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量子物理学家潘建伟:量子力学第二胎正准备展示实力

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导读:量子物理学家潘建伟:量子力学第二胎正准备展示实力中国科学院院士、量子物理学家潘建伟腾讯科技讯11月7日,2020腾讯科技WE大会在线举行。中国科学院院士、量子物理学家潘建

发表日期:2020-11-11

文章编辑:兴田科技

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标签:潘建伟,量子,孩子,革命,单光子,中国科学院,信息,通信,尼安德特,进步,量子,潘建伟,光子,量子比特,计算机

量子物理学家潘建伟:量子力学第二胎正准备展示实力

中国科学院院士、量子物理学家潘建伟

腾讯科技讯11月7日,2020腾讯科技WE大会在线举行。中国科学院院士、量子物理学家潘建伟以量子计算和量子通信为题发表了演讲。

潘建伟指出,我们目前面临的计算能力瓶颈是我们拥有的计算能力非常有限。如果把世界上所有计算机的计算能力加起来,一年之内是无法完成2到90次方数据的穷举搜索的,传统的开发模式目前受到了严重的限制。因为摩尔定律正在逐渐接近极限,晶体管的尺寸将在不到十年的时间内达到——亚纳米的原子尺寸。这时,晶体管的电路原理将不再适用。

那么如何解决这些问题呢?潘建伟给出了答案:量子力学。量子力学生的第一个孩子是现代信息技术,准备生第二胎,可以解决计算能力不足,信息传输不安全的问题。

潘建伟介绍,量子计算本质上,目前的国际学术界大概把它们分成三个阶段:

第一阶段:我们希望建造一台比目前最快的超级计算机更快地计算特定问题的机器。那么,为了实现这个目标,我们大概需要有50个相干操控的量子位,这也是我们当时学术界的目标之一。

第二阶段:我们希望一台量子计算机可以操纵数百个量子位,这叫做特殊的量子模拟器,这样我们就可以用它来揭示一些经典计算机无法完成的计算任务。

第三阶段:我们希望实现一个可编程的通用量子计算机。

除了量子计算,潘建伟还介绍了量子通信中的相关应用,其中之一就是所谓的量子密钥分发。比如,为了安全通信,两个人可以发送一系列单光子,从A到b,状态各不相同。

如果中间有一个窃听者,光子能量就不再可分,不能分一半,所以如果窃听者想把这个光子带走,接收器B就收不到了。

或者说如果窃听者测量这个光子,量子力学中有一个原理——测不准原理。测量光子会影响光子的叠加态。

所以窃听必然会被发现:一是不能分成半光子,光子是不可分的;第二,这个光的状态是测量的,会被干扰。

然后这个通信的双方就可以把已经被别人干扰或者带走的光子扔掉,就可以形成安全的密钥分发。通过使用安全密钥分发,可以实现加密内容无法破译的安全量子通信。

最后,潘建伟说,随着量子计算的发展,我们可以在很多方面使用它,比如破译经典密码、天气预报、金融分析、药物设计,这些都是未来可以应用到的相关领域。

以下为潘建伟教授演讲全文:

大家好,我很高兴来到这里,与大家分享我们正在做的一些工作。

我叫潘建伟,来自中国科技大学。我今天给大家报道的题目是新量子革命。

请允许我从古生物学开始。我们的古生物学告诉我们,10万年前有两种属。一个是尼安德特人,一个是智人。尼安德特人比智人强壮,甚至他的脑容量比现代人还大。智人,个体比尼安德特人弱。那么智人为什么会在进化中胜出,成为现代人的祖先呢?主要原因是智人发明了基本的符号和语言。借助符号和语言,人们可以有效地交流信息,从而形成一个相互融合的社会群体。因此,他在面对大自然的各种困难时变得更加有效。

