【科技评论】潘建伟院士：量子信息技术前沿进展（2015中国计算机大会主报告44PPT）
本文由新智元（ID:AI_era）编辑自2015中国计算机大会，并授权转载。更多关于量子信息的文章，请关注战略前沿技术后回复“量子”或“quantum”查阅！
【潘建伟】中国科学技术大学教授、副校长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究工作，在量子通信、多光子纠缠操纵和冷原子量子存储等研究方向上做出了系统性创新贡献。在Nature、Nature子刊、PNAS和 Physical Review Letters等国际学术期刊上发布论文100余篇。研究成果曾入选《科学》杂志“年度十大科技进展”，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。
【中新网合肥10月22日电(记者 吴兰)】22日，2015中国计算机大会在安徽合肥开幕，麻省理工学院教授、2014图灵奖获得者、美国工程院院士MichaelStonebraker，中国工程院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任柴天佑，中国工程院院士、计算机工程和人工智能专家李德毅等来自海内外的计算机领域的诸多顶级“大腕”现场助阵。
当日，特邀麻省理工学院教授、2014图灵奖获得者、美国工程院院士MichaelStonebraker作报告。据悉，图灵奖是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。此外，中国工程院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任柴天佑作《智能制造与智能优化制造》的报告，中国工程院院士、计算机工程和人工智能专家李德毅作《脑认知的形式化》的报告，中科院院士、中科大常务副校长潘建伟作《量子计算与量子模拟》的报告。 潘建伟长期从事量子光学等方面的研究工作，其研究成果同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等一起选为“百年物理学21篇经典论文”。他介绍，由于高精度量子操控技术的极端复杂性，目前量子计算研究仍处在早期发展阶段，像经典计算机那样具有通用功能的量子计算机最终能否成功，对整个科学界还是个未知数。但理论研究表明，与通用量子计算机相比较，量子模拟机这样一类针对解决一些重大问题的专用量子计算机，在量子比特数目等方面的技术要求并没有那么高。比如，对“波色取样”这样的问题，一旦达到50个左右光子的纠缠，量子模拟机的计算能力就能超过目前最快的“天河二号”超级计算机。他说，量子模拟具有重大实用价值，可为人类开发新材料和新能源提供重要指导，孕育和推动物质科学领域新一代技术革命和产业变革，有望在10至15年内取得重大突破。
潘建伟教授演讲全文
【潘建伟】上午好！ 非常高兴能够到中国计算机大会上给大家介绍我们的工作。这个会场非常震撼，因为我是搞物理方面的研究，我们一般开会就几百人，这里开会几千人。今天我报告的题目是“量子信息技术的前沿进展”。
上个世纪在自然科学方面（不仅仅是物理学）有两个重大发现：量子力学与相对论。量子力学与相对论第一个重要应用是在核能方面，1945年首颗原子弹爆炸成功，随后有氢弹、中子弹的成功研制。在这个过程中，物理学尤其是量子物理不经意跟计算机科学联系在一起了。在原子弹理论计算过程中，需要大量的计算，当时在冯诺伊曼的架构下，形成了现代通用的计算机雏形。随后对于量子物理学家和理论物理学家来说，他们希望能够把相对论和量子力学综合起来，来探索宇宙的起源。在对大统一的理论检验过程中，需要有大型的粒子加速器，这个地方每天都产生大量的数据。当时我还是本科生，做理论物理的研究，需要通过电话线把数据传输到全世界各个地方进行处理。从某种意义上这构造了因特网雏形，最后形成了今天的互联网的概念。
