从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技 | 墨子沙龙

内容来自墨子沙龙活动“从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技”（2023年12月6日）上的演讲。演讲嘉宾是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟教授。文字由王佳整理。

感谢墨子沙龙的邀请，让我有机会再次来到科大附中。今天，我将从爱因斯坦对量子力学的好奇心开始，介绍量子信息的发展历程，并分享我们所做的相关工作。

从神话传说到物理实现大家肯定都熟悉吴承恩的《西游记》。我记得在我大约10岁、还未上初中的一个夏天，我父亲给我买了这套书。整个夏天，我都沉浸在《西游记》中。书里有许多有趣的概念，其中一个是天和地的区别。书中告诉我们，天上是神仙的居所，而大地则是我们凡人的家园。更有趣的是，天上过去一天，地上就经历一年，呈现了“天上一日，地上一年”的时间差概念。我对千里眼和顺风耳也格外感兴趣。孙悟空从石头中孕育而出，引起了轰动。玉皇大帝命千里眼和顺风耳前去查看下界发生了什么。这两位神仙拥有非凡的能力，如其名所示，可以看到千里之外发生的事情，听到千里之外发出的声音。图1 顺风耳和千里眼

图2 分身术

神话故事向我们展示了吴承恩的奇妙世界。可能大家会想问，神话故事中的这些元素究竟能否在现实科学中实现呢？

你们现在应该已经学习了电流电阻等电学知识，如果你们以后上大学选择了物理专业，将会学到电动力学。19世纪，物理学家麦克斯韦建立了电动力学，基于电动力学，他预言了电磁波的存在，后来这被赫兹在实验上证实。基于这些科学成就，产生了很多之前难以想象的应用。例如，1876年贝尔发明了电话，1925年贝尔德发明了电视。这些发现使人们有了“千里眼”、“顺风耳”。

图3 麦克斯韦，赫兹

图4 贝尔发明电话 (1876)

图5 贝尔德发明电视 (1925)

你们可能稍微学习过一点相对论的知识，相对论是爱因斯坦在1905年提出的，那时他只有26岁。爱因斯坦的相对论中有一个奇特的预测，双生子佯谬。它说的是，有一对双胞胎A和B，其中一人乘坐飞船、进行高速旅行，而另一人则留在地球上。待高速运动的A返回地球时，他会比留在地球上的B年轻很多。相对论告诉了我们，“天上一日，地上一年”的观念在物理学中是被允许的，而且是真实存在着的。
图6 爱因斯坦提出相对论

图7 双生子佯谬

那么孙悟空的分身术、筋斗云呢，能不能也在科学上得到实现呢？答案是肯定的，量子力学让我们能够在物理上实现分身术和筋斗云。

量子的世界

量子不是某种粒子，而是构成物质最基本单元的全称。例如，光子、原子、分子都可以被认为是“量子”。“不可分割”是它的基本属性：光子是光能量的基本单元，不存在“半个”光子；水分子是水化学性质的基本单元，不存在“半个”水分子。

量子世界还有一个奇特的性质，叫做量子叠加。日常经验告诉我们，在某一个时刻我们只能处于某一个确定的地方，比如我现在在科大附中，我就不可能同时在科大东区或高新区。然而，当我们进入量子世界，在某些特定条件下，光子、原子等微观粒子可以同时存在于多个地方，呈现叠加状态。

量子力学创始人之一，奥地利科学家薛定谔曾经做过一个比喻：在日常生活中，一只猫只能处于活或死这两个状态中的某一个，但在量子世界中，它可能处于又死又活状态的叠加。在经典世界，利用猫“死”或“活”这两种状态，我们可以加载一个比特（“0”或“1”）的信息；在量子世界，相应的，我们有了量子比特“|0>+|1>”。

在物理上实现它也是比较简单的。例如我们利用光子，光子在真空中传递时，会沿着两个方向振动——水平偏振（|0>）和竖直偏振（|1>）。如果你用半波片将它转一下，它变成沿着45度偏振，这时的状态就是|0>+|1>了。

再用一个例子作比。从法兰克福到北京有两条路径，一条途径莫斯科，那里天寒地冻、特别冷，另一条途径新加坡，那里阳光明媚、很温和。如果你在飞行途中睡着了，你不知道是沿哪条路线飞行的，到达北京时就会觉得“又冷又热”；如果飞行途中一直观察路线，到达北京时你要么觉得冷，要么觉得热，因为你可以确定是沿哪一条路线飞行的！这就是“量子叠加”。

你可能会质问我：这不是在胡言乱语吗？我们是坐过飞机的，在飞机上睡着的时候，醒过来时也从来没有你说的那种又冷又热的感觉。且慢，让我再解释一下。为什么实际中我们不会有那种又冷又热的感觉呢？因为飞行员一直在看着我们飞到哪了，地面雷达一直在监视着飞机的行程，宇宙中总有一双眼睛或者说一台测量仪器在测量这架飞机的轨迹，所以它不会出现那种叠加。量子客体的状态会被测量所影响！

