量子计算所带来的技术变革

　　随着科技的发展，第一次工业革命，蒸汽机，铁路的出现，我们信息的传递效率和交互效率就变得越来越高了，整个世界也就慢慢变小了，我们就可以进行环球旅行。第二次工业革命是电动力学的应用，把整个世界都紧密地结合在一起。

　　到了现代，因为有计算机和互联网的出现，其实整个地球都变成一个村子了。所以说，我们整个人类进化的历史，信息交互的进步是一直伴随其中的。在这一过程中，我们有两个基本的问题是需要解决的，一个信息交互的效率，一个是隐私的保护，也就是信息安全。

　　信息交互的未来挑战

　　随着信息科技的发展我们也慢慢面临着相应的瓶颈，目前我们面临着两项重大的问题，第一个计算能力的瓶颈，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米量级，电子的运动规律就不再遵守经典物理学的规律。而且目前所谓的超级计算机或者说是数据中心，但是它们的能耗是巨大的，进一步发展是难以为继的。所以随着大数据和信息爆炸的到来，我们需要迫切解决的问题是未来计算机怎么发展。

　　第二个问题和我们更加相关，就是需要解决信息安全的问题，比如说芯片从国外进口进来，可能芯片会留有后门，这样芯片本身可以把电脑里的信息主动往外泄露，一些存储条也可以预设木马，对信息进行截屏，往外发送，所以我们的终端因为种种原因是不安全的。

　　有一种解决方法，可以对超级计算机进行加密，但随着计算能力的增加，原来那些非常有效的加密算法也都已经被破解了。

　　这么一来，大家都希望能够建立下一代的标准密码。非常不幸的是，这些标准密码还没投入使用，又被发现是不安全的了。大家可能还没有直接受到过损害，其实网络犯罪每年给全球带来了大量的经济损失。我可以引用美国战略和国际问题研究中心的数据，目前网络犯罪每年给全球造成数千亿元的经济损失，更加不用说因为种种可能的其他原因，对国防安全、政务安全方面造成的损失。所以信息安全问题也是无所不在的。随着我们进入信息社会，信息安全的瓶颈也是必须要解决的。

　　量子世界的“分身术”和“筋斗云”

　　刚刚提到的种种问题，其实量子力学在近百年的发展过程当中已经为之做好了准备。这其中正好要用到的两个概念：分身术和筋斗云。

　　具体来说，第一个就是要适当利用量子世界的分身术。这得益于上个世纪的一些物理学家建立的量子力学。量子力学和我们日常生活中的经验有一个很大的区别，就是我们日常生活的世界里，比如某个人在这儿听报告，他就不可能在他的办公室；我在这个地方，就不可能在上海或者合肥。这是经典世界告诉我们的：我们某个时间只能在某个地方。但在量子世界，对于一个微观的客体，它不仅在这里，也可以在那里，同时在好多个地方。这个在日常生活里是遇不到的。

　　在量子世界中，对于微观的客体可以在好多个地方同时存在，这是什么意思？我举个例子简单解释一下。比如我去德国法兰克福访问，完成工作后飞机落在北京。从法兰克福回来，可以选择两条航线，一条从莫斯科过来，一条从新加坡过来。假设到了北京之后，朋友问我，你是从哪条航线过来的？因为坐飞机的时候我睡着了，没看从哪一条航线过来，只记得当时睡着的时候，感到一冷一热。可大家都觉得不可能同时走两条线路，一定是我工作太累了，发生了错觉，最好下次出访的时候睁大眼睛，看看到底是从哪条路线回国的。

　　刚刚讲到的就是量子世界中很有意思的现象，那么它什么时候会存在呢？但凡是整个宇宙间没有任何一个人知道我是从哪条航线过来的时候，我就处于同时存在两个地方的状态，就是没有任何人看到他，这是一个很重要的前提。这点就非常有意思，也就是说只要有人睁开眼睛稍看一眼，我就只处于某种状态，这就是量子世界里的分身术。

