实证明了这两个纠缠粒子有前面所说的爱因斯坦所说的遥远地点之间的诡异的互动这么一种功能。除此之外呢,我们也实现了千公里量级的量子隐形传态。那么这么一个技术呢,在未来的量子互联网里面是非常有用的。

  除了在量子通信方面,我们国内的学者取得一些比较好的结果之外,其实在国际上有另外一个研究的热点,它就是量子计算。那么量子计算本质上,目前的国际的学术界大概把它们分成三个阶段。第一个阶段,我们希望能够造出一台机器来,这台机器在计算某个具体的问题上,它可以比目前最快的超级计算机算的快。那么为了达到这个目标(也称作“量子优越性”),我们大概需要有50个量子比特的相干操纵,这是当时我们学术界的一个目标。

  随着这个目标完成之后,在第二阶段,我们希望能够操纵数百个量子比特的这么一种量子计算机,我们把它叫做专用量子模拟机。利用它可以来揭示若干经典计算机无法胜任的一些计算任务,那么通过更长时间的努力呢,我们希望能够来实现一种可编程的通用量子计算机,这是从事量子计算工作的我们心目当中的一个发展历程。

  去年的时候,美国的谷歌公司,在国际上利用一台超导量子计算机首次实现了量子优越性。在它的工作当中呢,它说利用它那53个比特的超导量子系统,耗时200秒就可以来完成一个随机的线路采样。那么当时按照他们的这个理论,在世界排名第一的超级计算机Summit要来计算这个同样的的事情,需要1万年。当然后来大家对算法做了一些改进,大概Summit如果有其他资源的帮助,几天就可以了,但无论如何,它确实是首次实现了量子的优越性。

  那么在这个方向呢,中国的学者也做了比较好的工作。2017年,中国的学者就实现了首个针对特定问题求解超越早期经典计算机的光量子计算原型机。最近也有一些比较好的进展,已经在开展了50个光子左右的玻色取样,也应该是可以达到超越谷歌的这么一个量子优越性。那么除此之外,我国的学者也在前期多年工作基础之上,近期已经开展60左右的超导量子比特的相干操纵,估计在今年年底也有希望能够达到超导系统的量子优越性。

  最后,我做个总结简要来展望一下我们这个领域未来的可能发展。那我们想经过十到十五年的努力呢,我们希望能够完整地发展天地一体广域量子的通讯网络技术体系。在这个基础上呢,在国防、政务、金融、能源等领域以应用,为最后形成下一代的国家信息安全生态系统的奠定基础,这是第一方面。

  那么第二方面,我们希望在量子计算方面,通过对数百个量子比特的相干操纵,能够对一些现实的问题的求解,能够超越目前的超级计算机,并且能够来解决一些重大的科学问题。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

  除此之外,我们也希望通过十到十五年的研究能够研发具备基本功能的通用量子计算原型机,来初步探索对密码分析、大数据分析等方面的相关应用。

  我的报告就到这里,非常感谢大家用宝贵的时间来听我这个报告!

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