2020騰訊科學(xué)WE大會今日開幕，來自四大洲、六個國家的七位全球頂尖科學(xué)家線上與科學(xué)愛好者么們直播相聚。當(dāng)代最偉大的理論物理學(xué)家之一的Steven Weinberg、量子物理學(xué)家潘建偉、腦機(jī)接口先驅(qū)Miguel Nicolelis、人造皮膚領(lǐng)域“材料大師”鮑哲南、金星生命跡象發(fā)現(xiàn)者Jane Greaves等都與大家分享了各自領(lǐng)域內(nèi)的最新研究進(jìn)展與亟待解決的重點(diǎn)問題。

　　被稱為量子物理學(xué)家的中國科學(xué)院院士潘建偉從古生物學(xué)開始講起，分享了關(guān)于新量子革命的發(fā)展。

　　有效信息的交互幫助人類形成社會化的群體，信息交互已經(jīng)并將一直伴隨著我們?nèi)祟惖倪M(jìn)化和社會的發(fā)展。在我們這過程當(dāng)中有兩個東西是非常重要的，第一個是信息交互的效率，第二個是隱私保護(hù)。

　　要做到這兩點(diǎn)就要提高計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)效率和信息網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)水平。潘建偉院士表示，目前的計(jì)算能力發(fā)展處在瓶頸期，計(jì)算能力有限，傳統(tǒng)的發(fā)展模式目前已經(jīng)受到了嚴(yán)重的制約。而量子力學(xué)的發(fā)展，將有助于以上領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)入新紀(jì)元。

　　由量子力學(xué)發(fā)展出的量子信息科學(xué)，將能夠提供一種原理上無條件安全的通信方式，利用量子計(jì)算可以提供非常強(qiáng)大的計(jì)算能力，而用于各種各樣的復(fù)雜系統(tǒng)的研究。

　　近年來，國內(nèi)國際的量子秘鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子計(jì)算等量子信息科學(xué)方面的應(yīng)用正在快速發(fā)展。潘建偉院士希望未來能夠完整地發(fā)展天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，在國防、政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域以應(yīng)用，為形成下一代的國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)的奠定基礎(chǔ)，也希望在量子計(jì)算方面，通過對數(shù)百個量子比特的相干操縱，能夠?qū)σ恍┈F(xiàn)實(shí)的問題的求解，研發(fā)具備基本功能的通用量子計(jì)算原型機(jī)，能夠超越目前的超級計(jì)算機(jī)，并且能夠來解決一些重大的科學(xué)問題、初步探索對密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等方面的相關(guān)應(yīng)用。

　　以下是潘建偉院士的演講實(shí)錄：

　　大家好，非常高興來到這里，跟大家分享我們正在開展的一些工作。

　　我叫潘建偉，來自于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。我今天給大家報(bào)告的題目是新量子革命。

　　請?jiān)试S我，從古生物學(xué)開始講起。我們的古生物學(xué)告訴我們，在10萬年之前我們存在著有兩類人屬。其中一類是尼安德特人，另外一類是智人。尼安德特人比智人更加強(qiáng)壯，甚至他的腦容量比現(xiàn)代人還大。智人，個體是弱于尼安德特人的。那么為什么智人會在進(jìn)化當(dāng)中勝出成為現(xiàn)代人的祖先呢? 其中主要的原因是智人發(fā)明了基本的符號和語言。有了符號和語言的幫助之后，人們就可以進(jìn)行有效的信息的交互，以至于可以形成一個互為一體的社會化的群體。所以，他在對抗大自然的各種困難當(dāng)中變得更加地有效。

　　其實(shí)在人類的進(jìn)化當(dāng)中還有一個事情是非常重要的，就是所謂的隱私的保護(hù)。正因?yàn)榇竽X里面在想什么，在思考什么，是別人怎么樣也沒法知道的，所以它才能夠?qū)е滤枷氲亩鄻有浴６�思想的多樣性，是�?chuàng)新與進(jìn)步的源泉。比如古希臘的雅典學(xué)院和我們春秋戰(zhàn)國時候的百家爭鳴，正因?yàn)檫@樣才導(dǎo)致了各種各樣的思想出來推動社會文明的進(jìn)步。