另外，我们知道对相对论进行检验，需要构建非常精密的原子钟，在这个过程当中，我构造了两台原子钟，一台放在一楼，一台放在楼顶，地球转的时候，上下速度不一样，过一段时间对它进行检验，会发现在天上的原子钟比在地面的原子钟走的要慢一些。所以在利用量子力学来构建原子钟的过程中，就有非常精确的时间概念，而有了时间概念就可以进行导航。
20世纪，在研究和应用量子力学相对论的过程中，所催生的信息科学已经为人类文明带来了巨大进步。随着技术的发展，物理学家遇到了所谓的瓶颈。摩尔定律告诉我们，不久的将来半导体晶体管的尺寸会达到纳米级，电子的运动规律不再遵循传统的经典的电动力学，那半导体的计算规则就不可靠了。量子力学扮演着重要的角色，所以我经常会思考，未来的计算机会是怎么样的？
与此同时，在信息科学方面，有信息安全的瓶颈。比如说芯片可以有后门，在光纤当中也可以对光路进行无感窃听，对服务器也可以进行窃听，世界存在着各种各样的窃听和黑客攻击模式。为了解决这个问题，我们可以对信息进行加密，但随着信息技术的发展，计算能力的增加，传统上认为很难破解的东西很容易就被破解了。这样一来，我们一直在寻求一种在原理上可以无条件安全的通信模式。网络犯罪每年给全球带来数千亿美元的经济损失，这是美国战略和国际问题研究中心的评估，更不用讲在国防安全和其他方面的重要性了。
非常有意思的是，在量子力学前期的应用过程中，不经意地催生了现代信息技术的发展。慢慢的信息技术积累了新问题，量子力学在100年的发展过程当中，已经为解决这些重大问题做好了准备。这就是我今天想介绍的主要内容，量子信息科技。
所谓的量子，它非常简单：构成物质的基本单元，能量的最基本携带者。它有一个基本特征是不可分割性，比如说灯光照过来，每秒会发射出数万万亿的光子。什么意思？这个能量衰减的时候，发现光这个东西也是一颗颗小颗粒，跟水分子、氢原子一样，有不可分割的特性。
我们每天生活的信息单元，一个比特，0或者1加载1个比特的信息。经典世界里面，每一个存储源只能处于0或者1的状态。但是到了量子世界去的时候，在某一个存储源里面可以处于两个状态的相关叠加。具体来说，可以用光子（偏振态）做一个比喻。光在传播过程中以每秒钟30公里飞行，波会沿着两个方向振动，水平振动、竖直振动，水平叫做1，竖直叫做0的话，光子会沿着45度振动。45度对应0+1的状态，它就跟平时计算机里面信息单元的基本规律不一样了。有了这个问题后，对于光子来说，极化态可以处于水平偏振和竖直偏振之外。这个后果是量子不可克隆定理：未知的量子态没办法进行测量，量子有两个基本特性，一个是不可分割，一个是不可被精确的复制。
比如说潘建伟今天可以在合肥开会，同时我可以出现在北京，我在合肥叫0，在北京叫1，我只能处于某个地方。到量子世界里可以同时这两个状态的相关叠加，可以同时处于这两个地方。爱因斯坦为代表的科学家认为这种观点是错的，认为量子力学出问题了。他举了一个例子，如果一个粒子可以处于0和1的叠加，两个粒子可以处于00和11状态的叠加，有了这种状态后，一个后果就是量子纠缠。比如说今天大会主席在合肥，我在北京，我们两个有量子纠缠的这两个色子，做实验之后，叫遥远距离之间的诡异互动。我们不仅能操纵0和1，还能操纵0+1，0-1，00+11的状态。
这样的话新学科就诞生了，叫量子力学科学。从理论的萌芽到现在已经有将近30年的历史了，主要有三方面的作用。一是量子通信，可以实现原理上是无条件安全的信息的传输；二是量子计算，可以具有超快的计算能力，这个信息拥有0和1之外，还有0+1的状态。三是量子精密测量。
