从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技 | 高能论坛
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潘建伟院士演讲视频
20世纪初，量子力学拨开长久以来困扰物理学界的乌云，横空出世，从根本上改变了人们对微观世界的理解。历经百年，它不仅成为物理、化学、天文、生命等学科在内的整个现代自然科学的支柱，而且促进了一系列现代科技的发展。现如今，虽然“量子”这个名词在普通大众的视野中越见频繁，但它神秘的面纱却鲜为人揭。11月13日，“高能论坛”邀请到国际量子信息实验领域开拓者之一、著名物理学家、中国科学院院士潘建伟，带我们品味量子力学、量子信息科学中深刻而丰富的物理内涵，及其在现代科学技术中发挥的重要作用。
和许多求知若渴的物理学家一样，潘院士对量子力学的钻研，始于对经典与量子力学背后物理内涵的深入思考。众所周知，在经典物理中，一旦了解了一个粒子的初始状态，其未来的运动状态原理上都是可以被精确预言的。那么，现在发生的一切事件，似乎从宇宙大爆炸伊始就全都被决定了，既然如此，个人的努力还有意义吗？对待这种机械决定论的观点，霍金有过一个非常有趣的评价：即使相信一切都是上天注定的人，在过马路时也会左右看，以免被车撞倒。而量子力学的诞生，革新了我们对世界的认识——世界本质上是带有随机性的。这种对世界全新的认识，早年间在物理学界引发了巨大的争论，爱因斯坦曾质疑：上帝是不掷骰子的，他认为这种随机性的背后应该由更基本的确定性支配。
图1
与经典世界中所有物体都处于确定的状态不同，在量子世界中，物体可以处于不同状态的叠加。一个为人熟知的思想实验是薛定谔的猫，量子世界中的猫可以处在又死又活的叠加状态（图1），直到外界对它进行观测，这个叠加态才会塌缩到经典的状态，死猫或者活猫。量子世界中允许叠加状态存在的特性，导致了很多与经典物理不同的结果。譬如在经典世界中，我们可以通过测量一个物体获得它的全部信息，并进行克隆。但量子力学告诉我们，对未知量子态的测量会扰动其初始状态，导致无法获得原件的全部信息，使得单个未知的量子态是无法被精确克隆的，而这也是量子密码安全性的基础。除此之外，量子力学的革命还推动了包括计算机、互联网、GPS等众多现代技术的发展。
随着科技的进步，现代信息技术的发展面临着许多瓶颈问题。首先，网络信息安全面临严重的威胁。传统信息安全依赖于加密算法，而加密算法的安全性依赖于计算复杂度，随着计算能力的提升，这些算法在原理上都会被破解。此外，计算能力的发展也遇到了瓶颈。发展算力的传统方式主要是增加晶体管的集成度，但这最终会使得晶体管的尺寸进入亚纳米尺度，量子隧穿效应将显现，以至于经典的电路原理不再适用，并且随着集成度的增长，能耗也会愈发巨大。
图2
经过百年的发展，量子力学已经为解决这些问题做好了充足的准备，这主要依赖于量子力学中叠加与纠缠这两个基本性质。与一个粒子可以处在叠加状态类似，两个粒子也可以共同组成叠加状态，而纠缠态正是一种特殊的叠加态。对于两只处于特定纠缠态（图2）的猫，一旦看见其中一只是活的，另一只会马上塌缩到活的状态，不论相隔多远。爱因斯坦称这种现象为：遥远地点之间的诡异互动。当时对这种现象的理解，众说纷纭。爱因斯坦认为，如果对一个粒子没有造成任何影响却能够精确预言它的状态，那么这个物理量的值一定是预先确定好的，与是否执行测量无关。这种观点被称为定域实在论，与此相对的还有另一种诠释：单个粒子的物理量在测量之前并没有确定的值，只有在测量的时候，才能决定它的状态。这两种观点在当时的实验中并不能体现出差别，直到1964年，物理学家贝尔提出了著名的贝尔不等式，表明这两种观点可以在实验上被区分，即使如此，对不等式的完美检验还依然有待实验的推进。
