量子信息：第二次量子革命 | 科技袁人_風聞

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量子信息被稱為第二次量子革命，為什麼叫第二次？

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本文是作者在2021年12月26日由共青團、國資委等機構主辦的第六屆中國製造日活動上的第二場演講文稿。

袁嵐峯：謝謝。謝謝前面這三位老師的精彩演講，現在我再來給大家做我今天的第二個演講《量子信息：第二次量子革命》。今天上午我講了《中國科技的領跑、並跑與跟跑》，今天下午我向大傢俱體介紹一下我其中特別提到的量子信息。

其實以前每次提到量子信息，有個最最基礎的問題，就是這個東西到底是真科技還是假科技？以前有很多民科他們寫了很多文章，説這個東西是偽科技，然後我也寫過很多文章來駁斥他們的謬論。但是最近忽然發現有個新的情況，就是美國政府出來為我們證明這是個真科技。

在11月24日，就是一個月之前，美國商務部發了一個實體清單，把很多新的機構加進去了，其中包括中國的12個機構。為什麼把他們貿易禁運呢？回答是説要防止美國新興技術被用於中國支持軍事應用的量子計算技術，例如反隱形和反潛的應用，以及破解密碼或者發展不可破解密碼的能力。

實際上它説的這三個都是屬於量子信息。量子信息是分成三大塊：量子通信、量子計算和量子精密測量。它其中提到的反隱形、反潛就屬於量子精密測量，破解密碼是屬於量子計算，不可破解的密碼是屬於量子通信。當然其中最好玩的就是説，為什麼不可破解的密碼這個會威脅美國的國家安全？這個是值得大家好好思考一下的。

量子這個詞究竟是怎麼來的？實際上它有一個基礎的物理學理論，叫做量子力學。如果大家想知道這個量子信息真正的原理，我這兒只能做非常簡單的介紹。但如果大家想對它有一個真正深入的瞭解，歡迎去看我的書，不久之前我出版的這本書《量子信息簡話》。大家如果有什麼問題，歡迎看我這個書。

最基本的，量子這個詞怎麼來的？它是在1900年，由這位德國物理學家普朗克首先提出來的。他是發現有個現象叫做黑體輻射，黑體輻射發射的能量，他需要假定它是一份一份的。就是説你可以發一份、兩份、三份，但是不可能發半份，這個現象叫做量子化。從此以後，就出現整個一大門類叫做量子力學。在普朗克之後又有很多科學家，比如愛因斯坦、玻爾、狄拉克等等，都對量子力學做出了很大的貢獻。

有了量子力學之後，我們就把那個傳統的力學，就是牛頓力學，又把它稱為經典力學。所以現在量子和經典這兩個詞往往是成對出現的，它們是作為形容詞。所以當我們説某個東西是量子的，某個東西是經典的，隱含的意思就是説這個量子的總是要比那個經典的高明。

當你知道量子力學的歷史之後，你會發現一個問題：量子根本不是一個新詞而是老詞，1900年就有，為什麼到現在突然變得火熱？回答是因為現在出現一個新的科技，叫做量子信息，它是在20世紀80年代由量子力學和信息科學這兩個學科交叉產生的新的交叉學科。這個量子信息是幹什麼的？顧名思義，你就知道它就要利用量子力學的方法來實現那些傳統的信息科學所無法達到的效果。比如説，其中最具有科幻色彩之一的就是傳送術。很多科幻電影裏把一個人從這邊傳到那邊，我可以告訴大家現在這是個真實的技術，它對應的真實技術叫做量子隱形傳態。但是我必須立刻提醒一下，現在我們並不能傳一個人，量子隱形傳態可以傳一個粒子。這是一個真實的技術，所以這是一個巨大的進步。

還有其他哪些應用呢？比如説有一個是量子雷達，它是屬於量子精密測量的部分。説到這個量子雷達，它是幹什麼的？大家首先想到探測隱形飛機，但實際上有很多單位在發展不同原理的量子雷達。我熟悉的這個量子雷達是用來探測大氣風場的。大氣風場就是説，探測大氣當中有沒有在颳風？如果有的話，這個風向哪刮？它的速度有多少？就是探測這個。

實際上探測這個大氣風場早就有個傳統技術，就是激光雷達。它唯一的問題就是它白天不能用，為什麼？因為白天最大的干擾就是太陽，太陽它的強度太高了，是個巨大的背景噪音。你要避開這個太陽光，最好就採用紅外波段，因為太陽光主要就在可見波段。但是以前為什麼不用這個紅外波段？因為它那個探測效率太低了，我們對它沒有很好的探測器。