　　在人類的歷史上，有一次重要的科學(xué)革命。根據(jù)牛頓力學(xué)，他告訴我們一切力學(xué)的現(xiàn)象，都是可以統(tǒng)一為一個簡單的公式F=ma。與此同時，麥克斯維爾建立的電動力學(xué)又告訴我們一切光電磁的現(xiàn)象都可以統(tǒng)一成為一個方程組。第一次科學(xué)革命所帶來的科學(xué)進(jìn)步，極大地推動了信息交互效率的提升。

　　古時候的信息只是通過口口相傳，更近一點(diǎn)，大家有書了、有紙了，可以用書進(jìn)行千里傳書，然后有了著作。到了近代，科學(xué)革命的發(fā)生，推動了第一次工業(yè)革命，也就是蒸汽機(jī)時代。同時推動了第二次工業(yè)革命，進(jìn)入電力時代。所以整個地球已經(jīng)變成一個地球村，信息交互的效率越來越高，巨大地推動了我們?nèi)祟愇拿鞯倪M(jìn)步。

　　隨著量子力學(xué)和相對論的建立，又發(fā)生了一次新的科學(xué)革命，這是人類歷史上的第二次科學(xué)革命。在第二次科學(xué)革命當(dāng)中，我們基本上把量子力學(xué)在過去100年中的應(yīng)用歸屬成第一次量子革命。在第一次量子革命中，大家產(chǎn)生了非常多有用的東西。從某種意義上講，我們第三次產(chǎn)業(yè)變革或第三次工業(yè)革命是建立在信息技術(shù)的基礎(chǔ)之上的。信息技術(shù)的硬件的基礎(chǔ)就是量子力學(xué)。沒有半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明，就不會今天的計(jì)算機(jī)、手機(jī)，沒有萬維網(wǎng)的發(fā)明就不會有我們現(xiàn)在的萬物互聯(lián)、互聯(lián)網(wǎng)的概念。

　　所以從計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和感知方面，其實(shí)都是量子力學(xué)所帶來的這么一個巨大變革。所以從某種意義上講，信息交互已經(jīng)并將一直伴隨著我們?nèi)祟惖倪M(jìn)化和社會的發(fā)展。在我們這過程當(dāng)中有兩個東西是非常重要的，第一個是信息交互的效率，第二個是我們的隱私的保護(hù)。這是剛才已經(jīng)講到了的。

　　那么怎么來做到這兩點(diǎn)呢?我們可以通過計(jì)算能力的提高和網(wǎng)絡(luò)效率的提高來加強(qiáng)信息交互的效率。通過信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全，來加強(qiáng)對我們個人的和各類各樣的隱私的保護(hù)。實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)信息的安全，大家就設(shè)計(jì)各種各樣的非常復(fù)雜的加密系統(tǒng)來保證信息的安全傳輸。有矛必有盾，在二戰(zhàn)當(dāng)中德軍一個非常高級的密碼，那個密碼被圖靈給破解了。現(xiàn)在我們廣泛使用的一個公鑰體系，RSA 512位在1999年就被破解了，768位在2009年被破解了。現(xiàn)在我們銀行里面用的U盾，大概經(jīng)常用的是1024位。大家現(xiàn)在已經(jīng)建議，隨著計(jì)算能力的發(fā)展，最好不要去使用它(RSA 1024)了。所以人類歷史告訴我們的經(jīng)驗(yàn)，就是依賴于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，隨著我們計(jì)算能力的增加，原理上都會被破解。

　　這么一來，我們的信息技術(shù)就面臨著一個信息安全的問題，就是怎樣才能夠很好的達(dá)到我們信息的安全傳輸?早在一百多年之前，有一位作家，他就寫過一段話，他說人們早就懷疑“以人類的才智無法構(gòu)造人類自身不可破解的密碼。”那么到底可不可以呢?這是我們后面要回答的一個問題。

　　除此之外，隨著社會的發(fā)展，我們信息交互的效率提高，我們計(jì)算能力的需求，也在快速的增長。第一臺計(jì)算機(jī)是在1943年造出來的，當(dāng)時的重量是一噸，它的功耗是8.5千瓦左右，每秒鐘可以算5000次。在當(dāng)時看來已經(jīng)是非常的快了，所以當(dāng)時IBM的總裁Thomas Watson曾經(jīng)預(yù)言全世界估計(jì)只需要5臺這樣的計(jì)算機(jī)就可以了。

