陆朝阳 中国科技大学上海研究院教授、博士生导师

量子信息时代,中国要弯道超车

造就 TALK · 2017-06-28 · 09:56:50


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量子物理的奠基人尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾说过,如果谁不对量子物理感到困惑,他就肯定没有理解它。

所以,如果大家今天听完我的报告觉得非常清楚明白,一点都不困惑,那肯定是错的;如果大家听完觉得很困惑,或者说引发思考,那就对了。

进入量子世界  

量子物理是我们目前最前沿的一门科学,它之所以非常难以理解是因为,我们非常熟悉于日常生活中所见的尺度,比如一张桌子1米,一根头发丝1毫米。

但量子物理研究的对象比头发丝的尺度还要小几千万,甚至几亿倍。所以,它与我们普通的直觉非常不一样。

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量子其实是一种物理上的概念,它是物质和能量的最小离散单元,是一个非常小的物理量。比如会场上有四个探照灯照过来,我们看到了光,我们把光进行分割,可以分成一份一份的小颗粒,这就叫做光子

光子非常小,一个40的瓦灯泡一秒钟就能放出万亿亿个光子,也就是10的20次方个光子。同时,组成物质的基本单位是一个原子或者一个分子,它的尺度是10的负10次方米,比纳米还要小十倍。

所以我们就非常好奇,就是说光子当然很小,但是它会有什么奇怪的地方吗?下面,我们就用一个非常简单的实验带大家看一看,这么小的一个量子世界里会有哪些诡异现象。

保龄球现象

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我们很多人都打过保龄球,现在我们就做一个非常小的改动,在球道上设置几个障碍物,按通常理解,保龄球只有通过这两道狭缝才能穿过去。我们打了很多次之后发现,后壁上留下的保龄球撞击痕迹,就只有这两个狭缝所对准的两个区域才会出现。

现在,我们把这个保龄球缩小,一直缩小到比头发丝还要小几亿倍,变成一个电子,然后我们来重复刚才说的这么一个游戏。同样重复多次之后,我们发现了一个非常奇异的现象。

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比如说原来后壁上只有两道条纹,可现在却出现很多道,而且最中间被阻隔的这个地方居然变成电子保龄球出现次数最多的地方,这非常难以理解。 

从经典物理学的角度看,这个球要么是从左边狭缝过去,要么就是从右边过去。可如果我们用量子力学的观点来理解的话,在这么一个非常微小的量子世界里,这个电子保龄球的行为就有点像孙悟空的分身术。

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在这个球被扔过去之后,它就像是会分身一样,同时经过两条狭缝,然后它又像水波纹一样,在最中间形成一个干涉条纹,这就是量子世界和我们日常所见非常重要的一个区别,那就是量子可以允许几种状态同时存在。就是允许左边和右边,红线和蓝线同时存在。

很多人可能就会好奇,如果我们拿眼睛来观察一下,看看这个保龄球到底是从左边还是右边过去的,会是什么情况?

这个时候就会出现又一个非常奇怪的现象,那就是保龄球同时通过左边和右边的现象就消失了,它就又回到了符合经典物理学的状况。所以说这是第二个非常重要的区别,就是在量子世界里,我们施加的信息和观测是会反过来影响物理系统的。

讲完这么一个小游戏,大家肯定觉得非常奇怪。其实不仅大家觉得,国际上大部分的物理学家也这么认为。

“薛定谔的滚”

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这里面比如说薛定谔,他提出著名的“薛定谔的猫”实验。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

如果说这只猫可以处于量子状态的话,那么它可以既是死的也是活的。前段时间网上出现了一个“薛定谔猫”的翻版,叫做“薛定谔的滚”(当一个妹子叫你滚的时候,你不知道她是在叫你滚还是叫你过来抱紧。此时的你应该处于一种又抱又滚的量子力学状态)。

这个例子或许可以更加通俗的解释,为何量子可以同时处于两种自己无法分辨的状态,虽然并不是那么准确。

前面讲的是只有一个粒子、一个量子的情况。如果我们有两个的话,那么另外一种非常奇妙的现象就出现了,这个叫量子纠缠

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爱因斯坦把量子纠缠称为“遥远地点之间的诡异互动”,这是什么意思?举个例子,比如说我们通过某种方式把两个骰子制备成量子纠缠,我拿其中一颗去到欧洲甚至更远的地方,那我跟另一颗骰子之间可谓相隔了千山万水。

然后,我在欧洲扔这个骰子,如果数字显示是1,那么另外一个骰子数字必须是1;如果我扔的是3,另一个也是3;扔了6的话另一个也是6。就是说,他们之间有一种非常诡异的互动行为。

第二次量子革命

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最近30年,得益于实验物理学的一些重要进展,比如说激光的发明等,使得我们现在可以在实验室里真真切切的隔离出一个原子和一个光子。然后,我们可以对它们进行一些操控,就像指挥一个交响乐团那样。比如,让这个原子拉小提琴,让那个原子打鼓。

这些技术就引发出前段时间欧盟发布的白皮书里所称的“第二次量子革命”。它带来的一些新技术,可以突破目前经典信息技术的一些瓶颈问题。比如说信息安全、超快的计算机等等。

