量子飛躍中的中國成果及前景

延軍+金慧楠

編者按：在世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機誕生前夕，4月28日，中科院院士、中國科技大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉教授應(yīng)邀為市人大常委會理論學(xué)習(xí)中心組作了《量子飛躍：從神話傳說到哲學(xué)到信息科技》報告。本刊特約記者圍繞有關(guān)內(nèi)容進行了專訪。

【人物介紹】潘建偉，現(xiàn)任中科院量子科學(xué)實驗衛(wèi)星先導(dǎo)專項首席科學(xué)家，中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心主任。2016年1月，潘建偉領(lǐng)銜的團隊榮獲國家自然科學(xué)獎一等獎。他還被評為“感動中國2016年度人物”。

“墨子”沉寂千年 王者歸來

記者：請您談?wù)勅ツ晡覈l(fā)射首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的反響？為什么取名叫墨子號？

潘建偉：去年8月16日，我國發(fā)射了世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、公眾媒體的廣泛關(guān)注，美國、英國、歐洲的眾多著名新聞媒體都作了報道。2016年底，英國《自然》雜志把量子衛(wèi)星、引力波等成果列為影響世界的重大科學(xué)事件。全世界最有影響的科普雜志之一《科學(xué)美國人》雜志評選了2016年度改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星也是其中一項，也是唯一來自美國本土之外的項目。

為什么把首顆量子科學(xué)衛(wèi)星取名為墨子號？主要源于中國古代科學(xué)家墨子。研究科學(xué)史的英國科學(xué)家李約瑟通過考古發(fā)現(xiàn)，墨子在《墨經(jīng)》中很早就提出了許多科學(xué)概念，如，他提出小孔成像原理，證明光是沿著直線傳播的，成為照相機原理，也構(gòu)成了光學(xué)最基本基礎(chǔ)。原子的概念也是墨子很早就提出來了：“端，體之無序而最前者也”，與希臘哲學(xué)家德謨克里特同時期提出來的。墨子還提出了牛頓定律雛形：“止，以久也，無久之不止”，比當(dāng)時西方科學(xué)家還要早。正因為如此，2016年底《華爾街日報》發(fā)表社評說，“沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”，其中說到我國首顆量子通信衛(wèi)星在世界上起到了引領(lǐng)作用。所以，將量子科學(xué)實驗衛(wèi)星命名為“墨子號”，體現(xiàn)了一種文化自信。

量子革命不是神話 打造夢幻傳奇和重大機遇

記者：量子技術(shù)目前的應(yīng)用主要體現(xiàn)在哪些方面？

潘建偉：第一次量子革命很大程度上改變了我們的生活。人們也許不知道量子力學(xué)是什么，卻在生活中到處使用量子力學(xué)。從1900年量子論概念被提出開始，量子力學(xué)就應(yīng)用在核能、核磁共振、晶體管利用等方面。對量子力學(xué)的研究和應(yīng)用也催生了現(xiàn)代信息技術(shù)，例如第一臺計算機就是在研究原子彈的過程中造出來。制造原子彈需要大量復(fù)雜的計算，用算盤或打草稿都不能完成這些計算，所以第一臺現(xiàn)代計算機被發(fā)明出來用于解決原子彈制造過程中的計算問題；又比如，為了把西歐核子中心的實驗數(shù)據(jù)向分布在全世界的科學(xué)家傳送，誕生了互聯(lián)網(wǎng)的雛形。

時至今日，需要引起注意的主要有以下兩方面：

一是信息安全方面的問題。斯諾登事件提醒我們，一個國家如果不能保護信息安全，就會處于非常危險的狀態(tài)。以后的戰(zhàn)爭是網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)爭，是沒有硝煙的戰(zhàn)爭。現(xiàn)在的語音技術(shù)可以模仿聲音冒充身份，信息在傳輸途中可能被竊聽，信息在傳遞時會被篡改等。傳統(tǒng)的信息安全都是基于加密算法的，但是加密算法的安全性依賴于計算復(fù)雜度，隨著計算能力的不斷提升，傳統(tǒng)的加密算法被破解的風(fēng)險也越來越大。