当然，任何比喻都是有缺陷的，大家如果想深入理解，只有将来继续深入的学习。

量子力学还意味着更加积极的哲学。经典力学告诉我们，一旦确定了初始状态，所有粒子未来的运动状态都是可以精确预言的！世界真的是决定论的吗？一切事件（包括今天的报告）都是在宇宙大爆炸时就已经确定好的吗？如果那样，个人的努力还有意义吗？但量子力学告诉我们，人的行为（测量）可以影响世界的进程！

量子革命与新兴技术

思想上的进步必然会带来技术上的发展。20世纪初，普朗克提出量子论，爱因斯坦提出光量子的概念，在随后的几十年里，这些科学上的进展给人类带来了核能、激光、新材料、新技术，以及信息时代。我们的生活已经离不开这些成果了。这是“第一次量子革命”。

随着信息科技的不断发展，我们也面临了一些亟待解决的重大问题。在信息传输方面，网络信息安全面临着严重威胁。信息传输中，信息虽然是被加密的，但依赖于计算复杂度的经典加密算法，原理上都会被破解。人们早就怀疑，“以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码”。在信息处理方面，目前人类拥有的计算能力还相当有限。我们处于大数据时代，全球数据量呈指数增长 (每两年翻一番)，而全世界的计算能力总和也无法在一年内完成对大约290个数据的穷举搜索。传统发展模式又受到严重制约，摩尔定律逐渐逼近极限。我们如何突破这些困扰？量子力学在百余年的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备。

前面我们讲了“分身术”——量子叠加，形象地比喻，一只猫可以处在“生”和“死”的叠加状态。当有了两只猫，会有更新奇的事情发生，例如它们可以处于“生-生”和“死-死”的叠加状态。也就是说，当我们观察时，第一只猫有一半的概率是“生”，一半的概率是“死”，观察第二只猫，情况同样如此，但它们俩的生死状态一直是一致的，要么都是“生”，要么都是“死”。这就是“量子纠缠”。

还可以用骰子作比，下面两个骰子中的每一个都以1/6的概率随机得到1—6结果里的某一个，但当我们把投掷结果记录下来，一比较会发现两个骰子的结果总是一样的，即便它们相隔遥远。爱因斯坦称其为“遥远地点之间的诡异互动”。

有了量子叠加和量子纠缠的概念，我们可以利用它们做很多事情。同时，为了理解它们，科学家做了大量的努力，伴随而来的是新技术的出现，其中对量子状态的精确操纵技术得到系统性发展。之前，我们对物质世界进行“被动观测”，利用自然界的性质来造福人类，现在我们可以对光子、原子等的量子状态进行主动操纵，按照我们的意图来进行设计。这催生出一个具有巨大应用前景的新兴研究领域，叫“量子信息科学”。量子调控与量子信息也被称作“第二次量子革命”。与第一次量子革命所催生的成果相比，这是一次大的进步，类似于从孟德尔时代的遗传学到基因工程。量子信息科学可以解决我们前面提到的两个挑战。量子通信、量子计算与模拟是量子信息科学的重要方向。量子通信提供了一种原理上无条件安全的通信方式，可以有效解决信息安全传输问题。量子计算与模拟可以提供超快的计算能力、揭示复杂系统的规律，来满足人工智能、大数据等对计算能力的需求。量子通信量子密钥分发是量子通信的重要方式，通信中如果存在窃听，则必然被发现，通信双方丢弃存在窃听风险的密钥，从而确保密钥的安全分发。与“一次一密”加密方式结合，就能保证加密内容不可破译。这是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式。

还有更有趣的事情，利用量子纠缠可以将量子信息传送到另一地点，而不用传送信息载体本身。这就是量子隐形传态，量子世界的“筋斗云”。多体、多终端、多自由度的量子隐形传态还是构建量子计算机的基本单元。 

量子计算

由于量子叠加和量子纠缠，量子计算的计算能力随可操纵的量子比特数呈指数增长。指数增长的威力，可以从下面的故事中看出。有一位国王非常喜欢国际象棋，于是要奖赏国际象棋的发明者。发明者说，我的要求很简单，请您第一天赏我1粒米，放在棋盘的第一个方格里，第二天赏我2粒米，放在第二个方格里，依此类推，后一天的数量是前一天的2倍，直到放满棋盘。国王很高兴，以为一袋米肯定就足够了。结果让人一算，大为吃惊。

