潘建伟院士精彩演讲：《新量子革命》

【潘建伟】：非常高兴能来参加数博会，也非常感谢主委会的邀请。前面三位演讲者主要是给我们展望了在大数据情况下非常美好的未来。作为科学家来说，我想考虑的是，我们要实现这样一个梦想，让正在发生或者即将发生的能够成为现实或者得到更好支撑，从科学家角度能做一些什么事情?所以我主要想给大家介绍一下发生的技术革命，我演讲的题目就叫做《新量子革命》。

人类历史上有两次产业革命，除了牛顿力学外，上世纪初随着量子力学建立，马上催生以信息技术为代表的第三次产业变革，X射线、能源科学、信息科学、生命科学、材料科学都是跟量子科学紧密相关的。某种意义上，我们可以说，正是因为量子科学才催生了现代信息技术发展，比如说原子弹研究过程当中，催生了现代意义上的电子计算机。在物理学家把数据传往全世界各地的时候，发展了互联网的概念。通过用原子中来检验相对论，最后发展出来目前GPS导航技术。

随着技术发展，目前遇到两个问题。刚才大家讲大数据，数据的安全性或者互联网安全性是非常重要的，其实为了实现信息的安全，几千年之前我们就开始用，比如中国用的虎符，要对得上。但是所有传统的经典的加密方法被后来阿拉伯数学家阿看尼发现，比如说英文里面A出现的频率是8%左右，不管把秩序怎么加密，收到一封英文后，8%的频率就是A，这样就可以破解。后来人们设计了更复杂的加密算法，二战的时候德军官方使用的密码系统，后来被图灵给破解了。目前广泛使用的公钥体系，可能对区块链非常重要的非堆成加密算法，1024位，几年之前大家建议不要使用了。比如说利用中国学者王晓云教授提供的一些理论，2007年2月，谷歌也破解了，广泛应用于文件数字证书当中加密算法。所以，历史经验告诉我们，依赖于计算复杂度的经典加密算法，随着我们计算能力的提高，它都是会被破解的。所以，将近一百多年之前人们就开始怀疑了，以我们人的智力到底能不能构造出一种加密数能够让人的智力也是破不掉的，所以当时是怀疑的。

第二方面，随着大数据和人工智能的发展，我们对计算能力的需求是日益增加，而且是增加的需求是非常大，比如说大家说AlphaGO跟人类下一盘围棋所要用的电需要十吨煤，但是人只需要一碗饭就可以了。我们的计算能力还是非常受限的，因为大数据要把里面的有效信息提取出来是需要做大量的计算。

我们发展计算能力目前传统的手段就是把计算机集成度提高，发展更好的软件。但是，目前摩尔定律已经面临着终结。尽管摩尔定律告诉我们，单位面积集成电路上可容纳的半导体晶体管数目每18个月就会增加一倍，但是不到十年左右时间，这个规律会停止，会达到原子的尺寸，到原子的尺寸后，数据就不能很好的定义什么是0，什么是1。与此同时，我刚才也讲到，经典超级计算及能耗巨大，所以我们有这样计算能力和信息安全瓶颈。非常有意思的是，量子科技的发展自己催生了信息技术的发展，它经过自身近一百年的发展，已经为解决这样一些问题做好了初步的准备。

具体来说，它与我们每天的生活中0和1唯一不同的，一个开关一只猫可以处于0或者1的状态，但是到微观状态，不仅可以处于0和1状态，甚至可以处于0+1的叠加，这是量子比特和我们每天生活的经典比特彼特。当量子比特用到两个比特会产生新的现象，就是量子纠缠。当时爱因斯坦把这种现象叫做遥远地点之间的诡异的互动。在我们这个领域的科学家经过从1935年到上世纪90年代，经过将近六十多年的努力，终于慢慢的能够对这么一种小小的颗粒、小小的粒子做超中，让它产生异常，就形成了目前大家所说量子信息科技。我在这里做一个类比，比如我们知道门德尔遗传定律告诉我们种瓜得瓜，种豆得豆，为什么我长得比较矮孩子生出来就比较矮，我们不知道原因，到分子基因学就知道这是由基因决定的。量子科技也是这样的，从前所有经典信息中应用都是对量子规律被动观测所得到的规律加以应用，但目前能够对一个一个颗粒进行可控的调控的话，那么这个新的学科量子信息科学就诞生了。它主要两方面内容，利用量子保密通信可以提供一种原理上无条件安全的通信方式，所以它可以让我们网络和信息传输更安全，利用量子计算我们可以得到一种超快的计算能力来进行更快速的计算。比如说利用单位量子，我们可以在原理上实现一种无条件分发，利用没有窃听的密钥可以进行安全通信。除此之外，可以利用一种非常有意思的，可以做西游记里面所做的筋斗云。当然我们要送人就远远达不到，也许几百年甚至几千年后能实现，但是能让几百个比特几百个原子构成状态在一个网络里面走来走去，它就可以构成一个量子计算机，信息传递就能让我们构建一种量子计算机。量子计算机有比较好的功能，它可以用于大数据和人工智能，比如求解10的24次方变量构成方程组的话，用目前最快的超级计算机大概需要100年左右，但是利用万亿次量子计算机只需要0.01秒完成。某种意义上讲，它可以算信息时代的核武器，所以它的发展是非常重要的。

