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中国量子通信之父潘建伟演讲:神话、哲学、互联网与人类未来
[ 作者:佚名    转贴自:搜狐    点击数:343    更新时间:2016-08-20    文章录入:admin ]

 

  编者按:

  近期,中国发生的“大事”,就是近日成功被中国的科学家们送上太空的全世界首个“量子科学实验卫星”——名曰:“墨子”。让我们来听听首席科学家潘建伟的一篇演讲。

  《西游记》里的“千里眼”、“顺风耳”,在某种意义上已经被现在的电视和电话实现了。而“天上一日、地上一年”的神话也被相对论所证实,此外,孙悟空的分身术和筋斗云,我们现在能不能实现呢?

116日,由北京听道与“知识分子”联合举办的听道讲坛-知识分子专场上,刚刚获得2015年度国家自然科学奖一等奖的中国科学技术大学教授潘建伟,带来了有关量子通讯与信息安全的精彩演讲。

 

演讲 | 潘建伟(中国科学院院士)

视频制作| 北京听道

视频校对| 邓志英

 

我今天报告的题目叫作“神话、哲学、互联网与人类未来”。前阵子,我正好在乌镇,就参加了互联网大会。在大会中,我忽然有这么一个理解,其实在古时候同时期存在着两种人属,一种叫硕壮人,一种叫直立人,他们互相之间可能也会有些联系。硕壮人已经开始使用工具了,而且他的脑容量也挺大。直立人相对没有硕壮人那么强壮,但是他们发明了符号与基本的语言,可以很好地交流,分享一些信息,正因为这个原因,经过慢慢地进化,他就成为了我们现代人的祖先。

 

所以某种意义上讲,那个时候就已经有一种信息的交互。如果我们不太较真的话,可以把它叫做一种互联网的雏形。按照我的理解,正是因为有这样的信息的交互、有互相协同,在直立人的进化过程中起到了关键的作用。

关于互联网的将来,一直以来有一个非常重要的话题,就是所谓的隐私保护。有了隐私的保护,我们才能保证思想的自由和思想的多样性,才能百家争鸣,比如像雅典学院等等,能够形成各种各样的创新。所以我觉得在人类文明进化的过程当中,有两方面信息的交互很重要:人类互相交流想象变得越来越丰富,同时每一个人都要作为一个主体,有独立思考的能力。有这两方面的原因,我们人才能自由地创造。

神话传说的物理实现

《西游记》里面有很多很有趣的概念。第一个就是“天上一日、地上一年”,告诉我们,天上的神仙时间会过得慢一点,他们活得时间会长一点,而地上的时间会过得比较快。有两个很有名的神仙,叫顺风耳、千里眼,发生在很遥远的地方的事情他们能够听到,也能够看到。

当然可能大家都读过这本书,其中最吸引人的就是美猴王。孙悟空有一个功能就是分身术,毫毛一拔,到处一扔,就变出好多个孙悟空。他还有另外一种非常强大的功能——筋斗云。翻一个筋斗,就可以从一个地方消失,在另一个非常遥远的地方出现。这有点像我们前阵子看到的科幻电影《星际穿越》里面的场景。

所以大家就问了,这些东西在我们现实生活当中到底能不能实现?大家都知道,得益于电动力学的建立,我们能进行无线电的通信。在1888年,赫兹在卡尔斯鲁厄——德国的小镇,做了一个实验来验证电磁波是不是存在。在图的右边,有一个小线圈在抖动,当线圈通电之后,在很遥远的地方,按道理应该发生电火花。但因为他这两个实验室本来是在两个不同的房间,所以他摇完以后赶紧跑到隔壁房间看,什么也没有看到。好多年前我到这个地方去看过。赫兹后来把这个墙拆掉了,这边一抖,那边即时的电火花就发生了,因为无线电波以光速传递,跑得太快了,他怎么跑还是跑不过这个无线电。正因为有这些发明,后来有了电话,有了电视机,到现在我们用的手机,都可以现场实现千里眼、顺风耳这么神奇的功能了。所以我说,物理学真的非常有意思,它可以保证信息的有效传输。

 

刚才双南教授已经讲到相对论。狭义相对论和广义相对论都告诉了我们确实存在某种特殊的情况,有些地方时间过得慢一点,有的地方时间就过得快一点。比如在一个引力特别强的地方,一个小时甚至等于一个好远的地方的七年等等。这里可以举个例子,双生子佯谬的问题。如果说有对双胞胎兄弟,有一个是宇航员,坐着宇宙飞船在宇宙中进行快速的旅行。等他回来之后,他这个双生的兄弟,已经变得很老了。这样的现象,在物理世界、在高速飞行的粒子里面,已经能看到了。所以说确实也是可以实现的。