其实人类进化还有一个很重要的东西,就是隐私的保护。正是因为大脑里在想什么,正在想什么,别人不可能知道,所以才会导致思想的多样性。思想的多样性是创新和进步的源泉。比如古希腊的雅典学院和春秋战国时期的百家争鸣,引发了推动社会文明进步的各种思潮。

在人类历史上,发生了一场重要的科学革命。根据牛顿力学,他告诉我们所有的力学现象都可以统一成一个简单的公式F=ma。同时,麦克斯韦建立的电动力学告诉我们,光电磁的所有现象都可以统一为一个方程组。第一次科学革命带来的科学进步极大地促进了信息交流的效率。

在古代,信息只能通过口头传播。再近一点,大家都有了书和纸,可以用书把书传播千里,然后就有了书。近代,科学革命推动了第一次工业革命,即蒸汽机时代。同时推动了第二次工业革命,进入权力时代。因此,整个地球已经成为一个地球村,信息交流的效率越来越高,极大地促进了我们人类文明的进步。

随着量子力学和相对论的建立,发生了一场新的科学革命,这是人类历史上的第二次科学革命。在第二次科学革命中,我们基本上把过去100年来量子力学的应用归功于第一次量子革命。在第一次量子革命中,产生了许多有用的东西。从某种意义上说,我们的第三次工业转型或者说第三次工业革命是以信息技术为基础的。信息技术硬件的基础是量子力学。没有半导体晶体管的发明,就没有今天的电脑和手机,没有万维网的发明,就没有万物互联的概念。

所以从计算、网络、感知来说,其实就是量子力学带来的这么大的变化。因此,从某种意义上说,信息交互一直并将永远伴随着我们人类的进化和社会的发展。在我们的过程中有两件非常重要的事情,第一是信息交流的效率,第二是对我们隐私的保护。这是刚才说的。

那么这两件事怎么做呢?我们可以通过提高计算能力和网络效率来提高信息交互的效率。通过信息安全和网络安全,我们可以加强对我们个人和各种隐私的保护。事实上,为了实现信息安全,我们设计了各种非常复杂的加密系统,以确保信息的安全传输。有矛有盾。二战时德军有一个非常先进的密码,被图灵破解了。现在广泛使用的公钥系统,1999年破解了RSA 512位,2009年破解了RSA 768位。我行目前使用的u盾,频率大概在1024位左右。有人建议,随着计算能力的发展,最好不要用(RSA 1024)。所以人类历史告诉我们的经验是,依赖计算复杂度的经典加密算法,原则上会随着我们计算能力的增加而被破解。

因此,我们的信息技术面临着一个信息安全问题,即如何实现信息的安全传输。早在100多年前,就有一位作家写过一段话,说人们早就怀疑“人类的智能无法构造出人类自己牢不可破的密码。”那么有可能吗?这是我们以后要回答的问题。

此外,随着社会的发展,我们的信息交换效率提高了,对我们计算能力的需求也在快速增长。第一台计算机建于1943年。当时它的重量是一吨,耗电8.5千瓦左右,每秒可算5000次。当时好像很快,于是当时的IBM总裁托马斯沃森(Thomas Watson)预测,世界上只需要5台这样的电脑。

力的总和已经超过了整个阿波罗登月计划的计算能力总和。因此,从这个角度来看,我们对计算能力的需求正在迅速增长。

目前,我们面临着计算能力的瓶颈,即我们拥有的计算能力非常有限。如果把世界上所有计算机的计算能力加起来,一年之内不可能完成2到90次方数据的穷举搜索,但是这种传统的开发模式目前已经受到了严重的限制。摩尔定律正在逐渐接近极限,所以在不到十年的时间里,我们晶体管的尺寸很可能会达到——亚纳米的原子尺寸。这时,晶体管的电路原理将不再适用。那么如何解决这些问题呢?