这两个技术加在一起。如果把光子拿走了，张三送光子，李四收不到了，信号就丢失了，这是一种情况。第二种情况，这个窃听者说我复制一个跟原来这个一模一样的，这个时候就会不可避免的引入噪声，通过噪声的检查，发现窃听者的存在。因为量子不可分割、不可克隆，可以在原理上保证比较安全，实现加密内容不可破译的保密通信。密钥不可随时产生，不可破译。
密钥分发的安全怎么保证？这是20年之后的事情，2009年的时候理论上证明了，只要因果律成立，量子密钥分发的安全性就是严格得到证明的。什么叫因果性？就是不能超光速飞行，因为超光速飞行时光就可以倒流，就可以回到从前。这样的话，它的安全性是由物理学的基本原理所保证，到目前为止，因果性是物理里面一条最宝贵的原则。
另外，可以用于量子计算，在经典计算机里面一个比特处于0和1，如果说有N个比特的话，到量子世界就可以有2的N次方个比特的相关叠加，对数据的处理可以实现量子并行性，有了量子并行性就可以设计一些特殊的算法。
比如说大数分解的算法。它也可以应用大数据人工智能方面的工作，比如说求解一个10个20次方的变量的方程组的话，利用天河2号需要100万，但是利用量子计算器的话0.01秒就可以了。
研究普适的量子计算机需要很长的时间，我们希望短期的物理学方面的研究取得一些有效的进展。在80年有一位物理学家菲曼教授指出，如果把宇宙当中所有原子构建成非常大的一台传统计算机的话，那么连300个两能级粒子的计算都模拟不了。这时候可以用可控的方式构造人造量子系统，可以搞一个光晶格，里面装300个原子，用武力看它的演化，最后测量的结果对应着计算的结果。量子的模拟，我想在不久的将来，也许5年、10年就会有很好的结果出来。这种情况下，可以在新能源、新材料的机制方面，可以起到非常好的推动作用。
最后，简要介绍一下这个领域另外一个应用，叫量子精密测量。量子精密测量可以广泛运用时间、磁场，各种物理学的测量。比如说加速度的测量，对速度进行积分就可以知道3维具体在什么地方。目前用原子叠加构建精确的加速度计，目前实验室条件最好的精度达到10的负12个加速度计。如果用量子导航仪的话，哪怕精度不要10的负12，如果到10的负12，100天后的精度达到米的量级。这样的话，就可以进行自主导航。
前面介绍了这个领域简要的研究内容。在实验上要真正实现这些东西，其实非常困难。比如说在量子密钥分发上，我们要把单光子制造出来就非常困难，激光管每秒钟发出来的光是10的16次方，一个一个抓出来，加载信息，传输出去在实验上是非常大的挑战，一般我们用准单光子源，把激光衰减，保证每一个脉冲里面有一个光子的概念非常小。如果窃听着把一个光子截断，两个光子拿走一个，剩下一个送走，就会有双子速的分离攻击。2005年之前，在前面将近20年当中，量子密钥分发本身进展非常缓慢，因为它到了10公里之后，每1000秒只能送一个码，而且只能做10公里，根本没有实用价值。
到2005年的时候，理论上有一些新的进展，利用所谓的（诱骗态）的量子分发理论，大家把安全密钥分发的情况，在理想的单光子得不到的情况下，拓展到了100公里，随后这个距离拓展到200公里，就有了初步的实用价值了。
国内的很多团队，包括我们团队、科大的团队，北京、广州的一些相关团队都做了这方面比较好的工作。到了2012年的时候，我们在合肥构建了一个覆盖6000平方公里的实验网，这个实验网基本上证实了，它可以满足万用户密钥分发的安全需求，随后在小范围里面开展了试点。
从2012年开始，构建了基于量子通信的高安全通信保障系统，在北京已经投入了永久运营了，十八大、今年的阅兵都提供了重要的信息安全保障。
当然，这个技术只适用于的城域网，覆盖的范围很小，怎样才能够把这个网络进一步扩大？随后我们开展了一些新的工作，比如说在可信中继的帮助下，保证每个节点都安全的情况下，构建大尺度的通信骨干网工程。目前中国科大跟有关单位合作，正在推动在金融、国防、信息安全方面的应用，这个网络将在2016年底全线开通，通过前期的测试后，希望在不久的将来能够投入运营和使用。