接下来,我会根据量子物理的原理来为大家简单的解释几种技术。

首先是量子通信技术。我们今天所使用的光纤网络,其实都是可以被窃听的,因为它有几亿个光子、几个亿电子,你总是可以把它分出一点点来窃听它的状态。

而量子是一个最小的单位,所以无法对它进行分割,若是我们用单个光子来做信息传输,那么就没有人可以从中分出一点去窃听。理论上,量子保密通信是一种无条件安全的通信方式。

有人说,那我就不分割,我就在通道上测量一下,但是这也不行。因为,任何观测都会不可避免地影响到物理状态。正是这样一些基本的量子物理原理,保证了如果有人来窃听必会被发现,也因此确保了信息安全。

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目前在量子通信的研究领域,我所在的中国科技大学潘建伟老师的团队,在国际上处于全面领先的地位。前几年英国《自然》杂志曾撰文称,中国在量子通讯领域已从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,领先欧洲与北美。

去年8月16号,中国在世界上发射了首颗量子通信实验卫星(传送门 | ),入选了英国《自然》杂志评选的“2016年度国际重大科学事件”,以及《科学美国人》评选的“2016年改变世界的十大创新技术”,这也是唯一一项北美之外的入选技术。

目前我们的量子通讯处于一个发展基础设施的阶段,为了以后更好的成长,我们要把基础搭建好。就像大哥大还没有非常普及之前,我们要把基站网络都建好。

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比如说从北京到上海的基础网络已经建好了,在未来3到5年,我们可能就可以发展出一个天地一体化的量子通信网络,形成下一代的“量子互联网”,用来保障国家安全,同时还可以惠及手机银行支付,网银等等一些应用,这是量子物理可以给我们带来的最实用的方面。

量子计算的价值

第二个大家可能非常感兴趣的技术叫做量子计算。我们都知道,计算基本单元叫做一个比特,或者叫做0或1,它每次只可以处于一个状态,要么1要么0。

但是,量子其实是可以多种状态同时存在。也就是说,我把左边的狭缝定义成0,右边的狭缝定义成1,做一个逻辑比特,它可以0和1同时存在,也即一个量子比特可以有两种状态同时存在。那么,如果有两个量子比特,它就可以有4种状态同时存在;如果我有10个的话,它就可以有1024种状态同时存在。

如果同时存在这么一个寄存器,那我可以将函数f(X)的X,从0到1024同时算出来,有人觉得可能这也没什么了不起,不过就是一个并行计算。但是,当这个量子比特的数目变得非常多,比如说50个量子比特时,2的50次方状态同时存在,那是一个非常巨大的数字。

2的50次方有多大?这里给大家举一个例子,我把一张A4纸对折50次之后,它的厚度约等于0.1个毫米乘以2的50次方这么厚。大家用计算机按一下就会发现,这个厚度其实是超过了地球到太阳的距离。

正是因为这样一种加速并行计算带来的加速,目前很多非常难以计算的问题,比如那些需要几十万年才能算清楚的问题,在量子计算机造出来后,几秒钟就可以算出来。刚才我们讲的孙悟空的分身术也可以用来解释这个道理。

比如说我们要走出一个有100个出口的迷宫,如果只有一个人,你可能需要平均尝试50万次,才能找到这个出口。但如果你有50个量子比特的话,你就可以把自己变成一百万个分身,就可以非常快的找到出口,这就是量子计算的一个基本原理。

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当量子比特数达到大概50个时,其计算能力就可以超过当前的超级计算机,当这个数达到300个时,它可以超过我们整个宇宙所有粒子数加起来的总和。

所以,我们希望发挥量子计算在这些方面的作用。未来,在发展出通用的量子计算机之前,我们可能会先发展出一些为专门目的而设计的量子模拟机,以用来解决一些特定的、具有重大经济和社会价值的问题。

比如说高温超导,我们现在对高温超导的机制还搞不明白,一旦我们能够把这个机制搞清楚,我们就可以把它用来指导、设计超导的一些新材料,这样就可以解决很多的能源问题。

再比如高效的氮固化。我们很多人都在小学课本里学过,大豆的根瘤菌可以把空气里面的氮气转化成氮肥。但是这么一个量子化学的过程,我们现在是没有办法把它给计算清楚的。目前我们要耗用全世界10%的电量来制造氮肥。如果可以用量子计算机把这个问题解释清楚的话,就可以省下这巨大的能耗。

总体而言。中国目前在量子通讯方面处于一个全面领先的地位;量子计算方面,因为谷歌、IBM这些公司的介入,中国目前是在量子计算某几个点上处于国际领先的地位。

量子信息时代的惊喜

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虽然大家觉得量子力学很高冷,但其实量子力学已经在各个方面改变了我们的生活、经济和社会形貌。比如说,没有量子力学我们就不可能有晶体管,也不可能有计算机、激光、激光通讯网络、核磁共振、硬盘用的巨磁阻,还有高温超导等等。

之前100年,量子力学已给我们带来了很多激动人心的惊喜。我们也很有理由相信,在未来的100年,量子力学也会给我们带来更多激动人心的惊喜。

我们希望,量子信息时代能够给中国一个重新洗牌、弯道超车的机会,我们能够把整个国家的力量整合起来,在量子信息这样一个新的领域,在国际上取得一个比较领先的地位。

谢谢大家!

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