量子力学,可以说他的第一个孩子是现代信息技术。但在100多年的发展历程中,他准备要二胎,准备解决计算能力不足和信息安全传输不足的问题。

这里我需要简单介绍一下什么叫做量子。所谓量子,其实就是物质最基本的单位,能量最基本的载体,它的基本特征就是不可分割性。比如我手里有一支激光笔。如果你能用放大镜看一下这支激光笔发出的光的能量,光本身其实是由很多小粒子组成的,所以我们把这样的小粒子称为光子或光量子。不能再用刀切开,变成1/2光子之类的。它有基本特性,叫做量子叠加。

那么量子叠加是什么意思呢?在我们的经典物理中,一只猫,可以是死的,也可以是活的,可以代表一个信息传输单位0或1,这是装载了一位的经典信息。但说到量子世界,微观世界的猫不仅可以处于0或1的状态,还可以处于死态和活态的相干叠加。对于这样的状态,我们称之为量子位。这在物理实现上非常简单。

当光子在真空中传播时,它可以被水平和垂直极化。这两个状态代表0或1。当它沿45度偏振时,其实就是所谓的量子叠加态|0 |1。然后爱因斯坦对这个问题进行了深入思考。他说,如果一只猫可以处于死与活的叠加状态,两只猫可以处于活与死的叠加状态吗?这就相当于两个骰子纠缠在一起,即使相隔很远,一个在合肥科技大学,一个在深圳腾讯总部。我们掷骰子的时候,单边结果是完全随机的,但是双方的结果在当时的实验中是完全一样的。

爱因斯坦称这种现象为:遥远地方的奇怪相互作用。这样的现象叫做量子纠缠。我们如何通过实验创造这种量子纠缠?你需要这个单一的量子控制。举个例子,我有一杯水,你喝了很容易,但是如果你能把里面的一个水分子拿出来,技术上就变成一件很困难的事情了。经过几十年的努力,科学家们慢慢掌握了取出一个光子和一个原子,根据你的需要进行操控,并主动操控的能力。

然后,有了这样的能力,你就可以根据自己的需要控制每个量子位。然后这个时候一门新的学科诞生了,我们称之为量子信息科学,直接导致了第二次量子革命。那么量子通信原则上可以提供一种无条件安全的通信方式,量子计算可以提供非常强大的计算能力,可以用于各种复杂系统的研究。

量子通信的第一个应用是所谓的量子密钥分发。比如有张三,李四。为了安全通信,他们可以发出一系列单光子,处于各种状态,张三会发给李四。所以如果中间有窃听者,我刚才说这个光子的能量不再可分,不能分一半,那么如果窃听者想把这个光子带走,接收器李四是收不到的,所以你收不到这个秘钥。

那么另一种可能,比如窃听者测量这个光子,就是量子力学中有一个原理——测不准原理。如果测量光子,会影响光子的叠加态,所以偷听的话会被发现。第一,不能分成半个光子,光子是不可分的;第二,这个光的状态是测量的,会被干扰。然后这个通信的双方,张三和李四,把别人干扰的或者别人带走的光子扔掉,就可以形成一个安全的密钥分发。通过使用安全密钥分发,可以实现加密内容不可破译的安全量子通信。

所以除此之外,我们可以利用量子纠缠将一个粒子的量子信息从一个地方转移到另一个地方,而不需要传输物体本身。这里我举个形象比喻。比如我要去深圳腾讯在合肥开会,但是坐飞机来不及了。如果合肥的一个实验室和腾讯总部的一个实验室恰好有一团纠缠的物质,那么我们就可以用这样的纠缠物质操纵合肥的潘建伟,缠住他。纠缠过后,你会得到一个信息。然后这种信息通过网络传输到腾讯深圳总部,也就是说,如果我们对这些物质做一些操纵,就可以构建出深圳的潘剑伟,我们称这个过程为量子隐形传态。

