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《科学大家》独家专栏|潘建伟院士:新量子革命

出品| 新浪科技《科学大家》

撰文| 潘建伟 中国科学技术大学常务副校长,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长,中国科学院院士,九三学社第十四届中央委员会副主席

2018年6月27日,美国众议院通过为期10年的“国家量子行动法案”,2019-2022年预计投入约13亿美元,主要研究领域为超精密量子传感、防黑客量子通信以及量子计算等。另外,NASA(美国国家航空航天局)和ESA(欧洲航天局)也发布了空间量子实验白皮书,JPL(美国喷气推进实验室)及加拿大航天局也正规划研制新一代量子通信卫星,谷歌、微软、IBM、Intel等国际巨头企业都积极投入开展量子计算研发中。2015年1月,英国政府启动了约5亿英镑的国家量子技术专项;2018年1月,欧盟正式启动量子技术旗舰项目,连同各成员国政府和相关企业的配套支持估计总经费将达到30至40亿欧元;2018年11月,德国投入6.5亿欧元实施《量子技术:从基础到市场》计划……

为何各国政府及巨头企业如此青睐与量子计算呢?这得从第一次科学革命说起。

《自然哲学的数学原理》

《自然哲学的数学原理》

第一次科学革命的主要标志是牛顿力学诞生。在很多前辈的努力成果之下,牛顿总结出版了巨著《自然哲学的数学原理》,在第一次科学革命当中,我们得到了两个公式:一切力学现象都可以统一为一个简单的公式F=ma,另外一个公式为各个物体间的相互作用是由万有引力来决定的—F=GMm/r^2,航天工作者对这两个公式一定不陌生;有了这两个公式,在微积分的帮助下,所有的星体的运动都是可以被精确计算的。

在这一科学框架下,麦克斯维尔也总结出版了一本书:《电磁场的动力学理论》,他认为,一切光、电、磁的现象都可以统一为一个方程组:

正因为有了牛顿经典力学的建立,人类很快催生出第一次产业变革,随后,德国、美国分别抓住了电力变革技术的契机,完成了第二次产业变革,率先成为工业强国。

经典物理学的困境

牛顿力学和电动力学都是经典物理学。它们是非常好的,成功地解释了我们日常生活中几乎所有的现象。但是大家有没有想过这样一个问题?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原理上都是可以被精确预言的!也就是一切事件在冥冥之中早已注定,那是否结果与我们个人的努力毫无关系呢?

霍金曾这么说过:“即使是相信一切都是上天注定的人,在过马路时也会左右看,以免被汽车撞倒。”所以,其实我们内心深处是不太相信这一切是由这样的科学已经注定好的。

量子力学:全新的观念!

直到上世纪初,随着量子力学的出现,才给我们带来了一种全新的观念。和牛顿经典力学一样,量子力学也是由普朗克、爱因斯坦、波尔、薛定谔、海森堡等这样一群聪明的大脑共同建立的。

在最基本的观念里,我们认为物体是无限可分的,空间和时间也是无限可分的。我们都学过化学,知道物质是有最基本的元素组成的,比如一瓶水,不断分割下去能成为一个个水分子,当然水分子也是可以再分成两个氢原子和一个氧原子,但这时就不再是水分子了。所以,水分子是水的化学性质的最小单元。因此,量子就是构成物质的最基本单元,是能量的最基本携带者,不可再分割。

与经典力学相比,量子力学所描述的微观粒子,最大的不同就是量子叠加的特性。如薛定谔的猫:在经典状态下,一只猫只能处于死或活状态中的一种,但到了量子世界中,一只猫可以处于死和活的叠加态。在传统世界里,我们用光束来测量一个物体的动量时,得出的结果默认为光束本身对测量结果没有影响。但是在微观世界里,不管测量的手法如何微小,一旦作用发生了,物体的状态就会变化,也就是说量子个体的状态会因测量而改变。

量力力学告诉我们,这个世界充满了不确定性,它不是非0即1这两种状态,大多数是处于0+1的叠加状态,而且观察者的行为,比如测量,会影响体系的演化。所以,从这个角度来讲,量子力学在哲学上比牛顿力学要积极的多。

有了这一全新的观念后,立刻带来了新的科学革命。上个世纪我们大多数的技术进步包括核武器的研制、核物理的研究、原子钟的研制,都是在量子的基础上建立起来的,而这些工作的有效性又进一步证明了微观世界里量子叠加原理的正确性。在这些研究过程中如核武器的研究中,本身又推动了现代通用计算机的诞生和发展,同时在加速器的研制过程中,又促进了万维网的诞生,而本来用来检验相对论的原子钟,奠定了卫星导航的基础。