　　为了解释这样的现象，在量子力学里面就说，第一，在某些特殊的情况下，如果说你没在看这个客体到底是处于哪个位置的时候，在某些特定情况它可以同时处在两个位置。第二个又告诉我们，就是量子客体的状态，你只要轻轻地去观测一下，对它的影响就不可逆转了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。

　　这套理论在哲学上讲是非常积极的，整个世界是唯物的，但只要“人睁开眼睛看看”又是对世界能产生影响的，所以量子客体的状态是会被测量所影响的。所以平常一个人不会同时出现在两个地方，因为哪怕一个人睡着了，日光灯一照也知道他在哪个地方，或者说别人看你一眼就知道你在何处了。但是到了微观世界的某种特定条件下，如果说没有任何信息告诉你是从哪里来的，你就会处于这种不确定的状态，利用这种状态就可以做很多事情。

　　这里还要提出一个量子纠缠态和纠缠粒子的概念。这是什么概念？比如说我今年春节回老家，正好见到了某个朋友，我就想着送他一个骰子作为礼物，我就把两个纠缠粒子的其中一个送给了他，我事先做好了，他的这个骰子跟我这个骰子是纠缠态。回到合肥的办公室后，我就给他打电话，要求他把手中的骰子扔一下，结果每次都是六分之一的概率，每次都能得到1到6其中的一个数。于是他就扔了几百次，并把每次的结果写下来，每次都是随机得到1到6里面的某一个点数。我就跟他说你第一次是多少，第二次是多少，每次我都可以猜得出来。为什么呢？因为他的骰子一扔6，我这边的骰子也变成6了，所以一旦处于两个粒子的叠加态，就会有这样一种神奇的互动。

　　就在2015年，这么一种对普通人来说不可思议的现象基本在物理角度上被确证了。有了这些基础后，就诞生了一个新的学科——量子信息科学。量子信息科学我们国家参与的比较早，目前我们与国外是处于并跑，甚至在某些方面处于领跑状态。这其中量子通信和量子计算及模拟是比较重要的，可以为计算能力和信息安全提供一个变革性的解决途径。

　　具体来说，比如说量子通信，我们可以将其用于保密通信，也就是量子密钥分发。因为它是不可复制的，所以不管你是窃取还是拍照复制，只要你去测密钥就会不一样。所以如果我从合肥给朋友发送一份电子邮件，最后只要拿出密钥比对一下，如果两者的错误率很低，我们就能肯定这组密钥没被人偷看过。这就是一种绝对安全的通信方式。那么“筋斗云”又是什么意思呢？

　　比如说我从北京到金华给朋友带了一个装在箱子里的礼物，但是我忘了把钥匙给带来了。如果这是更高级的锁和钥匙，它是量子态的，而我们知道量子态又是不能被测量的，一测量它的状态就会改变，这该怎么办呢？1994年的时候，一群美国科学家提出利用量子纠缠的概念我可以对上海的这个潘建伟和旁边这种纠缠物质进行一种测量，把它都变成一个个纠缠粒子，我们可以实现量子隐形传态的操作，把那把钥匙以光的速度传到金华。

　　怎么做呢？具体来讲就是让北京和金华之间有很多的纠缠物质，并把他们组成纠缠对，把纠缠对的信息，通过无线电台可以把它发射到金华。到了金华之后，可以对这团物质再做一种所谓的变换，用同样多的物质把它重构出来。这样一种过程，就叫作量子世界的筋斗云。

　　当然，要传送人、传送比较复杂的客体，估计还需要100年甚至更长的时间。但是，这样一种能力就保证了量子信息可以在网络里面走来走去了，这就是多体、多终端、多自由度的量子隐形传态，它能够构成一种分布式的量子信息处理的单元。

　　（根据潘建伟院士在2017金华发展大会开幕式及发展论坛上的演讲整理而成，未经本人确认。）

　　中国科学院院士 潘建伟

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