光源的问题解决后，大家以为很安全了。但是到2010年的时候，发现理论的安全性跟实际的安全性有差距。发射端是安全的，但是在接收端有一个强光攻击，窃听者可以通过强的信号让你的探测器在他希望给出信号的时候才给出信号。这样一来他就可以攻击接收方，让他希望你看到的密钥你才能看到，这样的话就会掌控你的密钥。2012年这个问题也解决了，可以实现跟测量器件无关的量子密钥分发。
2012年提出来之后，在2013、2014年先后在实验室和野外的现场光纤把距离拓展到了200公里，这样的话就比较好解决了发射端和接收端的安全性问题，到目前量子密钥分发的安全性已经很好的建立起来了。
下面简要的介绍一下量子计算。举个简单的例子，以光学系统为例讲一下量子计算的基本原理。在量子信息处理的核心，是希望能够产生越来越多的粒子纠缠。比如说用现实的方法概率性的产生两个粒子纠缠：01+10。比如说可以产生两对，2与3之间有一个极化分速器，黏连一下就可以产生4光子的纠缠。
在2007年时候做了一个简单实验，15=5×3可以用（Shor算法）来求解。
但我们最希望广泛的用于线性方程组求解，因为线性方程组的应用，可以涉及到工程和科学的各个领域，我们几位同事提出了一个算法，说可以利用量子算法。
随后大家又发现这类算法本身也可以用于量子人工智能的实验演示。比如说可以按照过网数据对一定的规则进行分类，分类之后按照规律进行表示，比如说绿色代表好的邮件，红色的代表不好的邮件，现在又收到新的邮件，你不想看它，怎么分类呢？可以把它投影到某个始量上面。
因此实现更多粒子纠缠，前面是概率源，2对就是0.001，3对的话概率越来越低。怎么解决这样的问题？需要产生确定的高品质单光子源。2015年的时候有很好的基于共真荧光的高品质光子源，加上光和耦合技术，大概在2015年可以产生30个纠缠，大概能达到3个CPU的速度。
前面讲了量子计算很好，可以利用光学的概念来做，我们真的希望可以实现可升级的、大尺度的光量信息处理。在量子通信里面，因为信号不能被放大，所以传输到100公里的时候，信号基本上衰减差不多了，所以距离受限。如果说用1000公里的光纤，损耗大概会达到200个DB，现在用理想的探测器，1000公里之后，每100年只能传输0.3个光子，有效性非常差，效率受限，难以扩展。
怎么来解决这个问题？有两种途径，可以用自由空间的量子通信，来克服在光纤通道里面的损耗。因为在大气层里面，有10来公里的大气层，外部进一步真空了，相当于水平大气的10公里左右，80%的光信号可以穿透大气层到地面，而且外太空不会有衰减。天地之间的量子力学，马上可以把通信范围扩展到全球的距离。
从2004年开始，我们就开展这方面的工作，先后在2005、2010年证明了，光子在穿透大气层后，状态是不会受到干扰的，基本上还跟原来发送的状态是一样的。
随后，到了2012年的时候，我们在青海湖做了一个百公里实验，这个百公里实验的损耗跟天对地的千公里损耗大概是一样的，证明在高损耗的星地链路中进行量子通信是可行的。
到了2013年的时候，我们来验证在卫星运动姿态的情况下，进行量子通信的可行性，我们验证了卫星的高速运动，随机振动，高损耗的通道，所有的实验表明，发射卫星是可行的。
目前在中科院的支持下，执行一个量子科学卫星的先导专项。现在正在进行研制，这颗卫星会在2016年上半年发射，在国际上会率先实现高速的星地量子通信。这样的话，用光纤来做城域网，用卫星来做广域网，就可以构建天地一体化的广域量子通信网络。
发射卫星成本比较高，我们希望有一个地面的解决方案，所谓的量子中继，地面不用发射卫星也能够通过量子中继解决问题。这需要有三种技术，一是量子纠缠交换；二是量子纠缠纯化；三是量子存储。这三个技术结合在一起，可以解决光子数损耗和概率性的资源消耗，以及相关问题。利用量子中继也可以实现确定性的多光纠缠产生，它本身也可以用于量子计算和量子模拟等。