　　但是經(jīng)過了將近70年的發(fā)展，到了2010年的時候，其實(shí)一部智能手機(jī)的計(jì)算能力的總和已經(jīng)超過了整個阿波羅登月計(jì)劃的計(jì)算能力的總和。所以從這種角度上講，我們對計(jì)算能力的需求是在快速地增長。

　　目前我們所面臨著的計(jì)算能力的瓶頸，就是我們擁有的計(jì)算能力是非常有限的，如果我們把全球的所有的計(jì)算機(jī)的計(jì)算力加在一起，一年里面，都沒辦法完成對2的90次方個數(shù)據(jù)的窮舉搜索，但是這個傳統(tǒng)的發(fā)展模式目前已經(jīng)受到了嚴(yán)重的制約。摩爾定律正在逐漸地逼近極限，那么大概會在不到十年左右的時間，我們晶體管的尺寸大概就會達(dá)到原子尺寸——亞納米水平。這個時候，晶體管的電路原理將不再適用。那么怎么來解決這些問題呢?

　　量子力學(xué)，可以說是他生的第一個小孩就是現(xiàn)代信息技術(shù)。但他自己在百余年的發(fā)展過程當(dāng)中，又已經(jīng)準(zhǔn)備好產(chǎn)生第二個小孩，為解決前面那種算力不夠，信息安全的傳輸不夠這些問題做好了準(zhǔn)備。

　　這里我需要簡要的介紹一下什么叫做量子。所謂的量子，它其實(shí)就是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，它是能量的最基本攜帶者，它的基本特征就是不可分割。比如說我手中有一個激光筆，這個激光筆打出來的光的能量，如果你可以用一個放大鏡來看一下的話，其實(shí)發(fā)出來的光本身是由很多個小顆粒構(gòu)成的，那么這樣的小顆粒我們把它叫做光子或者光量子。你不可能再拿刀來切一下，變成1/2個光子等等。它有基本特征，它就叫作量子疊加。

　　那么量子疊加是什么意思呢?在我們的經(jīng)典物理學(xué)當(dāng)中，一只貓，它可以處于死和活這么兩個狀態(tài)，可以來代表一個信息的傳輸單元0或者1，就是加載一個比特的經(jīng)典信息。但是到了量子世界的時候，在微觀世界里面的一只貓，它不僅可以處于0或者1的狀態(tài)，甚至可以處于死和活這個狀態(tài)的相干疊加。對這樣一種態(tài)，我們就把它叫做量子比特。那在物理的實(shí)現(xiàn)上是非常簡單的。

　　一個光子在真空當(dāng)中傳播的時候，它可以沿著水平方向偏振，豎直方向偏振。這兩個狀態(tài)就代表0或者1。當(dāng)它沿著45度方向偏振的時候，其實(shí)就是所謂的量子疊加態(tài)|0>+|1>。那么愛因斯坦對這個問題做了比較深入的思考，他說，對一只貓可以處于死和活狀態(tài)的疊加，那么兩只貓是不是可以處于活活和死死狀態(tài)的疊加呢?這就相當(dāng)于兩個骰子糾纏在一起，哪怕他們相距非常遙遠(yuǎn)，一個在合肥的科大，一個在深圳騰訊的總部。那么我們在扔這個骰子的時候呢，單邊的結(jié)果是完全隨機(jī)的，但是兩邊的結(jié)果在當(dāng)時實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的是一模一樣的。

　　愛因斯坦把這種現(xiàn)象：遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異的互動，這么一種現(xiàn)象就把它叫做是量子糾纏。對這個量子糾纏，在實(shí)驗(yàn)上怎樣才能把它造出來呢?你需要有這種單個量子的調(diào)控，比如說我有一杯水，你把它喝掉一口是很容易的，但是如果你能在里面拿出一個水分子來，這在技術(shù)上就變成一個非常困難的事情。科學(xué)家經(jīng)過幾十年的努力，慢慢地掌握一種能力，可以對一個光子、一個原子把它拿出來，按照你的需要進(jìn)行操縱，行進(jìn)主動的操縱。

　　那么有了這樣一種能力后，你就可以把一個個量子比特，按照你的需要進(jìn)行調(diào)控。那么這個時候就催生了一個新的學(xué)科，我們把它叫做量子信息科學(xué)，這直接導(dǎo)致了第二次量子革命的發(fā)生。那么利用量子通信可以提供一種原理上無條件安全的通信方式，利用量子計(jì)算可以提供非常強(qiáng)大的計(jì)算能力，而用于各種各樣的復(fù)雜系統(tǒng)的研究。