在这一过程当中，我们国家很早就布局了量子调控的重大科学研究计划。所以在国际上，我们在量子通讯方面走得比较前面，2012年这个系统已经在北京投入了永久使用，包括十八大、十九大，我们的阅兵等等，都用基于量子通讯高安全的保障系统。但是这里面有个问题，因为信号它是安全的，但是不能被放大，所以做到100公里的时候或者几百公里时就很难了，如果要在一个商用的一千公里光纤中传输量子信息的话，其实你即使每秒有100亿个发射信号，相当于10G的单光子源，但是1200公里的话，数百年只能送一个密钥，这样的技术要往远距离发展是有它的局限性的。为了解决这个问题，我们需要来开展所谓的基于自用空间的量子通信技术。在这个地方，水平的一公里大概是立体大气的十公里左右，80%的信号可以穿破大气层到达地面，有这样技术之后，我们从2003年开始，经过十多年努力，2016年发射了世界上首颗量子科学实验卫星，开展相关的工作。前年发射之后，去年已经获得了比较好的结果，比如点对点的量子密钥分发，去年我们完成的结果每秒钟可以送1000个密钥，但是到了最近，我们已经达到了十万，最近的结果已经达到了50万个密钥，也就是说在下一代量子通信卫星里面我们很快可以达到每秒钟达到1兆点对点密钥分发量，除此之外，作为一个基础研究，我们也希望对爱因斯坦所说的诡异的互动做一些相关研究，结果我们发现，在青海的德令哈和云南丽江相距一千两百公里的距长上确实有纠缠。最近我们已经与奥地利同事合作，在2017年9月已经实现了北京、乌鲁木齐、维也纳之间视频加密的量子通信，目前与德国同事、意大利、加拿大、俄罗斯、美国、新加坡同事合作，希望能全球范围内开展探索构建这样一种州际量子通信的可行性。

在量子计算方面，我们国家也取得了比较好的成果，作为一个典型的代表工作是2012年的时候，为了纪念计算机之父图灵诞生一百周年，我们当时取得一个比较好的成果，能够让计算容错率由原来十负五次方降低到十负二次方，这个工作很好的推动了量子计算的发展。到了去年，我们正好在国际上首次实现了一台光量子计算的原型机，它超越了最早早期经典计算机，大概到今年底我们目前用我们的光量子计算和超导计算的计算能力，大概在某些特定计算功能上就能够达到我们目前的最快的商用CPU，就跟手提电脑速度差不多。从这种角度上讲，它可能在不久将来会能够比较好的用到可以用于优化网络，优化治疗，理解图像。我们希望通过十到十五年努力，一方面能够构建全球化量子网络，与此同时，我们的量子计算方面希望能够实现数百个量子比特相干操纵，这样对某些问题的求解大概就能够大概达到目前全球计算能力总和100万倍，这这种角度上讲，可能给未来信息科学方面开启无限的未来。

在美国，通过国家实验室的建设，研制出第一颗原子弹，掌握了核威慑能力，其实后面的信息科技都从那个地方这样诞生出来的，所以已经改变了20世纪的政治格局，对量子信息这一块，目前大家都在一起做努力，美国也好，欧洲也好，包括我们中国也好，但在这个过程当中，同时也给了我们变成一个引领者的机遇，我大概就给大家介绍到这里，谢谢大家。

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