信息交互的未来挑战

因此我形成了这样一种观点:我们在古代早些时候有语言,通过口口相传,进行信息的传递、交互和共享。随后我们有了文字,也可以通过书本的传递,千里传书来传递信息。到了后来,随着科技的发展,第一次工业革命热力学的发现,随后电动力学的运用,我们信息的传递效率和交互效率就变得越来越高了。到了现代,因为有计算机和互联网的出现,其实整个地球都变成一个村子了。所以说,信息的交互非常重要。

有两个永恒主题将一直伴随着我们人类进化和社会发展:首先,怎样来加强信息交互的效率,把信息中有用的知识提取出来,进行传播、共享?这是非常重要的。同时,要加强隐私的保护,来保证每个人思想的自由。比如说,如果我现在可以非常方便地看到饶毅现在在想什么,我可以控制他的思想的话,我们每个人都不可能进行自由的创造了。所以我觉得,信息有效的交互和隐私的保护是我们人类未来的一个基本保证。如果这两者都没有的话,那我们就没办法继续进化下去了。

信息科技的进一步发展,目前面临很多重大的问题:随着半导体晶体管的尺寸接近纳米量级,电子的运动规律就不再遵守经典物理学的规律了。而且目前所谓的超级计算机能耗是巨大的,所以大家经常问:我们怎样来发展未来的计算机,能很好地解决人类对计算能力的无限需求?这是第一个问题。与此同时,我们确实因为面临各种各样的问题:信息终端、服务器、传输的网络都有各种各样的安全问题,存在着窃听和种种的黑客攻击。

有一种解决方法,就是可以对超级计算机进行加密,但随着计算能力的增加,原来那些非常有效的加密算法也都已经被破解了。这么一来,大家都希望能够建立下一代的标准密码。但非常不幸的是,这些标准密码还没投入使用,又被发现是不安全的了。大家可能还没有直接受到过损害,其实网络犯罪每年给全球带来了大量的经济损失,更加不用说因为种种可能的其他原因,另外造成一些损失。

量子世界的“分身术”和“筋斗云”

我今天想跟大家分享的第二个观点,就是量子力学在近百年的发展过程当中已经为解决这些重大的问题做好了准备。

具体来说,第一个就是要适当利用量子世界的分身术。这得益于上个世纪的一些物理学家建立的量子力学。在日常生活当中,我要么在上海作报告,要么在北京作报告,我不可能同时在两个地方讲。这是经典世界告诉我们的:我们某个时间只能在某个地方。但在量子世界,它是非常有意思的,比如作为一个微观的客体,它不仅在这里,也可以在那里,同时在好多个地方。

 

微观的客体在好多个地方同时存在,这是什么意思?我举个例子。比如我从法兰克福到北京讲学,当时太累就睡着了。假设有两条航线,一条从莫斯科过来,一条从新加坡过来。新加坡还非常温暖,莫斯科已经非常寒冷了。到了北京之后,我见到饶毅,他刚好到机场来接我。他说建伟,你是从哪条航线过来的?因为坐飞机的时候我睡着了,没看我从哪一条航线过来,记得我当时醒来的时候,浑身是冷热交加。可他说你肯定是发生了错觉,你最好以后坐飞机的时候睁大眼睛,不要睡觉。那我就很老实地坐1万次飞机,结果发现,随机的5000次我是浑身寒冷,5000次我是非常地温暖。我就觉得非常放心了,就可以又睡觉了。但是我又做了1万次实验,我发现非常不幸的是,每次只要我睡着了,醒来的时候总是在打摆子,就是冷热交加。

那为了解释这样的现象,在量子力学里面就说,第一,在某些特殊的情况下,如果说你没在看这个客体到底是处于哪个位置的时候,在某些特定情况它可以同时处在两个位置。第二个又告诉我们,就是量子客体的状态,你只要轻轻地去观测一下,对它的影响就不可逆转了,而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。

刚才双南也讲到,牛顿力学是一个非常美的理论。它告诉我们一旦一个粒子和这个体系的初始状态是决定的话,那么所有粒子未来的运动状态,根据F=ma这个方程我就可以预测出来了。如果我们人的所有的粒子都是由牛顿力学在控制的话,那么我们今天在这个地方开会、我们什么时候死、谁做生命学家、谁做物理学家,在宇宙大爆炸这个时候就已经确定了。所以个人的努力是毫无意义的。

从这个角度上讲,量子力学比我们经典牛顿力学哲学,要更加积极一些。量子力学告诉我们个人的行为、我这个体系的测量是可以影响世界的。所以从哲学上讲是非常积极的。具体来说,我们可以用粒子的状态来加载01的信息。在一个经典的世界,它只能处于上海或者北京,只能处于0或者1。到了微观世界之后,我们可以同时处于01的状态相干叠加。正因为有了这个相干叠加之后,新的定理就发生了。你若对这种状态去测量,就会对这种状态产生不可逆转的影响。它本来是处于冷热交加的,你一测它就变得冷或者热了。这么一来,量子力学告诉我们,未知的状态你是测不准的,这是量子不可克隆定理。

爱因斯坦不仅是相对论的建立者,同时也是量子力学建立者之一。他就非常不喜欢这样一种不客观的理论。因为他认为客观世界是独立于我们的意识而存在的。他说怎么可能你去测一下,结果对这个状态会发生影响?

