郭光灿：走进量子计算

在近日结束的安徽人工智能产业发展高峰论坛上，中科院院士、中国科学技术大学教授、本源量子首席科学顾问郭光灿院士为大家进行了关于量子计算的科普报告。以下为报告内容实录：

很高兴有机会来为大家做一个科普报告，今天的主题是人工智能，人工智能和量子计算在未来，都是可能对我们人类社会产生重大影响的新技术。今天来听报告的大多都是人工智能的专家，都是同行。大家可能对量子听了很多，但是不太懂，所以我今天的报告将以科普的形式来讲讲量子信息。

我想讲这几个问题：

一是量子世界的奇异特性，什么是量子？量子水、量子眼镜的伪科学五花八门。真正量子是什么，它有一个科学的内涵，你要稍微懂一点基本知识就不会被人家忽悠。

二是量子计算机。量子现在传得太神奇了，神奇到量子好像是妖魔鬼怪什么都能做，一些学者不合适的宣传也会导致大家的误解，所以我第二个方面给大家介绍一下量子技术不能做什么。

三是量子密码，量子设计有可能会给人类带来什么新的技术。

因为时间关系，我先讲一个量子计算机，量子计算机是对人类社会有颠覆性作用的新技术，所以我讲讲它的基本原理，它到底发展到什么地步，什么时候能够用上去，我想这是大家最关心的。

关于量子

什么是量子？大家中学上的物理课程叫经典物理，现在我们所知道的世界里面所有的运动规律都遵从经典物理的规律，这个世界我们叫它经典世界，这个世界很大的特点，大家都很熟的，什么物理量都是确定的，状态是确定的，你今天穿什么衣服、你的状态都是确定的，所以经典的一个共同特点是什么都是确定的。

如果这个世界小，分子是由分子、原子和什么什么组成的，如果小到原子那个尺度，微观世界所有的物体就不再遵从经典世界的方程，这一点科学家在一百多年前发现了——微观世界所有的粒子都有波动性、粒子性。那么什么理论能够描述这个微观粒子的运动规律呢？后来辛辛苦苦找到一个叫量子力学。

所以我们可以把世界分为，凡是遵从量子力学的世界叫做量子世界，遵从经典的叫做经典世界，我们现在最不熟的是量子世界，最大的特点是量子世界的粒子，它的位子、动量、能量所有物理量是不确定的，这也是最难理解的。我讲个例子：我们经典世界，一个人从合肥到北京你可以坐高铁，也可以坐飞机，一旦到北京了，人家问你是怎么来的？我是坐高铁来的，所以路径是确定的，经典世界的路径是确定的。同样如果是一个量子，它从合肥到北京也有几条路可以选择，它到北京以后问他是怎么到北京的？它不走一条路，它是几条路一起走，它是飞机和高铁一起走，你说它奇怪不奇怪？所以你要理解量子世界发生的事，你如果用经典世界思考完全想不通。所以你可以想像所有百货大楼的东西都是经典的，谁忽悠你是量子的全是骗人的，我告诉你量子到现在没有真正的产品出现。

关于量子体系

一个粒子就已经很奇怪了，两个粒子的量子体系更奇怪，奇怪到跟幽灵联合到一块。这就是我要给大家解释的。我举个例子：一个母亲在合肥，她女儿到深圳打工，她在深圳的女儿结婚，生孩子那一瞬间，她在合肥的母亲自动变成外婆，这就是“幽灵”，她女儿也没有打电话告诉她我生孩子了，但是她就变成外婆了，这不需要时间，这是瞬时发生的，没有信息传递，原因在哪儿？因为她们有深刻的关联，不管她们走多远，这件事情一定会发生。所以，幽灵没有传递信息，幽灵就是一种关联，这个关联是怎么来的？是最开始产生AB的时候他们自身性质决定的，不管他们空间分得多远都会保持这个关联，本质就是这个本质。爱因斯坦本来想拿这个实验说量子力学不对，后来证明量子力学是证明的，这是量子力学最本质的一个性质。我得出一个结论，这里没有超光速的信息传递，这里没有幽灵，也没有妖魔鬼怪，幽灵就是关联，也叫纠缠态，纠缠就是这样来的。

关于量子纠缠

那么这种量子纠缠有什么用？我讲一个简单的例子，量子的隐性传态，这个传态就是这个故事，Alice携带了一个量子信息，Alice想把这个粒子携带的信息传到她男朋友Bob那里去，但是信息的载体不送过去，大家能够听到我讲话的声音是因为声波通过空气传播过去，在家里看电视听广播的时候视频和音频信号要通过电磁波接收到，信息的传递一定需要载体。现在Alice说我不把载体送过去，我就把它送去行不行？用经典绝对不行，用量子也绝对不行，科学家想了一个办法，把量子和经典结合起来，结果就行了。Alice测量有四种可能的输出，一种概率是1/4，测量一次就有一个结果，Alice不管测量出什么结果，她把这个结果通过经典通道送给Bob，他知道信息的一部分，他知道这个信息就可以把这个粒子C做一个操控，这个粒子C就携带了C上面的信息，这个操控完了，这个过程里Alice的C的信息在Alice这里消失掉，在Bob的B那里出来了，所以就这么过去了。

