量子(zi)科(ke)(ke)技普通人(ren)看不懂，聽起來(lai)很玄。市場上還出現了(le)“量子(zi)鞋墊”“量子(zi)水杯”“量子(zi)面膜(mo)”等，有的培訓(xun)機(ji)構推(tui)出“量子(zi)波動速讀法(fa)”，這些(xie)東(dong)西靠譜嗎？甚至有的人(ren)宣(xuan)稱量子(zi)科(ke)(ke)技能治療糖尿病、癌癥(zheng)(zheng)等疑難雜癥(zheng)(zheng)，這些(xie)說(shuo)法(fa)科(ke)(ke)學(xue)嗎？記者日前采(cai)訪了(le)量子(zi)科(ke)(ke)技方面的著名專家，中國科(ke)(ke)技大學(xue)教授、中國科(ke)(ke)學(xue)院院士(shi)潘建偉。

　　量子科技的基(ji)礎(chu)是量子力(li)學，不(bu)治糖尿(niao)病、癌癥等疑難(nan)雜(za)癥

　　記者(zhe)：量子(zi)科技的(de)基礎是量子(zi)力學，您(nin)能否介紹一下量子(zi)力學是什么(me)？量子(zi)革命是怎么(me)回事？

　　潘建偉：量(liang)子(zi)(zi)力學(xue)誕生(sheng)(sheng)于20世(shi)紀初。從1900年普朗克提出量(liang)子(zi)(zi)論的(de)(de)百余年來，眾(zhong)多物理學(xue)家(jia)通(tong)(tong)過(guo)對(dui)量(liang)子(zi)(zi)規律的(de)(de)觀測，已經成(cheng)功構建起(qi)量(liang)子(zi)(zi)力學(xue)的(de)(de)理論大廈。通(tong)(tong)過(guo)量(liang)子(zi)(zi)力學(xue)，人(ren)們(men)深(shen)入認識了(le)(le)微觀世(shi)界的(de)(de)規律，在此基礎上產生(sheng)(sheng)了(le)(le)半導體、激光、核能等改變世(shi)界的(de)(de)重(zhong)大發明(ming)，催生(sheng)(sheng)了(le)(le)現代信息技(ji)術(shu)，這是人(ren)類的(de)(de)第(di)一次量(liang)子(zi)(zi)革命。

　　與經(jing)典力學相比，量子(zi)(zi)(zi)(zi)力學所描述的(de)(de)微觀粒子(zi)(zi)(zi)(zi)具有量子(zi)(zi)(zi)(zi)疊加的(de)(de)特性。如果把量子(zi)(zi)(zi)(zi)疊加擴(kuo)展到(dao)多個粒子(zi)(zi)(zi)(zi)，就會(hui)產生(sheng)“量子(zi)(zi)(zi)(zi)糾纏”現(xian)象。愛因(yin)斯坦就把量子(zi)(zi)(zi)(zi)糾纏稱為“遙(yao)遠地點之間(jian)的(de)(de)詭異(yi)互(hu)動(dong)”。科學家(jia)在對(dui)量子(zi)(zi)(zi)(zi)糾纏這一詭異(yi)互(hu)動(dong)展開(kai)大(da)量實驗研究(jiu)的(de)(de)過程(cheng)中，發(fa)展起來了精(jing)細的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)(zi)調控(kong)技術，人類從對(dui)量子(zi)(zi)(zi)(zi)規(gui)律的(de)(de)被動(dong)觀測，發(fa)展到(dao)能夠對(dui)量子(zi)(zi)(zi)(zi)狀態進(jin)行主動(dong)操(cao)縱，這就類似(si)于人類對(dui)生(sheng)物(wu)學的(de)(de)認(ren)識，從孟德爾(er)遺傳定律到(dao)DNA結構的(de)(de)偉大(da)跨越。