二是計算能力方面的問題。大數(shù)據(jù)時代讓很多人無秘密可言，但也有其好處。比如數(shù)據(jù)分析對醫(yī)療等起到很重要的作用，科學(xué)家可以通過提取和分析一個人一生成長過程中的各種數(shù)據(jù)，來研究對人類疾病的預(yù)防和治療。大數(shù)據(jù)時代人類對計算能力的需求，可以用“貪得無厭”來形容。但是，目前人類所擁有的計算能力還相當(dāng)有限，比如現(xiàn)在全世界的計算能力總和都不能在一年時間內(nèi)完成對280個數(shù)據(jù)的窮舉搜索。而且傳統(tǒng)的計算能力發(fā)展模式，隨著“摩爾定律”的逐漸失效，也面臨著巨大的困難。

幸運的是，量子力學(xué)發(fā)展已為解決這些重大問題做好準(zhǔn)備，以量子信息為代表的第二次量子革命正向我們走來。量子信息有三個代表性應(yīng)用：一是量子通信應(yīng)用，提供一種原理上無條件安全通信手段，即量子密鑰分發(fā)；二是量子計算，提供超快計算能力，有效解決復(fù)雜計算問題；三是使測量精度超越經(jīng)典極限。

具體來說，量子密鑰分發(fā)是指收發(fā)雙方利用單光子的量子態(tài)來加載信息，通過一定的協(xié)議產(chǎn)生一組密鑰。單光子的不可分割性和未知量子態(tài)的不可復(fù)制性從原理上保證：一旦有人試圖竊取這組密鑰的信息，就必然會被通信方察覺。通信方這時可以丟棄存在竊聽風(fēng)險的密鑰，在網(wǎng)絡(luò)中換一條安全的線路繼續(xù)生成密鑰。換句話說，只要量子密鑰分發(fā)雙方建立起了密鑰，就一定是未經(jīng)竊聽的“純凈”的密鑰。通過這組密鑰對經(jīng)典比特進行“一次一密”的加密，就可以做到原理上無條件安全的通信。量子通信的安全性是基于物理學(xué)原理而不是計算復(fù)雜度的，不會因為計算能力提升而被破解，可以從根本上解決信息安全問題。

量子計算的計算能力隨可操縱的量子比特數(shù)目呈指數(shù)增長，因此具有強大的并行計算能力。比如，對于在人工智能中廣泛應(yīng)用的求解線性方程組問題，求解一個億億億變量的線性方程組，用目前最快的超級計算機需要100年，而利用量子計算機只需0.01秒。從這個角度來看，如果量子計算機能夠研制出來，就可以解決大規(guī)模計算的難題，比如密碼分析、氣象預(yù)報、石油勘探、金融分析等。我可以引用麻省理工學(xué)院的《技術(shù)評論》發(fā)表的一篇文章說明這個問題：“當(dāng)量子計算機發(fā)展到50個量子位的時候，就能夠?qū)崿F(xiàn)量子稱霸，能夠超過世界上任何傳統(tǒng)計算機，能夠解決任何傳統(tǒng)計算機解決不了的問題。實現(xiàn)‘量子稱霸，必將成為物理學(xué)和計算機科學(xué)的里程碑，雖然不能說出確切的時間，但應(yīng)該為時不遠(yuǎn)。”

還有就是量子精密測量，也非常有用的。舉一個例子：如果利用基于量子精密測量的自主導(dǎo)航技術(shù)，就可以保證水下航行一百天只有不到一公里甚至更小的偏差，這樣就不用定期上浮用衛(wèi)星來校準(zhǔn)定位，可以長時間在水下潛伏。這一技術(shù)在汽車上也可以使用，不用北斗導(dǎo)航，可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航。量子精密測量將來在醫(yī)學(xué)檢測、引力波探測、激光制導(dǎo)等方面都非常有用。

