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专访潘建伟院士: 量子科技帮我们理解人类智慧

2020-11-3

作者:袁于飞 来源:光明日报

量子科技普通人看不懂,听起来很玄。市场上还出现了“量子鞋垫”“量子水杯”“量子面膜”等,有的培训机构推出“量子波动速读法”,这些东西靠谱吗?甚至有的人宣称量子科技能治疗糖尿病、癌症等疑难杂症,这些说法科学吗?记者日前采访了量子科技方面的著名专家,中国科技大学教授、中国科学院院士潘建伟。


量子科技的基础是量子力学,不治糖尿病、癌症等疑难杂症


记者:量子科技的基础是量子力学,您能否介绍一下量子力学是什么?量子革命是怎么回事?


潘建伟:量子力学诞生于20世纪初。从1900年普朗克提出量子论的百余年来,众多物理学家通过对量子规律的观测,已经成功构建起量子力学的理论大厦。通过量子力学,人们深入认识了微观世界的规律,在此基础上产生了半导体、激光、核能等改变世界的重大发明,催生了现代信息技术,这是人类的第一次量子革命。


与经典力学相比,量子力学所描述的微观粒子具有量子叠加的特性。如果把量子叠加扩展到多个粒子,就会产生“量子纠缠”现象。爱因斯坦就把量子纠缠称为“遥远地点之间的诡异互动”。科学家在对量子纠缠这一诡异互动展开大量实验研究的过程中,发展起来了精细的量子调控技术,人类从对量子规律的被动观测,发展到能够对量子状态进行主动操纵,这就类似于人类对生物学的认识,从孟德尔遗传定律到DNA结构的伟大跨越。


结合量子调控和信息技术,产生了量子信息这一新兴学科。量子信息包括量子通信、量子计算和量子精密测量三方面的应用,可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈。以量子信息为代表的量子科技迅速发展,人类迎来了第二次量子革命。经过学术界多年努力,目前量子保密通信和量子雷达进入了实用化阶段,也有了相关产品,其他的量子技术离产业化和商业化还需要一定的时间。至于市场上出现的量子鞋垫、量子水杯、量子波动阅读法等,都跟量子科技毫无关系,量子科技目前也没有在糖尿病、癌症等疑难杂症的治疗方面有所应用。


量子通信的两种典型应用:量子密钥分发和量子隐形传态


记者:您提到量子通信已进入实用化阶段,能否详细介绍一下?


潘建伟:国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。量子通信其实包括两种最典型的应用方式,一种是量子密钥分发,另一种是量子隐形传态。


量子密钥分发是利用单光子的量子态来加载信息,通过一定的协议来产生密钥,量子力学的基本原理保证了密钥的安全。量子保密的安全性是基于量子力学基本原理,和传统的加密算法不一样,它的安全性与计算复杂度无关,只要量子力学是正确的,量子保密通信原理上就是无条件安全的。


量子隐形传态是利用量子纠缠,把量子态从一个粒子传送到另外一个粒子,而不用传送信息载体本身。做一个形象的比喻,上海有一个微观客体,可以由几千、几万个原子组成。如果上海和北京之间有很多的原子纠缠起来了,要把上海体系的状态传到北京,可以对上海的客体和纠缠原子进行一种共同的测量;测量完以后,可以把测量结果通过无线电台发送到北京,北京只要根据这些结果对手中粒子进行相应的操作,就可以在北京把上海的体系重新给制备出来。对于量子信息研究而言,量子隐形传态可以连接量子信息处理单元来构建量子网络,同时也是实现远距离量子密钥分发的重要环节。


量子计算机具有超强计算能力,人类大脑的运行机制可能和量子计算机有相通之处


记者:最近量子计算机也是一个热门话题,请您介绍一下量子计算的原理和发展趋势。


潘建伟:经典计算机的一个比特只能处于0或者1两种状态之一,两个比特就只能处于00,01,10,11四种状态里的某一个。而对于量子计算机,一个量子比特不仅可以处于0或者1,还可以同时处于0和1两种状态的叠加,两个量子比特就可以同时处于四种状态的叠加,这就意味着量子计算机原理上可以对四个数据同时进行计算,因此量子计算的计算能力随着量子比特数目呈指数增长,可以为人工智能、密码分析、气象预报、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案。比如说,有的量子计算机可以快速分解大数,而分解大数的计算复杂度是目前广泛使用的公钥加密算法安全性的基础,如果量子计算机研制出来,传统信息安全体系将受到很大威胁;量子计算机还可以快速求解线性方程组,在人工智能、大数据等领域将会有非常广泛的用途。


量子计算的发展有三个阶段:第一阶段,针对某一些特殊问题,要造出一台机器来,可以比目前最快的超级计算机要算得快,这被学术界称为“量子优越性”。达到这一目标需要能够相干操纵大概50个量子比特。


第二阶段,我们希望能够操纵数百个量子比特,可以实现专用的量子模拟机,对有些复杂物理体系的机制,比如高温超导等,目前的超级计算机算不了的问题,我们能够来算,来解决实实在在的问题。


第三阶段,实现可编程的通用量子计算机,就像我们现在用的计算机一样可以计算很多问题。达到这一目标的关键是量子纠错。目前到底在哪个物理系统实现还没有定论,所以需要各种体系,光、超导、超冷原子、离子、固态、拓扑态等等,来开展相关工作。实现可编程的通用量子计算机还需要20年甚至更长的时间。


我们在量子计算的研究主要集中在三个方向:第一,光量子计算,我们已经做到了相当于48个量子比特的结果,今年有望实现50或者60个光子的相干操纵,也能够达到量子优越性。我们的技术途径跟谷歌不一样,谷歌是用随机线路采样,我们是用玻色取样。玻色取样的优越性有严格证明,我们的系统按照目前最优的算法估计,可以比顶点计算机快百万亿倍左右。第二,在超导量子计算方面,最近我们已经达到了24个超导量子比特,希望在今年年底,我们能够做到60个左右量子比特的相干操纵,也能够达到量子优越性。第三,我们还是希望能够像费曼所说的,来真正解决一些物理、化学、材料等领域很重要的、经典计算机解决不了的问题,大概需要操纵几百个粒子系统,目前我们在超冷原子量子模拟方面已经有比较好的进展了。


长远来看,量子计算可能在人工智能方面有很重要的应用。这是由于,经典计算机终究是决定论的,经典的人工智能不管发展到什么程度,我们仍然觉得这是一部机器,是一个机器人,它不可能完全像人类大脑一样去思考。而量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来,有的科学家因此猜测,人类大脑的运行机制可能和量子计算机有一些相通之处。随着量子计算的发展,也许可以帮助我们更好地理解人类的智慧。

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