　　結合量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)調(diao)控和(he)信(xin)(xin)(xin)息技(ji)(ji)術，產生了(le)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)息這一新興學科(ke)(ke)。量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)息包括量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)通信(xin)(xin)(xin)、量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)計算和(he)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)精(jing)密測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)三方面(mian)的(de)應用，可以(yi)在(zai)(zai)確保信(xin)(xin)(xin)息安(an)全、提(ti)高(gao)運(yun)算速度、提(ti)升測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)精(jing)度等方面(mian)突破經典技(ji)(ji)術的(de)瓶頸。以(yi)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)息為代(dai)表的(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)科(ke)(ke)技(ji)(ji)迅速發展，人類迎來了(le)第二(er)次量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)革(ge)命。經過(guo)學術界多年(nian)努力(li)，目前(qian)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)保密通信(xin)(xin)(xin)和(he)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)雷(lei)達進入了(le)實用化階段(duan)，也(ye)有(you)了(le)相(xiang)關產品(pin)，其他的(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)技(ji)(ji)術離產業(ye)化和(he)商業(ye)化還需(xu)要(yao)一定的(de)時間。至于市場上出現的(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)鞋墊(dian)、量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)水(shui)杯(bei)、量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)波(bo)動閱讀法(fa)等，都跟量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)科(ke)(ke)技(ji)(ji)毫無關系，量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)科(ke)(ke)技(ji)(ji)目前(qian)也(ye)沒有(you)在(zai)(zai)糖尿病、癌癥等疑(yi)難雜(za)癥的(de)治療方面(mian)有(you)所(suo)應用。

　　量(liang)子(zi)通(tong)信(xin)的兩種典型應用：量(liang)子(zi)密鑰分發和量(liang)子(zi)隱(yin)形傳態

　　記(ji)者(zhe)：您提(ti)到量(liang)子通信已進(jin)入(ru)實(shi)用(yong)化階段，能否詳細介紹(shao)一(yi)下？

　　潘建偉：國際(ji)學(xue)術(shu)界將量(liang)(liang)子密鑰(yao)分發和量(liang)(liang)子隱(yin)形(xing)傳(chuan)態統稱(cheng)為(wei)量(liang)(liang)子通信。量(liang)(liang)子通信其實包(bao)括兩種(zhong)最典型(xing)的(de)應用方式，一種(zhong)是量(liang)(liang)子密鑰(yao)分發，另一種(zhong)是量(liang)(liang)子隱(yin)形(xing)傳(chuan)態。

　　量子(zi)密(mi)鑰(yao)分發是(shi)(shi)利用單光子(zi)的(de)(de)(de)(de)量子(zi)態來加載信息，通(tong)過一定的(de)(de)(de)(de)協(xie)議來產(chan)生(sheng)密(mi)鑰(yao)，量子(zi)力學的(de)(de)(de)(de)基本(ben)原(yuan)理保證了密(mi)鑰(yao)的(de)(de)(de)(de)安(an)全。量子(zi)保密(mi)的(de)(de)(de)(de)安(an)全性(xing)是(shi)(shi)基于量子(zi)力學基本(ben)原(yuan)理，和傳統的(de)(de)(de)(de)加密(mi)算(suan)法不(bu)一樣，它的(de)(de)(de)(de)安(an)全性(xing)與計算(suan)復(fu)雜度無關，只要量子(zi)力學是(shi)(shi)正確的(de)(de)(de)(de)，量子(zi)保密(mi)通(tong)信原(yuan)理上就是(shi)(shi)無條(tiao)件(jian)安(an)全的(de)(de)(de)(de)。

　　量(liang)子(zi)(zi)隱(yin)形傳(chuan)態(tai)是(shi)(shi)利(li)用量(liang)子(zi)(zi)糾纏(chan)，把量(liang)子(zi)(zi)態(tai)從一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)粒子(zi)(zi)傳(chuan)送到(dao)另外一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)粒子(zi)(zi)，而不用傳(chuan)送信息(xi)載體本(ben)身。做(zuo)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)形象的比喻，上(shang)海有(you)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)微觀客(ke)體，可(ke)以(yi)(yi)由幾千(qian)、幾萬個(ge)(ge)(ge)原子(zi)(zi)組(zu)成。如果上(shang)海和北京之間有(you)很多的原子(zi)(zi)糾纏(chan)起來(lai)了，要(yao)把上(shang)海體系(xi)(xi)的狀態(tai)傳(chuan)到(dao)北京，可(ke)以(yi)(yi)對上(shang)海的客(ke)體和糾纏(chan)原子(zi)(zi)進(jin)行一(yi)(yi)(yi)種共同的測(ce)量(liang)；測(ce)量(liang)完(wan)以(yi)(yi)后，可(ke)以(yi)(yi)把測(ce)量(liang)結(jie)果通過無線電臺發送到(dao)北京，北京只要(yao)根(gen)據(ju)這些結(jie)果對手中(zhong)粒子(zi)(zi)進(jin)行相應的操作，就(jiu)可(ke)以(yi)(yi)在北京把上(shang)海的體系(xi)(xi)重新給制備出來(lai)。對于量(liang)子(zi)(zi)信息(xi)研究而言，量(liang)子(zi)(zi)隱(yin)形傳(chuan)態(tai)可(ke)以(yi)(yi)連(lian)接量(liang)子(zi)(zi)信息(xi)處理單元來(lai)構建量(liang)子(zi)(zi)網絡(luo)，同時也是(shi)(shi)實(shi)現遠距離(li)量(liang)子(zi)(zi)密鑰分發的重要(yao)環(huan)節。