故而在第二次科学革命之后,马上就催生了以信息科学技术为代表的第三次产业变革。所以从这个角度来看,科学的革命通常会带来新的技术变革,进而提升人类的生活质量。那么到了信息技术发展的今天,我们又遇到了哪些问题呢?其中一个问题就是信息安全的瓶颈,如同斯诺登事件里面所指出的那样,我们每天都面临着严重的信息泄露威胁。

如何走出信息泄露困境:量子通信

信息安全有三个重要的要素,身份认证(确保被授权的用户)、传输加密(确保传输过程的安全)、消息认证(确保内容不被篡改)。举例,当我的电话响了,显示是我的一个朋友,让我第二天去他办公室找他,声音听着没错,但现在的人工智能技术其实是可以合成出一个人的声音的,结果我就被骗了。为了确定电话的另一端或者给我们发送指令的上级没被冒充,可以利用事先约定好的暗号密码,只有密码对上了,我才会相信对方的信息。

身份认证这一步解决了之后,在传输过程中如果信息被对方窃取了该怎么办?这个时候我们就需要对传输的信息进行加密,加密后窃听者就只能听到一堆噪声。当窃听者既无法冒充上级又无法窃听信息,万一对信息进行破坏篡改,抱着我得不到你们也得不到的心态,那该怎么办呢?这时候我们可以用一种“消息认证”的手法来进行保证数据的完整性和不被篡改。

其实身份认证自古就有,在春秋战国的时候,信陵君窃符救赵的故事,就是利用虎符所代表的身份认证。古希腊人也用过加密术,当然,那个时候的加密方式很简单,仅仅是通过一个固定大小的加密棒来实现的。随后凯撒又升级了加密术,利用字符变换来进行加密。后来,阿拉伯数学家Al-Kindi发现利用字母出现的频率,可以破译密码。第二次世界大战时,德军发明了Enigma密码系统,但这个系统后来被誉为计算机之父的图灵破解了。

到了70年代,科学家提出了RSA公钥体系,但RSA512位在1999年被破解,RSA768位2009年被破解,现在RSA1024位已被建议不再使用了,直接使用RSA2048位或RSA3072位。其实这个问题就告诉我们,所有依赖于计算复杂度的经典加密算法,原则上都是能被破解的,100多年前爱伦·坡就怀疑过:“以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码。”从这里也不难看出,加密问题一直是几千年来人类想解决的问题。

随着科技的发展,我们还面临着对计算能力的巨大需求问题,其实在1943年第一台计算机Colossus刚造出来时,每秒运算速率为5000次, IBM前总裁Thomas Watson当时认为:“全世界可能只需要5台计算机。”但到了2010年,一部智能手机的计算能力就已经超过了“阿波罗计划”的计算能力总和,例如苹果手机的A12芯片每秒运算速率达到5万亿次。但就以这样的发展速度,现今全球的计算能力加到一块也无法在一年内完成对2^80个数据的穷举搜索,而且因为摩尔定律逐渐逼近极限,传统发展模式受到严重制约。

第二次量子革命:量子调控与量子信息

幸运的是,通过量子物理基础检验,我们已经为解决这些重大问题做好了准备。

首先我们来了解下量子纠缠,之前我们讲过量子的叠加态,对常理来说这已经非常奇怪了,但是爱因斯坦觉得还没把量子力学中的怪异现象发挥到极致,所以在1935年的时候,他提出了量子纠缠的概念。根据量子叠加原理,一只猫可以处在死和活的状态叠加,那么两只猫是不是可以处在“死死”加“活活”的叠加呢?也就是说,如果这两只猫处于纠缠态的话,把两只猫放在相距非常远的AB两个地方,如果我们在A地看到猫处于死的状态,那么B地方的猫也瞬间处于死的状态了,爱因斯坦称这为:“遥远地点之间的诡异互动。”

后来科学家对这种“诡异的互动”开展了大量的实验研究,都证明了量子纠缠确实存在,而在这一过程中发展起来了非常精致的量子调控技术。结合量子调控和信息技术,就产生了量子信息这一全新学科,第二次量子革命来了。量子信息包括量子通信、量子计算和量子精密测量三方面。量子通信可以提供原理上无条件安全的通信方式,量子计算可以带来计算能力的飞跃,量子精密测量可以大幅提高测量精度。