2008年，我们取得了比较好的进展。2007年提出了一个方案，可以比较稳定的实现适用于远距离量子通信和量子中继的方案。把光通过光纤送到中继站，做所谓的黏连，剩下在百公里之外的量子可以纠缠在一起，这样的话就可以解决中继的问题，解决通道损耗。目前的进展已经能够满足600公里的量子中继需求，就是说从前直接传送信号需要200公里，现在可以做600公里无中继的量子密钥分发。这个东西要实用化还需要一定的距离。
在这个基础上，要实现有效的量子计算，需要引入哈密顿量，让这些光子之间相互作用起来。光子之间的耦合是非常弱的，光在空间中碰到几乎没有相互作用。怎么模拟这个复杂的物理体系？有了原子和原子之间的纠缠，把所有的原子装在光晶格里面，通过光的操纵实现可精确控制的原子和原子之间的相互作用，而且把原子的内部状态作为量子比特，可以操纵、存储和读取。这种情况下就可以方便实现大量原子间的量子纠缠。而且在引入原子之间相互作用的情况下，可以自由的构造演化计算的哈密顿量，有效模拟复杂的物理系统。
最近，我们取得非常好的进展。这里面演示一下我们抓到了大概几千个原子，在光晶格里面，通过干涉让中间的某一个光晶格下降，通过两个光晶格的电子隧穿，可以产生源自于原子之间的纠缠。产生纠缠之后，就可以通过对每个原子把临近的两两原子，再隧穿一次，可以产生链条上的原子纠缠。目前刚刚产生了两两原子之间的纠缠，已经取得了比较好的结果，在20年之内会产生50—100个粒子的纠缠。
我们可以通过自旋轨道，利用原子和原子之间的相互作用，来模拟电子在电磁场中的作用。从前有一些在理论上算不了，目前在实验上可以直接把它测出来；过去用传统的计算机测不了，现在可以直接测出来，用可控的方式实现特殊意义上的量子模拟机。
量子的模拟机可以对应到某些量子计算，或者某些计算复杂度的算法上面。目前为什么Google非常重视量子模拟呢？因为将来可以用于人工的量子智能方面相关的研究。随后，会有一些更雄心的做法，希望能够研究自旋量子效应，甚至揭示高温超导的机制。
目前国际上的态势，前一阵子国防部首席技术官发布了五年计划，其中六大颠覆性的基础研究领域之一，就是量子信息和量子调控，因为有前期的工作，中科大跟IBM、日本的NTT公司等机构列为比较有影响力的机构之一。
在量子通信方面，除了我们国家在构建京沪干线和量子卫星之外，包括德国、意大利、加拿大、日本、新加坡等也有相关的计划。美国Battelle商业量子通信网络公司，跟Google、IBM、微软合作，开展量子通信网络这方面的工作。
另外，也有一些相关的公司开始介入了，除此之外，比如说微软、Google也都成立了量子计算的研究中心、量子人工智能实验室等等，开展了相关的工作。也就是说，目前除了原来前期有政府、国防部门介入，后面也有公司和大学的合作，也有公司自己开展相关的工作。
我们希望通过三到五年的努力，解决基于中继量子通信的问题，随着量子卫星的发射可以初步开展星地量子实验，大概通过十年左右的努力，应该能够构建高速率实用化的光域化的网络。
将来也许会有一个天地一体的全球量子通信基础设施，在量子保密通信的支持之下，构建一个有安全保障的互联网。
在量子计算方面，我们在两、三年之内应该可以实现20—30个量子比特的相关操作，大概在10年左右，我们有信心能够产生50—100个比特的量子相关操纵。这种情况下，它对某些特定问题的求解方面，已经可以做一些超级计算机所做不了的事情。
引用2014年《自然杂志》发布的文章，说“量子计算机造出来也许需要很漫长的时间，但是利用量子模拟来揭示高温超导和高效氢固化等机制来指导相关的产业，在不久的将来也许已经会有比较可观的经济效益了。”这些技术可以自然的用于量子精密测量当中，比如说可以用于潜艇的自主导航、飞行器的自主导航等等，将来也许会在自主导航方面发挥比较重要的作用。
我的报告就到这里。谢谢大家！