在不断设计实验精确验证贝尔不等式的过程中，科学家逐渐发展出了一套精确调控纠缠粒子技术，这些新技术的发展带来了第二次量子革命，直接推动了量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的蓬勃发展。
图3
在量子通信方面，第一项比较成熟的研究是量子密钥分发（图3）。在传输密钥的过程中，由量子力学的基本原理保证，窃听者不可能在通讯者不知情的情况下偷走或复制密钥，这就保证了密钥分发在原理上是绝对安全的。另一种有趣的研究叫量子隐形传态，利用两粒子之间的纠缠，可以实现量子态在两地间的传输，而这也是构建量子计算机的基础之一。因为量子比特可以处在叠加态的这种特性，使得量子计算的计算能力随可操纵的量子比特数呈指数增长，所以理论上它可以突破经典计算机算力的瓶颈，这对大数据、人工智能、气象预报和药物设计等领域都会起到推动的作用。
有了理论研究的基础之后，如何把理论成果转化为现实应用同样也面临着很大的挑战。譬如，虽然量子通信在理论上是安全的，但在现实条件下，并不能保证光源或探测器按预期完美地工作，这样一来可能导致存在安全性的漏洞被窃听者利用。另外，由于光纤的固有损耗会随着传输距离指数增长，使得现实中远距离传输量子比特变得异常困难。这些难题直到近期才被克服，到目前为止已经可以比较放心地认为，现实条件下量子通信系统的安全性已经逼近理论的预期。为了使量子通信技术更具实用性，其通信距离还需要被进一步扩展，潘建伟团队采用了基于可信中继的远距离量子通信技术，于2017年建立了总长2000余公里的城际光纤量子通信干线“京沪干线”。
图4
潘院士介绍，可信量子中继技术并不是解决远距离通信的终极方案，他们提出一套自由空间的量子通信方案，在研究中攻克了许多技术难关，通过不懈的努力，最终于2016年8月成功发射了“墨子号”量子科学实验卫星（图4）。带着科学任务的“墨子号”卫星从上天伊始，就不断地给地面传来捷报：千公里级量子密钥分发的速率相较于同距离地光纤，被提高了20个数量级；千公里级地星量子隐形传态得以实现。随后他们又和多国合作，完成了洲际量子通信实验。马不停蹄，潘建伟团队于2020年又实现了基于纠缠的量子密钥分发实验，原理上可以做到，即使卫星为他人控制，也能获得安全的密钥。这终将实现所有密码学者千年来的梦想，做到密码不可被破译。除此之外，相关技术还可以用来检验引力的量子化问题，并已经得到了一些初步的结果。对于下一代量子通信卫星方案，潘建伟院士介绍，除了低轨卫星网络之外，还可以发射中高轨道的卫星，这样既能满足机要部门业务化运行的需求，又能建立覆盖全球、全天时的工作空间量子通信网。
此外，对量子计算发展的规划，潘建伟院士也做了简要的介绍：第一阶段，预期实现对若干问题的计算能力，超越传统的超级计算机；第二阶段，实现专用的量子模拟机，以揭示若干经典计算机无法胜任的复杂物理系统的规律；第三阶段，造出可编程的通用量子计算机。目前，我国在光、超导、超冷原子量子计算实验等方面都取得了巨大的研究进展。未来，潘院士还预期构建一套完整的天地一体的广域量子通信网络技术体系来服务国家信息安全，构建超高精度的空间光钟来探测引力红移与不同频段的引力波，结合登月计划实现地月之间的量子纠缠分发等。
报告后的交流讨论环节，多位师生就量子与经典力学的差异、量子精密测量的原理、量子计算的优越性等问题向潘院士积极提问，引发了大家热烈的讨论。报告的最后，所长王贻芳鼓励在座的高能物理学者要努力学习前沿科学和技术，开阔眼界，勇于创新，积极开展合作与交叉，既采用相关的量子技术与思想为高能物理服务，也利用高能物理的相关技术为量子科技服务。
作者：刘宇轩
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