記者：請您對兩次量子革命作一個小結(jié)。

潘建偉：第一次量子革命中所催生現(xiàn)代信息科技，已經(jīng)對社會面貌和生活方式產(chǎn)生了巨大影響，而以第一顆原子彈為代表的核武器的研制，則從根本上影響了20世紀(jì)的政治格局。可以預(yù)期，以量子信息為代表的第二次量子革命，對未來信息時代的綜合國力和國家的競爭力，必然會產(chǎn)生根本的影響，帶來物質(zhì)文明的巨大進步，同時也給了我國一個從經(jīng)典信息時代的跟隨者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)的引領(lǐng)者的很好的機遇。

立足全球 展望“國際性引領(lǐng)”“量子稱霸”

記者：請您展望一下我國量子技術(shù)研究工作的前景。

潘建偉：在量子技術(shù)研究方面，我們已到深化發(fā)展、快速突破階段。量子信息是科技前沿，是國家的戰(zhàn)略需求，需要多學(xué)科交叉、各種技術(shù)融合來進行綜合集成。根據(jù)習(xí)近平總書記的要求，中科院在2014年提出“率先行動”計劃，成立了量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心，這是中科院首個啟動的卓越創(chuàng)新中心，有合肥和上海兩個基地，兩地都已掛牌，分工各有側(cè)重。未來，我們非常有信心，通過國家量子信息領(lǐng)域重大項目和國家實驗室的實施，通過10-15年的努力，在量子通信方面，能夠為構(gòu)建有完整的全球化空地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，同時希望能在國防、政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域率先加以廣泛應(yīng)用，并與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫鏈接，最終能形成具有國際性引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)。在量子計算方面，全面突破量子比特高精度制備、操縱和大規(guī)模集成技術(shù)，實現(xiàn)100個以上量子比特的相干操縱，對特定問題的求解全面超越經(jīng)典超級計算機，實現(xiàn)“量子稱霸”，應(yīng)用于解決高溫超導(dǎo)和新材料設(shè)計等重大技術(shù)問題，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)通用量子計算機的基本功能。在量子精密測量方面，實現(xiàn)高精度的量子導(dǎo)航技術(shù)，滿足國家重大需求，同時將量子靈敏探測技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗等領(lǐng)域。

記者：請您介紹一下與上海科研院所科研協(xié)作攻關(guān)情況。

潘建偉：量子領(lǐng)域的科研工作得到了上海市各個方面的廣泛支持。中科大和中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院上海微小衛(wèi)星工程中心等單位一起合作，承擔(dān)了量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的研制任務(wù)。在“十三五”期間，我們還計劃發(fā)射一顆高軌衛(wèi)星，開展衛(wèi)星組網(wǎng)方面的研究，將和這些單位繼續(xù)合作。同時，我們和中科院的上海微系統(tǒng)所、上海交大、復(fù)旦大學(xué)等單位簽訂了成立聯(lián)合實驗室的協(xié)議，大家發(fā)揮各自優(yōu)勢擰成一股繩。另外，我們也得到了大張江專項上海量子通信產(chǎn)業(yè)園一期的支持，其他一些機構(gòu)也開展了相關(guān)合作。2016年7月，上海市政府與中科院專門召開了市院共同合作，推動量子信息科技發(fā)展的會議。中國科大與浦東新區(qū)、中科院國有資產(chǎn)經(jīng)營公司與張江高新區(qū)管委會簽訂了相關(guān)的協(xié)議。我們希望能夠通過把國家“十三五”期間在量子科技領(lǐng)域重大布局與上海建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心和張江綜合性國家科學(xué)中心有機地結(jié)合起來，充分利用上海科教資源比較豐富、對高端人才有較大吸引力的地域優(yōu)勢，來推進相關(guān)工作。