量子通信的一种应用是基于量子秘钥分发。什么是量子秘钥分发呢?假如张三想给李四送一组保密信息,首先张三可以送一系列的单光子给李四来产生密钥。因为光子是不可再分割的,窃听者无法像经典光通信一样截取“部分”光子来窃取信息;如果中间有人窃听,由于测量会影响光子的量子叠加态,等到李四接收到光子时,就会得知存在窃听。这时,张三和李四就可以丢弃存在窃听风险的密钥,从网络中换一条安全的线路继续产生密钥。由于窃听行为一定会被察觉,最后张三和李四之间产生的密钥一定是未经窃听的、安全的密钥。利用这组密钥结合“一次一密”的加密方法,就可以实现原理上无条件安全的通信。量子通信还有另外一种应用:量子隐形传态,利用纠缠的辅助可以将粒子的量子状态转送到遥远地点而不用传送这个粒子本身。多体、多终端、多自由度的量子隐形传态是构建量子计算机的基本单元。

量子计算的计算能力随着可操纵的量子比特数增长呈指数增长。如何去理解这句话呢?一个比特在经典的状态下只能处于0或1中的某一个状态,但是一个量子比特就能处于0或1这两个状态的叠加,两个比特在经典状态下只能处于00、01、11、10这四个状态,但两个量子比特就能处在这四个状态的叠加态,如果我们有五十个粒子组成的量子计算机,原理上就可以同时对2^50个数据进行并行计算。2^50次方是一个什么概念呢?假如一张白纸,对折一次是2^1方,对折了50次后,这张纸的厚度大概是太阳到地球的距离。本来50个粒子一次只能计算一个状态,但到了量子世界里,就能同时算2^50个状态,所以说量子计算的计算能力是呈指数增长的。

假如现在利用万亿次经典计算机分解300位的大数,需要150000年,而利用万亿次量子计算机,只需1秒。求解一个亿亿亿变量的方程组,利用亿亿次的经典超级计算机需要100年,利用万亿次量子计算机,只需0.01秒,这种计算能力可以广泛应用在经典状态下密码的破译、气象预报、金融分析、药物设计等各个方面,这么厉害的量子计算机什么时候能造出来呢?目前路还很长,要构造出一台通用的量子计算机,我个人认为也许20年后,也许30年后,也许需要更长的时间。

但我们可以构造解决特定问题的专用量子计算机,也许在三五年内,这类量子计算机能计算如材料、化学里面的专业问题。

量子精密测量可以大幅度提升导航、激光制导、水下定位、医学检测和引力波探测等的领域研究的准确性和精度。例如水下自主导航,传统导航技术在航行100天后定位误差达数十公里,需要定期上浮利用卫星定位修正;而利用量子精密测量技术,航行100天后定位误差小于数百米,不需卫星定位修正,可长期潜伏。

远距离量子通信面临的困境

尽管量子保密通信的原理并不复杂,但现实条件下的实现却面临着诸多技术难题。到2007年,国际上才首次把量子保密通信的安全距离提升到100公里左右,到2008年,我们建成了首个全通型城域量子通信网络;在此基础上,2012年,基于量子通信的高安全通信保障系统投入永久运行,同年,我们在济南建立了46个节点的规模化量子通信网络,并来验证量子通信的可靠性。

但目前我们需要面临量子通信里面最头疼的问题,当我们想往远距离拓展时,2016年时点对点光纤量子保密通信最远只能达到400公里左右,这基本上也是目前所能达到的极限。为什么会出现这样的问题呢?主要因为量子态本身是不能被复制,因此在光纤中信号会逐渐衰减,并随距离增加呈指数增长,另外消相干导致量子纠缠品质下降。假设建造长度为1200公里的商用光纤中,即使有每秒百亿发射率的理想单光子源和完美的探测器,需要数百万年才能传送一个量子比特!