那么,当然,在很长的将来,我们可能无法传输一个复杂的物体,但是目前的技术已经允许我们进行多体、多终端、多自由度的量子隐形传态。例如,由几十个粒子、几百个粒子甚至几百万个粒子组成的系统的状态可以在一个网络中走来走去。所以这个东西其实是建造量子计算机的基本单位。那么量子计算机,因为它(量子位)可以处于量子叠加,它的计算能力随着可控量子位的数量呈指数增长。所以我在这里举个例子。举个例子,用万亿次经典计算机分解一个300位的大数大约需要15万年,而你用万亿次量子计算机只需要1秒。

解码,天气预报,金融分析,药物设计,这是一个相关的应用。所以具体来说,在量子通信中,我们可以非常方便地使用光纤将密钥发送到城市中的成千上万个家庭。然后,在两个城市之间,我们可以通过所谓的中继器将它们连接起来,实现城市之间的量子通信。

在更广的范围内,我可以利用卫星中继实现远距离量子通信。在这方面,我国学者做得很好。在过去的十年里,城域网(MAN)的小规模应用开始缓慢,然后逐渐扩展到我们的广域网,比如一条从北京到上海的“京沪干线”,开展一些相关的应用。

在此基础上,为了实现广域网。2016年8月,中国科学院又发射了一颗“墨子”量子科学卫星,该卫星有三大科学实验任务。然后第一个科学实验任务实现了卫星的量子密钥分配,而这个,我们在这个实验中成功完成了。

那么第二步就是实现几千公里量子纠缠的分布。在1207公里范围内,我们已经证明了这两个纠缠粒子具有爱因斯坦之前所说的遥远地方之间的奇怪相互作用的作用。除此之外,我们还实现了几千公里量级的量子隐形传态。所以这样的技术在未来的量子互联网中会非常有用。

除了在量子通信方面取得一些不错的成果之外,世界上还有一个研究热点,那就是量子计算。因此,目前国际学术界基本上将量子计算分为三个阶段。在第一阶段,我们希望构建一台比目前最快的超级计算机更快地计算特定问题的机器。那么,为了实现这个目标(也叫“量子优势”),我们大概需要有50个量子比特的相干操控,这是我们当时学术界的一个目标。

随着这个目标的完成,在第二阶段,我们希望有这样一台可以操纵数百个量子比特的量子计算机。我们称之为特殊的量子模拟器。可以用来揭示一些经典计算机做不到的计算任务。然后,通过更长期的努力,我们希望实现一个可编程的通用量子计算机,这是我们从事量子计算头脑中的一个发展历程。

去年,美国谷歌公司(Google Inc .)利用世界上第一台超导量子计算机,首次实现了量子优势。在它的工作中,它说使用它的53位超导量子系统,花了200秒完成一次随机线采样。然后根据他们的理论,世界第一超级计算机Summit用了一万年才计算出同样的东西。当然后来大家对算法做了一些改进。也许Summit可以借助其他资源在几天内完成,但无论如何,这是它第一次意识到量子的优越性。

所以在这个方向上,中国学者也做的比较好。2017年,中国学者实现了光学量子计算的第一个原型,可以解决具体问题,超越早期经典计算机。最近有一些比较好的进展。已经进行了50个光子左右的玻色采样,应该也达到了这样一个超越Google的量子优势。此外,中国学者最近在往年工作的基础上对约60个超导量子比特进行了相干操纵,估计有望在今年年底实现超导系统的量子优势。

最后,我将做一个总结,并简要展望我们领域未来可能的发展。然后经过10到15年的努力,希望能全面发展天地一体的广域量子通信网络技术体系。在此基础上,应用于国防、政务、金融、能源等领域。为最终形成下一代国家信息安全生态系统奠定基础,这是第一个方面。

第二个方面,我们希望在量子计算中,通过数百个量子比特的相干操控,可以解决一些实际问题,超越目前的超级计算机,解决一些重要的科学问题。

此外,我们也希望通过十到十五年的研究,能够开发出具有基本功能的通用量子计算原型,从而初步探索密码学分析和大数据分析中的相关应用。

我的报告到此为止。非常感谢您抽出宝贵的时间来听我的报告!返回主页查看更多信息

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