所需米粒的总数是2⁶⁴-1=18446744073709551615，大约1万亿吨。这是两千年全球大米产量的总和！有了量子计算机的话，可以完成很多之前难以完成的事情。例如，利用每秒运算万亿次经典计算机分解300位的大数，需150000年，而利用同样运算速率的量子计算机，只需1秒，这会使经典加密算法的安全性受到威胁；求解一个亿亿亿变量的方程组，利用每秒运算亿亿次的经典超级计算机需要100年，而利用同样运算速率量子计算机，只需0.01秒，将在金融分析、气象预报、药物设计、大数据、人工智能等领域有重要应用。量子信息具有重要的科学意义，相关研究也得到了广泛认可。例如，Roy Glauber由于在量子光学理论及其在量子信息科学应用上的重要贡献获2005年诺贝尔物理学奖；Peter Zoller和Ignacio Cirac由于在量子信息、量子光学和冷原子物理领域的开创性理论贡献获2013年沃尔夫物理学奖；Charles Bennett和Gilles Brassard由于建立和发展了量子密码以及量子隐形传态获2018年沃尔夫物理学奖；Alain Aspect, Anton Zeilinger和John Clauser由于在量子物理和量子信息领域重要的实验成就获2010年沃尔夫物理学奖；Serge Haroche和David Wineland由于在量子系统测量与操控及其在量子信息科学应用上的重要贡献获2012年诺贝尔物理学奖；Alain Aspect, John Clauser和Anton Zeilinger由于量子物理基本问题检验和开创量子信息实验研究的成就获2022年诺贝尔物理学奖。值得一提的是，我国在量子信息领域的重大成果，尤其是“墨子号”量子卫星的成功实施，推动了该领域得到国际学术界的高度重视。

我的量子研究之路

接下来，我想和大家分享一下我自己的量子物理故事。

1989年，在中国科大，我第一次接触到量子力学。之前的学习中，牛顿的万有引力、法拉第的电磁感应、焦耳的能量守恒，还有孟德尔的遗传实验，我都觉得非常美妙，但量子力学让我十分困惑。一只猫怎么可以同时处于又死又活的状态呢？我一直在思索这个问题，甚至影响到了复习和考试。

后来，我将量子力学的基本概念问题作为本科论文主题。从1991年开始，花费了一年多时间来理清量子理论的基本概念和量子佯谬。从1991年到现在已有30多年，我一直在从事这件事情，有时候要做成一些事情是需要长时间坚持的。
1996年，我留学奥地利因斯布鲁克大学，导师是当时活跃在前沿的量子实验学者Anton Zeilinger。这里我愿意跟大家分享一个故事。那时，老师交给我几篇文章，让我去算下，看有什么结果。然后，我花了几天算完之后，感到很激动，我有一个很重要的发现——量子态可以从一个地方传到另一个地方，不需要有媒介。我就要求做一个报告，那时我们组星期三早上会请一位同学做个报告。我讲完之后没有任何一个人问我问题，我感到很失望：我发现了这么重要的东西，居然没有一个人问我问题。最后，我同一个办公室的同事问我：“Do you know quantum teleportation？”（你知道量子隐形传态吗？）我说，我不知道。于是我得知，那时大家正在做这个实验，我提出我要加入这个实验。所以，1996年到因斯布鲁克大学后，我就加入了量子隐形传态实验，1997年，我们完成了实验，首次实现量子隐形传态。可见之前积累和充分准备的重要性：1989年，我对这个领域产生兴趣，1996年进行深入研究，1997年加入研究团队，最终取得了重要研究成果。这一成果后来入选Nature百年21篇经典论文。

但能够在自己的祖国做出很好的科学工作，感受是不一样的。2001年，我回到科大近代物理系组建量子物理与量子信息实验室，主要开展多光子纠缠操纵研究。

很快我意识到，尽管在光量子信息处理方面我们的工作进展不错，但量子信息仅靠光子是远远不够的。所以我建议优秀毕业生到德国、英国、美国、瑞士等国的优秀团队，去学习各种先进技术。2009年，我有幸在人民大会堂观看《复兴之路》，心情十分激动，便给在国外的学生发了短信：“我正在人民大会堂看《复兴之路》，感触良多！甚望你能努力学习提升自己，早日学成归国为民族复兴、科技强国尽力！”此后几年内，他们陆续回到科大，形成一支优势互补的团队。在实用化城域光纤量子通信网络方面，我们取得了重要进展。2007年，光纤量子通信的安全距离首次突破100km；2008年，建设了首个全通型城域量子通信网络；2012年，实现了首个规模化量子通信网络。但要实现远距离量子通信，还面临着重大挑战。光纤的固有损耗使得光在光纤中每传输约15公里，光子数损失一半。长度为1200公里的商用光纤中，即使每秒发射百亿个光子、探测器效率达到100%，需数百万年才能传送一个量子比特！怎么办？一个阶段性解决方案是，基于可信中继来实现城际量子通信网络。对于传统保密通信来说，整条线路处处都面临信息被窃取的风险，而对于可信中继方案，站点间的线路是安全的，只需要人为保证中继站点的安全。基于这一方案，我们建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”。现在，国家广域量子保密通信骨干网总长超过10000公里，覆盖北京、上海、广东、重庆等17个省份约80个城市。