我要讲容易误解的两点：第一点，这里需要经典，只要有经典就不需要超光速，所以信息消失掉到Bob那里出现这里没有超光速。第二点，她传递的是量子信息，不是载体，她没有把载体送过去。这个实验已经做成了，我要纠正一个，现在媒体还有的学者公开宣布，说量子技术可以使得人瞬时在地球上消失掉跑到别的星球去，或者从地球上一个地方瞬间转移到另一个地方，这是不可能发生的。

关于量子计算机

利用量子的性质我们开拓一种新的技术，这个技术是真的，量子计算机不是假的，都是真的。我们可以看到好多量子技术，量子密码、量子传感，所有这些量子器件的功能比经典器件要多，它的安全性也比经典器件安全得多，所以量子器件一旦出来了，我们整个社会就会发生很大的变化，从以前的经典世界跨越到量子世界，所有的水平会大大提高，所以量子信息的诞生是一个非常重要的时代。未来人类社会要走到量子技术的新时代，这是它的优点和潜力，但是这是未来的，为什么呢？因为量子的优越性在于量子性，而它的缺点和困难也在于量子性，量子性在宏观世界非常脆弱，很容易破坏掉，一个量子性消失掉了的器件，就变成经典器件了。量子计算机最大的难点，就在于保持住宏观量子体系的量子性，越大的宏观量子体系保持住量子性就越困难，这就是量子计算机做不出来的原因，人类已经找到好的解决办法可以解决这个问题，但是现在技术上还做不到。当下宣传的时候有人说量子马上走进千家万户，那是商人的忽悠，那是为了让股票上涨而已，现在还做不到，但是早晚一天会做到，这需要一个过程。

我们讲一个例子，我们确实能做到，它的优点很显著，但是难度很大。量子计算机是电子计算机演变出来的，它也不是从天上掉下来的，量子计算机有个定律叫摩尔定律，长期几十年摩尔定律不断翻，科学家就问摩尔定律永远翻下去，没有极限，会不会死掉？经过他们的研究，得出结论，摩尔定律早晚会死掉，原因有两点没有办法克服：一是能耗太高，二是再发展下去会碰到量子效应，量子效应会阻碍电子计算机发展的效应，所以人们指出摩尔定律一定会失败。

科学家就想摩尔定律失败以后，谁能替代计算，使计算效率能够提高，所以就提出来了量子计算机。操作一台量子计算机相当于把全世界所有的电脑加起来能力那么大，理论上可以这么大，这是量子计算机的优点，叫做天生的量子计算机运算能力，电子解不了的我能解。比如说大数因子分解，用电子计算机1600台分出两个数，但是如果用量子计算机一秒钟就可以分出来，这个问题为什么能够研究呢？这个问题是现在广泛研究的公开密钥的研究基础，所以量子计算机一旦做出来，现在所有的密钥都得破，所以现在美国已经消停了，就是因为量子计算机马上要来了。量子计算机跟电子计算机的运算能力相比，相当于电子计算机和算法的运算能力相比，当人类社会从算盘时代到现在量子计算机的时代，如果一旦量子计算机可以用了，那么从电子时代到量子计算机时代，人类社会将发生翻天覆地的变化，这就是为什么说它是颠覆性技术的原因，虽然它很困难，各个政府都要去做它的原因。

量子计算机目前在国内外的发展状态

欧洲有一个“量子宣言”，他们用了10亿的欧元，其中有一个叫量子计算机，这是他们的计划。澳大利亚主攻硅基，跟我们一样，法国总统到他们那去，他们开始联合起来共同做硅基的量子计算。加拿大有一个公司叫D-Wave，2011年发布第一台128比特量子计算机，但是大家不承认，因为它不能关联、不能纠缠、不能操控，所以它不是真正的量子计算机。谷歌做到72位的量子比特，IBM做到20位量子比特，这个进展非常快，快到IBM已经宣布三年之内要把可以商品化的量子计算机做出来，它要卖，为什么呢？因为它是公司，公司就是以商业为目的，所以它要抢占市场，所以它有可能做出来第一台，第一台是功能很简单的量子处理器，先把量子处理器做出来卖给大家，但是到后来的量子输出、量子输入等等什么都有了，让你习惯。它现在让你用习惯，它是一个专用机，但是它要占领这个市场，所以最近几年有可能到了这个地步。