　　量子計(ji)算機(ji)具有(you)超強計(ji)算能(neng)力，人(ren)類(lei)大腦(nao)的運行(xing)機(ji)制可能(neng)和(he)量子計(ji)算機(ji)有(you)相通之處

　　記者：最近量子計算機也是一個熱門話題(ti)，請(qing)您介紹(shao)一下(xia)量子計算的原理和(he)發展趨勢。

　　潘建偉：經典(dian)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)的(de)(de)一(yi)個比(bi)(bi)特只能(neng)(neng)處(chu)(chu)(chu)于(yu)0或者(zhe)1兩(liang)種狀態(tai)之(zhi)一(yi)，兩(liang)個比(bi)(bi)特就只能(neng)(neng)處(chu)(chu)(chu)于(yu)00，01，10，11四種狀態(tai)里的(de)(de)某一(yi)個。而(er)對于(yu)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)，一(yi)個量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特不僅可(ke)以處(chu)(chu)(chu)于(yu)0或者(zhe)1，還(huan)可(ke)以同時(shi)處(chu)(chu)(chu)于(yu)0和1兩(liang)種狀態(tai)的(de)(de)疊加(jia)，兩(liang)個量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特就可(ke)以同時(shi)處(chu)(chu)(chu)于(yu)四種狀態(tai)的(de)(de)疊加(jia)，這就意味(wei)著(zhu)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)原理上可(ke)以對四個數(shu)據同時(shi)進行計(ji)(ji)算(suan)(suan)，因此量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)能(neng)(neng)力(li)隨著(zhu)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)(bi)特數(shu)目呈指數(shu)增(zeng)長，可(ke)以為人工(gong)智(zhi)能(neng)(neng)、密碼分(fen)(fen)析、氣象預報(bao)、藥(yao)物設(she)計(ji)(ji)等(deng)(deng)所需的(de)(de)大(da)(da)規(gui)模(mo)計(ji)(ji)算(suan)(suan)難題(ti)提供解決(jue)方(fang)案(an)。比(bi)(bi)如說(shuo)，有的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)可(ke)以快(kuai)速(su)分(fen)(fen)解大(da)(da)數(shu)，而(er)分(fen)(fen)解大(da)(da)數(shu)的(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)復雜度是目前廣泛使用(yong)(yong)的(de)(de)公鑰加(jia)密算(suan)(suan)法安(an)全性的(de)(de)基礎(chu)，如果(guo)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)研(yan)制(zhi)出來，傳統(tong)信息安(an)全體系將受到很大(da)(da)威脅(xie)；量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)還(huan)可(ke)以快(kuai)速(su)求解線(xian)性方(fang)程(cheng)組(zu)，在(zai)人工(gong)智(zhi)能(neng)(neng)、大(da)(da)數(shu)據等(deng)(deng)領域將會有非常(chang)廣泛的(de)(de)用(yong)(yong)途。

　　量子計算(suan)的發(fa)展有三個階段：第一(yi)階段，針對某一(yi)些(xie)特殊問題，要(yao)造出一(yi)臺機器來(lai)，可以比目前最快(kuai)的超級計算(suan)機要(yao)算(suan)得快(kuai)，這(zhe)被學術界稱為(wei)“量子優越性”。達到這(zhe)一(yi)目標需要(yao)能夠相干操縱大(da)概(gai)50個量子比特。

　　第二(er)階段，我們希望(wang)能(neng)夠操縱數百個量(liang)子比(bi)特，可以實現專用(yong)的(de)量(liang)子模擬機(ji)，對有(you)些復雜物理體系的(de)機(ji)制，比(bi)如高溫超(chao)導等(deng)，目前的(de)超(chao)級計算機(ji)算不了(le)的(de)問題，我們能(neng)夠來算，來解決(jue)實實在在的(de)問題。

　　第三階段，實(shi)現(xian)可編程(cheng)的通用(yong)(yong)量(liang)(liang)子(zi)計算(suan)(suan)機，就像我們現(xian)在(zai)用(yong)(yong)的計算(suan)(suan)機一(yi)樣可以計算(suan)(suan)很(hen)多問(wen)題(ti)。達到(dao)這一(yi)目(mu)標(biao)的關鍵是量(liang)(liang)子(zi)糾錯。目(mu)前到(dao)底在(zai)哪個物理(li)系統(tong)實(shi)現(xian)還沒(mei)有定論，所以需要各種體(ti)系，光、超(chao)(chao)導(dao)、超(chao)(chao)冷原子(zi)、離(li)子(zi)、固態、拓撲(pu)態等等，來開展相關工作。實(shi)現(xian)可編程(cheng)的通用(yong)(yong)量(liang)(liang)子(zi)計算(suan)(suan)機還需要20年甚至更(geng)長的時間(jian)。