基于可信中继的城际量子保密通信网络

2012年,我们提出了一个折中的方案,可以利用中继站来接力传输。假设我们从北京传输秘钥到上海,可以在济南、合肥建两个中继站,这样相邻的两个城市间距离不超过400公里,只要保证中继站是可信的,那么整条线路也就是可信的。基于这样的思路,国家发改委“京沪干线”光纤量子保密通信骨干网开建,光纤总长2000余公里,于2017年9月正式开通,目前正在进行攻防演练和机密信息传输,如人民银行人民币跨境收付信息管理系统、工商银行网上银行异地量子机密传输等。

虽然我们用的是可信中继,但如果想要传输的地方没有光纤怎么办呢?我们的团队就设想能不能利用自由空间的量子通信方案,在外太空可以克服地表曲率也没有障碍物的阻碍,垂直大气层大概只有五到十公里,大气对某些波长的光子吸收非常小,另外真空中信号不会衰减和退相关,如果这个方案可以实现的话,我们就能大大增加量子保密通信的传输距离。

自由空间量子通信:墨子号卫星

2003年,我们提出了自由空间量子通信的构想,经过一年多的努力,2004年,我们在合肥实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发,2009年,又实现16公里自由空间量子隐形传态。经过这些实验,我们团队验证了光子在穿透大气层后,其量子态能够有效保持。2011年,在青海,我们实现100公里级自由空间量子隐形传态以及双向量子纠缠分发,验证了在高损耗星地链路中进行量子通信的可行性。

卫星在运动中会有各种姿态,这对量子通信有哪些影响呢?2012年,利用热气球模拟各种卫星运动姿态,我们实现了星地量子通信的全方位地基验证,从而验证了各种卫星运动姿态下进行星地量子通信的可行性。

有了这些技术作为后盾,2016年8月16日,量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射。这颗卫星其实肩负着三个使命,一是星地间量子秘钥分发,我们实现了乌鲁木齐到卫星间的量子秘钥分发,千公里级量子密钥分发速率达到~1kbps,比同距离光纤提高20个数量级,最近我们进行改进,结果分发速率可达到400kpbs,可以满足用户基本的需求;二是为了检验爱因斯坦的非定域性,这是在基础检验里面一个特别有意思的内容,在这个实验中,我们发现千公里级星地双向量子纠缠分发,实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。德令哈和丽江相距1200公里,在德令哈测量一个量子的状态,处于丽江的与之相纠缠的量子也会出现一模一样的变化;第三个使命是量子隐形传态相关实验,量子隐形传态是未来量子信息和量子网络研究的一个重要内容,实验中,我们完成了千公里级地星量子隐形传态。

随后,我们通过国际合作,在2018年完成了北京和维也纳之间的洲际量子通信实验,另外,和意大利、新加坡、德国、俄罗斯、瑞典等国的合作正在进行中。

墨子号卫星相关实验后近两年,我们又做了哪些工作呢?在墨子号卫星实验中,卫星作为秘钥分发者,存在一个问题:如果我们的卫星被敌人劫持,那么分发的秘钥就会被敌人获取,如何解决这个问题呢?那就是基于纠缠的量子密钥分发,即使卫星有他方提供,只要量子纠缠的“诡异互动”能够存在,就能够保证安全的密钥分发。这个实验花费了大概两年的时间,我们实现了千公里级基于纠缠分发的量子秘钥,但目前的量子密钥成码率比较低,仅为0.38 bps。如果结合目前地面上已有的GHz量子纠缠光源,就能够实现每轨10Kbits量子密钥成码率。

由于墨子号卫星是一颗低轨道卫星,每天只能路过固定地点两次,通信的时间只有200秒左右,加上白天的太阳光强烈,所以相关实验只能在晚上进行。为了解决这个问题,从长远来讲,我们需要卫星群组网,实现全球高效的秘钥分发。卫星组网意味着必然有卫星暴露在太阳背景辐射中,这就需要实现白天的量子通信。最近,通过滤波,我们也实现了白天远距离 (53km) 自由空间量子密钥分发。

建立全球化量子通信网络

未来希望通过10-15年的努力,我们能构建完整的天地一体广域量子保密通信网络体系,并与经典通信网络实现无缝链接。结合广域量子通信网络技术,利用广域量子隐形传态汇聚全球范围望远镜接收到的光子,可以构建等效口径为地球截面大小的“望远镜”,这种“望远镜”如果实现,就会具有超高的空间分辨率,能从地球观测到木星轨道上车牌大小的物体。

第一次量子革命已在上世纪对人类的社会面貌和生活方式产生了巨大的影响,可以预期,以量子信息技术为代表的第二次量子革命也一定会带来人类社会物质文明的巨大进步,同时也给中国一个从经典信息技术时代的跟随者、模仿者转变为未来信息技术引领者的伟大机遇。

责任编辑:Rex_28