所以量子计算机处在什么状态呢？从晶体管到集成电路的过渡阶段，在摩尔定律的发展下量子计算机处在这个过渡阶段。我们搞了一个本源量子服务平台，大家可以上网搜一搜登录进去看一看，它里面有各种各样的丰富内容。

关于量子密码

量子密码它是第一个可以实际应用的量子技术。量子计算机是最颠覆性的，但是很遥远，量子密码却很快就可以用，量子密码涉及到通信安全，如何把信息传过去也不让人听，比如说我们这里讲的是布什要跟他们两个谈话，拉登在中间偷听，他们通话的内容拉登听不了这就安全了。美国派潜艇到太平洋下面光纤通信，它潜驻旁边可以窃听，二百块钱就可以买个窃听器，美国二百块钱随便买，都可以买，因此必须加密，在古代都有加密。怎么加密呢？我要发一个信息，写在一张纸上，把这个纸在滚筒里转，我要写的信息就把它滚动转动，对方拿到这个纸条之后，先把白的纸绕到滚上，然后再写我要写的信息，拿到这个纸就乱了，可是对方知道这个纸的尺寸多大，所以就拿同样大尺寸的纸去找，这就是古代的加密。

现在是密文，密文什么也看不出来，密文传到对方，密文对方拿到也有一个密钥，它的密钥和你加密的密钥相同，拿到密钥就解密出来，这就是保密通讯的基本原理。所有国家在边界都有很多接受器，都是靠密文，收到密文之后就送到总部去，总部有专家，他不知道密钥，但是他可以进行破解，破了之后就会有奖励，这是能破的。这种是基本道理，如果这个Alice的密钥破不了，一次一密就无法破，一次密钥只能用一次，这样传过去，你不知道密钥，包括最聪明的专家都不能破出来，这是绝对安全的，不可破的，但是这里有一个缺点，什么缺点呢？它需要大量的密钥，比如说我们的驻美大使馆跟外交部一次一密，密码本用完以后就撕掉，不用，他密码本用完了，外交部把新的密码本更新传到大使馆，怎么传？这叫密钥分配，任何保密通道都不保密，最后怎么办呢？靠人，找一个可靠的人，祖宗八被都是老实人也不一定是可靠的人，因为他要睡觉，他睡觉的时候别人想办法把密码本拿走他也不知道，所以现在靠人是最安全的。量子密钥就解决一个问题，密钥分配不安全，它想办法让密钥分配安全，用量子的办法就可以安全，这是量子密码的诀窍。

关于量子通信

现在媒体上炒作量子通信，实际上不是量子通信，它其实是传密钥，所以所谓的量子通信就是一次一密的密钥分配，这个传输能够保证这个密钥是安全的，保证密钥分配是安全的。

我们看看它是怎么保证的？我们两个要保密通信了，先建一个密钥，密钥靠人保护是不安全的，我们马上要保密通信，我们先通过光纤用量子的办法产生密钥，密钥安全了我们再做一次一密的加密，这个密钥怎么给呢？我用一个光子一个光子的量子，然后用不同的量子态代表0，发100个光子，是圆的是线的不确定，每一个光子随机，一旦发出去之后，到了Bob之后，他要看这个密钥是0是1，这个光子是圆的还是线的，他也不知道，所以怎么检查它是圆的还是线的，Bob没有办法辨别，那就随机取，随机取有一半是对的，有一半是错的，艾丽斯知道100个光子有0和1，这时候Bob通过公开的渠道告诉艾丽斯说我测量的结果是什么，我第一个测量是圆的，艾丽斯知道Bob是对的，就把第一个测量的结果留下来。如果第二个测量还是圆的，艾丽斯知道你错了，但是她不告诉你，她说你把第二个扔掉，艾丽斯就告诉他你把哪些去掉，哪些留下来，去掉的是错的，留下的全是对的，两边一对，这两边是相同的，这就是密钥分配，密钥就传过去了，这就是量子的办法。

那量子通信有什么好处？那就是有没法窃听。如果有人窃听那就会破坏量子原来的状态，本来是圆偏光后来变成线偏光的，那就会知道中间有会窃听。这是量子密码的办法，要保证我的密钥有人窃听能发现，如果那个密钥有人窃听我发现不了，那还是不安全的，但是我们理论上绝对是安全的，所以这是量子密码有可能做到的，不可以窃听，窃听我就发现，不可以破译，我一次一密。

但是实际上有个问题，实际的物理体系不是你想的，理论上说窃听以后不被发现，但是如果你有漏洞我偷听了，这就不安全了，当所有的漏洞都堵了，所有的窃听技术都没有办法窃听，就是安全的。我们做了很多年了，现在已经达到实际应用的状况。

（本文转载自i创汇）

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