基于可信中继的远距离量子通信

不过，这不是一个完美的解决方案。一个更有效的解决方案是自由空间量子通信。2003年，我们提出卫星量子通信的构想。经过严格的地面验证与关键技术攻关，量子科学实验卫星“墨子号”于2016年8月成功发射。“墨子号”在轨运行半年后，圆满完成了全部既定科学目标——千公里级量子密钥分发、千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级地星量子隐形传态，充分验证了通过卫星平台实现远距离量子通信的可行性。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器连接实现城际量子网络、通过卫星中转实现远距离量子通信，结合“墨子号”和“京沪干线”，我们构建了国际上首个天地一体的广域量子通信网络雏形，这为将来的规模化应用奠定了坚实的科学与技术基础。下面，我再简单地介绍一些我们在量子计算方面的研究。量子计算的能力随可操纵的量子比特数呈指数增长，量子计算研究的一个核心任务便是实现量子比特的规模化相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界认为量子计算有几个阶段性的里程碑。第一阶段，相干操纵50个左右的量子比特，这时针对若干问题（如玻色取样、组合优化）的计算能力超越经典超级计算机，可以实现“量子计算优越性”；第二阶段，完成量子纠错的原理实现、相干操纵数百个量子比特的专用量子模拟机；第三阶段，可编程的通用量子计算机。

2019年，谷歌在国际上率先宣称实现了量子计算优越性：在求解随机线路采样问题上，谷歌53比特超导量子计算系统“悬铃木”耗时约200秒完成的任务，当时世界排名第一的超级计算机Summit估计需要约1万年。但根据最新的张量网络算法，经典计算的时间预计仅需数十秒，谷歌工作的“量子计算优越性”已不成立。

2020年，我们实现76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题比当时最快的超级计算机“富岳”快10万倍，实现国际上首个被严格证明的“量子计算优越性”。2021年的“九章2号”能力较“九章”提升了10万倍，2023年的“九章3号”能力又较“九章2号”提升了100万倍。

在超导量子计算方面，2021年，我们构建了包含62个比特可编程的超导量子处理器“祖冲之号” 。同年，将“祖冲之号”升级到66个量子比特，并实现了随机线路取样问题的快速求解，比最快的超级计算机快10万倍，计算复杂度比谷歌“悬铃木”高6个数量级。我国成为目前唯一在两种物理体系都达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

未来展望

作为一个结束，我谈谈将来我们准备做什么？我们希望能够通过10到15年的努力，构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接。我们也会发射中高轨道量子卫星，实现全球化量子纠缠分发，将多个原子钟的原子纠缠起来，实现高精度广域时频传递网络。通过此，我希望我们中国科学家能够在下一代的秒定义里扮演主导作用之一。更进一步，高轨空间环境具有更小的重力噪声和磁场噪声，如果实现了长期稳定度达10^-21的光钟，将可用以探测暗物质对物理常数（例如精细结构常数α）的影响，探测更低频率的引力波信号，揭示更丰富的天文事件。

在量子纠错方面，我们希望5年时间来完成量子纠错的原理实现、实现数百个量子比特的相干操纵，解决若干超级计算机无法胜任的具有重要实用价值的问题。通过10到15年的努力，研制具备基本功能的可编程的通用量子计算机，探索对密码分析、大数据分析等的应用。

本文2023年12月22日发表于微信公众号 墨子沙龙 （从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技），风云之声获授权转载。

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■ 作者简介潘建伟1999年获奥地利维也纳大学实验物理博士学位。中国科学技术大学常务副校长、教授，中科院量子信息与量子科技创新研究院院长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。潘建伟教授主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域的开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段，他在量子调控领域取得了一系列有意义的研究成果，尤其是他关于量子通信、量子计算和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。其研究成果曾多次入选英国《自然》杂志评选的年度重大科学事件、美国《科学》杂志评选的“年度十大科技进展”、英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”、美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”以及两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”。曾获欧洲物理学会菲涅尔奖，国际量子通信、测量与计算学会国际量子通信奖，兰姆奖，美国科学促进会克利夫兰奖，美国光学学会伍德奖，墨子量子奖，蔡司研究奖，国家自然科学奖一等奖，未来科学大奖物质科学奖，香港求是科技基金会“杰出科学家奖”，何梁何利基金“科学与技术成就奖”以及中国科学院“杰出科技成就奖”等国内外荣誉奖项或称号。

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