　　量子通信的第一個應(yīng)用就是所謂的量子秘鑰分發(fā)。那比如說有張三和李四，他們?yōu)榱诉M(jìn)行安全的通信，可以先送一系列單光子，處于各種各樣狀態(tài)的單光子，由張三送給李四。那么如果中間有個竊聽者存在，那我剛才講到這光子的能量是不再可分的，不能分成半個，所以如果竊聽者要把這個光子拿走的話，接收者李四就收不到了，所以這個秘鑰你就沒有收到。

　　那么另外一種可能性，比如竊聽者對這個光子做個測量，那么量子力學(xué)里面有個原理---測不準(zhǔn)原理。你去測量光子就會影響光子的疊加態(tài)，所以說有了竊聽就必然會被發(fā)現(xiàn)。第一，它不能分半個光子，光子是不可分割的;第二，這種光的狀態(tài)是去測量它，它就會被擾動。那么這個通信的雙方，張三和李四，把那些被別人擾動過的或者被別人拿走的光子扔掉，就可以形成了一種安全的秘鑰分發(fā)，利用安全的秘鑰分發(fā)你就可以實(shí)現(xiàn)了加密內(nèi)容不可破譯的安全的量子通信。

　　那么除了這個之外呢，我們可以利用量子糾纏可以把一個粒子的量子信息從一個地方的轉(zhuǎn)移到另外一個粒子上，而不用傳輸這個物體本身。我這里舉一個形象的比喻，比如說我在合肥要到深圳騰訊去開會，但坐飛機(jī)來不及了。如果說合肥的一個實(shí)驗(yàn)室和騰訊總部的一個實(shí)驗(yàn)室正好有一團(tuán)糾纏物質(zhì)，那么我們可以把合肥的潘建偉跟這樣糾纏物質(zhì)做一個操縱，把他糾纏起來。糾纏起來之后，你就會得到一種信息。那么這種信息通過網(wǎng)絡(luò)傳到深圳的騰訊總部，就是說對這些物質(zhì)做一些操縱，我們就可以把潘建偉全須全尾地在深圳把它構(gòu)造出來，我們把這樣的過程就叫做量子隱形傳態(tài)。

　　那么當(dāng)然在很久的將來，我們可能都無法做到傳送一個復(fù)雜的物體，但是目前的技術(shù)已經(jīng)允許我們可以進(jìn)行了多體的、多終端的、多自由度的量子隱形傳態(tài)。比如說幾十個粒子、幾百個粒子、甚至幾百萬個粒子所構(gòu)成的一個系統(tǒng)的狀態(tài)、是可以在一個網(wǎng)絡(luò)里面走來走去的。那么這個東西其實(shí)本質(zhì)上就是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的一個基本的單元了。那么量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗?量子比特)可以處于量子疊加，所以它的計(jì)算能力是隨著可操縱的量子比特的數(shù)目呈指數(shù)增長的。那么這里我給你舉個例子，比如說利用一臺萬億次的經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解一個300位的大數(shù)的話大概需要15萬年，但當(dāng)你利用一臺萬億次的量子計(jì)算機(jī)的話只需要一秒鐘就行了。

　　隨著這個量子計(jì)算的發(fā)展我們可以把它用到經(jīng)典密碼的破譯、氣象預(yù)報(bào)、金融分析和藥物設(shè)計(jì)等多個方面，這是它的一個相關(guān)的應(yīng)用。那么具體地來說呢，在量子通信方面我們可以利用光纖，非常方便地在城市里面把秘鑰送給千家萬戶。那么在兩個城市之間那我們可以利用所謂的中繼器把那個連接起來，來實(shí)現(xiàn)城市之間的量子通信。

　　那么在更廣的范圍里面呢，我又可以利用衛(wèi)星中轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。那么在這個方面呢，我們國家的學(xué)者已經(jīng)做了比較好的工作。在過去的十多年中，慢慢先有城域網(wǎng)的小規(guī)模的應(yīng)用，然后慢慢地拓展到我們的廣域網(wǎng)，比如說北京到上海的一個“京滬干線”來開展了一些相關(guān)的應(yīng)用。