　　我(wo)(wo)們(men)(men)在(zai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)的(de)(de)研究主要集中在(zai)三個(ge)(ge)方(fang)向：第一，光量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)，我(wo)(wo)們(men)(men)已經(jing)(jing)做到了(le)(le)(le)相(xiang)(xiang)當于48個(ge)(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)的(de)(de)結果，今(jin)年有(you)望實(shi)現50或(huo)者60個(ge)(ge)光子(zi)(zi)的(de)(de)相(xiang)(xiang)干操(cao)縱(zong)(zong)，也(ye)(ye)能(neng)夠(gou)達到量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)優(you)越(yue)性(xing)(xing)。我(wo)(wo)們(men)(men)的(de)(de)技術途徑(jing)跟谷歌(ge)不一樣，谷歌(ge)是(shi)用(yong)隨機(ji)線路采樣，我(wo)(wo)們(men)(men)是(shi)用(yong)玻色取樣。玻色取樣的(de)(de)優(you)越(yue)性(xing)(xing)有(you)嚴格證明，我(wo)(wo)們(men)(men)的(de)(de)系(xi)統按照目(mu)前(qian)最優(you)的(de)(de)算(suan)法估(gu)計(ji)(ji)，可以比頂點計(ji)(ji)算(suan)機(ji)快百(bai)萬億倍(bei)左右(you)。第二，在(zai)超(chao)(chao)導量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)方(fang)面，最近(jin)我(wo)(wo)們(men)(men)已經(jing)(jing)達到了(le)(le)(le)24個(ge)(ge)超(chao)(chao)導量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)，希(xi)(xi)望在(zai)今(jin)年年底(di)，我(wo)(wo)們(men)(men)能(neng)夠(gou)做到60個(ge)(ge)左右(you)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)的(de)(de)相(xiang)(xiang)干操(cao)縱(zong)(zong)，也(ye)(ye)能(neng)夠(gou)達到量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)優(you)越(yue)性(xing)(xing)。第三，我(wo)(wo)們(men)(men)還是(shi)希(xi)(xi)望能(neng)夠(gou)像費(fei)曼(man)所說的(de)(de)，來真正解決一些物(wu)理、化學(xue)、材料等領域很重要的(de)(de)、經(jing)(jing)典計(ji)(ji)算(suan)機(ji)解決不了(le)(le)(le)的(de)(de)問題，大概需要操(cao)縱(zong)(zong)幾百(bai)個(ge)(ge)粒子(zi)(zi)系(xi)統，目(mu)前(qian)我(wo)(wo)們(men)(men)在(zai)超(chao)(chao)冷原子(zi)(zi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)模擬方(fang)面已經(jing)(jing)有(you)比較(jiao)好的(de)(de)進展(zhan)了(le)(le)(le)。

　　長(chang)遠來(lai)看，量子(zi)計(ji)算可能在人(ren)(ren)工(gong)智(zhi)能方面有很(hen)重要(yao)的(de)(de)應用(yong)。這(zhe)是(shi)(shi)由于(yu)，經(jing)典計(ji)算機(ji)終究是(shi)(shi)決定論(lun)的(de)(de)，經(jing)典的(de)(de)人(ren)(ren)工(gong)智(zhi)能不管發展到什(shen)么(me)程度，我們仍然覺(jue)得這(zhe)是(shi)(shi)一部機(ji)器，是(shi)(shi)一個機(ji)器人(ren)(ren)，它不可能完全(quan)像人(ren)(ren)類大(da)腦一樣去思考(kao)。而量子(zi)力(li)學第一次把觀測(ce)者(zhe)的(de)(de)意識與物質的(de)(de)演化(hua)結合起來(lai)，有的(de)(de)科學家因此猜測(ce)，人(ren)(ren)類大(da)腦的(de)(de)運(yun)行機(ji)制可能和(he)量子(zi)計(ji)算機(ji)有一些相通之(zhi)處。隨著量子(zi)計(ji)算的(de)(de)發展，也許可以(yi)幫助我們更好地理(li)解(jie)人(ren)(ren)類的(de)(de)智(zhi)慧。