 

我画的这只猫,就是所谓活活加死死这种状态,它就属于量子纠缠态。这是什么概念?比如说我到北京来,送给饶毅一个骰子,我事先做好了,他的这个骰子跟我这个骰子是纠缠态。然后我回到上海去了,我就跟他说,饶毅,你扔手中的那个骰子。他扔了好多次,把结果写下来,每次都是随机得到16里面的某一个点数。我就跟他说你第一次是多少,第二次是多少,我都可以猜得出来。这样的现象,我们把它叫作遥远地点之间的诡异互动。在2015年,这么一种现象基本在物理角度上被确证了,只剩一个很小的漏洞。这个是我们正在做的一个研究。

由此,我们说新的科学就诞生了。现代的物理学为我们传统的经典信息科学已经奠定了基础。有了量子的01之后,一些新的东西就诞生了。例如,可以利用它来保证原理上的无条件的安全的通信。如果将来可以立法,我们可以利用这种手段,保证我们的隐私。利用这种量子计算手段,它可以算得非常地快,可以有效地揭示复杂物理体系的规律。就是说,可以把计算能力和信息安全的两个问题都比较好地解决。

具体来说,比如说量子通信,我们可以用量子密钥分发。因为它是不可复制的,你去测就会被发现。所以我们就可以有一种绝对安全的通讯方式。其实还有另外一种比较有意思的、利用这样的量子纠缠的概念。因为时间关系,就只用图来表示了。

 

比如说我在上海的航班延误了,但要在几分钟之内到北京,怎么办?我坐飞机肯定不行了,但是如果说北京和上海之间我有两团纠缠物质的话,我可以对上海的这个潘建伟和旁边这种纠缠物质进行一种测量,把它都变成一个个纠缠粒子,那么你会得到一组数,通过这无线电台可以把它发射到北京。到了北京之后,可以对这团物质再做一种所谓的幺正变换,就可以用同样多的物质把它给重构出来。这样一种过程,我们就把它叫作量子世界的筋斗云。

当然,要传送人、传送比较复杂的客体,还需要比较长的时间。但是,这样一种能力就保证了量子信息可以在网络里面走来走去了,这样就是多体多终端多自由度的量子隐形传态,它能够构成一种分布式的量子信息处理的单元。其实我们所谓的计算机,也就是信息在这跑来跑去、处理的过程。如果利用这种过程,我们就可以来构建所谓的量子计算。

因为时间关系,我只举一个例子。比如说要求解一个1024次方的变量的线性方程组,用目前最快的天河2号超级计算机大概需要100年左右的时间。而利用万亿次的量子计算机,尽管计算的频率比天河2号要慢1万倍,但它只需要0.01秒就可以把这个方程给求解出来。所以它可以广泛地应用于药物设计、金融分析、气象预报、密码分析等等,用途是比较大的。

当然,也可以直接用于对一些物理问题的研究。因为物理问题研究更加直接,它也需要有非常强大的计算能力。有了这些理论之后我们就可以利用量子通讯,来构建一个非常好的天地一体化的网络,有城域网、城际网,利用卫星实现的这种广域的量子通信,就可以比较好地来保证我们的网络安全。

目前,我们正在做一些事情,比如说今年将开通北京到上海之间的一个量子保密通信“京沪干线”,今年还会发射一颗量子卫星。量子卫星除了做量子通讯之外,还可以来检验一下刚才所讲到的遥远地点之间的诡异互动。这是我们在量子通讯方面准备做的一些相关的事情。

 

另外在量子计算方面,其实我们觉得可能还需要一点路要走,但是已经有一个比较好的目标了,大概会用10年左右的时间,我们能够实现50个量子比特的操纵,它对某些问题的计算能力大概可以达到天河2号的数千倍左右。

我觉得,量子计算在不久的将来能够成为现实,所以总体上来讲,我们希望通过对量子通信、量子计算的研究,能够为我们未来的互联网,或者我们人类的发展,提供一种更加有效和更加安全的信息交互方式。

这就是我今天想给大家分享的一些想法。

本文根据作者在听道-知识分子专场的演讲整理,小标题为编者所加。

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