　　在這個基礎(chǔ)之上，我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)。在2016年8月，中科院又發(fā)射了一顆“墨子號”量子科學(xué)衛(wèi)星，這個墨子號有三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。那么第一個科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)就實(shí)現(xiàn)了星地的量子密鑰分發(fā)，那么這個呢，我們在這個實(shí)驗(yàn)當(dāng)中順利地完成了。

　　那么第二步是實(shí)現(xiàn)千公里量子糾纏的分發(fā)，我們在一千兩百零七公里的范圍里面，確實(shí)證明了這兩個糾纏粒子有前面所說的愛因斯坦所說的遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異的互動這么一種功能。除此之外呢，我們也實(shí)現(xiàn)了千公里量級的量子隱形傳態(tài)。那么這么一個技術(shù)呢，在未來的量子互聯(lián)網(wǎng)里面是非常有用的。

　　除了在量子通信方面，我們國內(nèi)的學(xué)者取得一些比較好的結(jié)果之外，其實(shí)在國際上有另外一個研究的熱點(diǎn)，它就是量子計(jì)算。那么量子計(jì)算本質(zhì)上，目前的國際的學(xué)術(shù)界大概把它們分成三個階段。第一個階段，我們希望能夠造出一臺機(jī)器來，這臺機(jī)器在計(jì)算某個具體的問題上，它可以比目前最快的超級計(jì)算機(jī)算的快。那么為了達(dá)到這個目標(biāo)(也稱作“量子優(yōu)越性”)，我們大概需要有50個量子比特的相干操縱，這是當(dāng)時我們學(xué)術(shù)界的一個目標(biāo)。

　　隨著這個目標(biāo)完成之后，在第二階段，我們希望能夠操縱數(shù)百個量子比特的這么一種量子計(jì)算機(jī)，我們把它叫做專用量子模擬機(jī)。利用它可以來揭示若干經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的一些計(jì)算任務(wù)，那么通過更長時間的努力呢，我們希望能夠來實(shí)現(xiàn)一種可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，這是從事量子計(jì)算工作的我們心目當(dāng)中的一個發(fā)展歷程。

　　去年的時候，美國的谷歌公司，在國際上利用一臺超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。在它的工作當(dāng)中呢，它說利用它那53個比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng)，耗時200秒就可以來完成一個隨機(jī)的線路采樣。那么當(dāng)時按照他們的這個理論，在世界排名第一的超級計(jì)算機(jī)Summit要來計(jì)算這個同樣的的事情，需要1萬年。當(dāng)然后來大家對算法做了一些改進(jìn)，大概Summit如果有其他資源的幫助，幾天就可以了，但無論如何，它確實(shí)是首次實(shí)現(xiàn)了量子的優(yōu)越性。

　　那么在這個方向呢，中國的學(xué)者也做了比較好的工作。2017年，中國的學(xué)者就實(shí)現(xiàn)了首個針對特定問題求解超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。最近也有一些比較好的進(jìn)展，已經(jīng)在開展了50個光子左右的玻色取樣，也應(yīng)該是可以達(dá)到超越谷歌的這么一個量子優(yōu)越性。那么除此之外，我國的學(xué)者也在前期多年工作基礎(chǔ)之上，近期已經(jīng)開展60左右的超導(dǎo)量子比特的相干操縱，估計(jì)在今年年底也有希望能夠達(dá)到超導(dǎo)系統(tǒng)的量子優(yōu)越性。

　　最后，我做個總結(jié)簡要來展望一下我們這個領(lǐng)域未來的可能發(fā)展。那我們想經(jīng)過十到十五年的努力呢，我們希望能夠完整地發(fā)展天地一體廣域量子的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系。在這個基礎(chǔ)上呢，在國防、政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域以應(yīng)用，為最后形成下一代的國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)的奠定基礎(chǔ)，這是第一方面。

　　那么第二方面，我們希望在量子計(jì)算方面，通過對數(shù)百個量子比特的相干操縱，能夠?qū)σ恍┈F(xiàn)實(shí)的問題的求解，能夠超越目前的超級計(jì)算機(jī)，并且能夠來解決一些重大的科學(xué)問題。

　　除此之外，我們也希望通過十到十五年的研究能夠研發(fā)具備基本功能的通用量子計(jì)算原型機(jī)，來初步探索對密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等方面的相關(guān)應(yīng)用。

　　我的報(bào)告就到這里，非常感謝大家用寶貴的時間來聽我這個報(bào)告!