他們就發明了一種新的單光子頻率轉換技術，就是把你發出去那個光是紅外光，但回來之後你把它轉換成863納米的光。對於這個863納米我們有非常高的探測效率。這樣你就把探測的距離從原來的2.6公里提高到了8公里，這是典型的應用了。

下面我們來非常簡單的介紹一下量子信息的原理。量子力學本身有非常非常豐富的內容，我們好幾天都講不完，但是在信息科學當中用的有這麼三大部分：疊加、測量和糾纏。這三個詞究竟具體是什麼意思？你還是得看我那個書。

量子信息基本的操作對象叫做量子比特，而不是像傳統的信息科學，它那個操作對象系統叫比特。大家學過計算機科學都知道什麼叫做比特，比特就是説你有且只有兩個狀態。但量子比特不一樣，量子比特是連續可調的，它有無窮多個狀態。

我們下面稍微簡單介紹一下量子計算。很多人對它產生的印象是，量子計算機幹什麼事情都比傳統計算機要快。但是這個印象是錯的。我必須告訴大家比如畫一個圖，橫軸是各種可計算的問題，縱軸是計算機處理它的性能。假如畫一條黑線是表示那個經典計算機的性能，很多人的理解他以為量子計算機幹什麼事情都比經典計算機要快，就是紅線整體在上方。這是錯的！量子計算機是對於某些特定的事情比經典計算機要快得多，比如説破解密碼。正確的是中間的圖，即對於某些問題，量子計算機性能要高得多，那些尖刺就是脱穎而出。但是對於其他那些問題，比如最簡單的問題，加減乘除的問題，經典計算機已經處理得很好了，量子計算機做它沒有任何優勢。因為它的做法跟經典計算機是一樣的，而且它的成本肯定比經典計算機要高得多，如果你用量子計算機去做加減乘除沒有任何意義，它的性能反而不如經典計算機。所以大家可以理解量子計算機的前景並不是要取代經典計算機，而是説兩個聯合使用。對於量子計算機有優勢的就去用量子計算機，對於量子計算機沒有優勢的你就繼續用經典計算機。

量子計算機到底現在做到什麼樣的程度？我可以告訴大家，在這個實驗方面最大的進展就表現在最近，我們實現了量子優越性。量子優越性這個詞最初提出來的時候叫量子霸權，後來大家覺得這個詞聽起來像霸權主義，聽起來不太好聽，所以現在更多把它改叫量子優越性。但實際意思都一樣，都是説對於某個問題，量子計算機遠遠超過了現在的經典計算機。

為什麼強調某個問題？你必須是對於某些特定的問題量子計算機才有優勢，所以你要找到一個具體的問題，量子計算機實際的表現超過了現在最強的經典計算機。大家知道現在經典計算機很強，它一秒鐘能夠做上百億億次運算，超越這個才是實現量子計算機的優越性。

第一個里程碑是2019年，谷歌量子計算團隊他們用超導的物理體系實現了，他們處理的那個問題叫做隨機線路取樣。但是它那個結果發表之後，立刻就有很多做經典計算機的團隊出來改進這個經典算法。因為做經典計算的也是非常聰明的，經典計算的軟件和硬件也都可以提高。很快就有很多人把經典計算提高，最近一個大的變化就是有人反超它了。也是一個月之前，2021年11月份由中國科學院理論物理研究所的張潘團隊提出一個非常聰明的經典算法。他們説這個算法如果在最強的超級計算機上面執行的話，所需要的時間比懸鈴木更短，它是正面的擊敗了懸鈴木。所以懸鈴木先實現了量子優越性，然後又被經典計算機反超了，所以它的量子優越性被取消了。

另外一個是2020年12月，科大的潘建偉、陸朝陽等人他們利用光學體系來實現了量子優越性，這台量子計算機叫做九章，它處理的那個問題是高斯玻色子取樣。如果你想了解這個是什麼意思，還是得看我那個書。

九章是什麼樣子？普通人看到的新聞報道里一般像中間那個圖，一套光路看起來非常的不明覺厲。但是我看到的是右邊的這個樣子。2020年12月5日，九章的報道發出來之後，團中央請我拍一個宣傳片，讓我去宣傳一下科大的量子信息研究。潘建偉研究組的苑震生教授非常熱情帶我們去實驗室參觀。在一個狹小的空間裏，我也不知道那是什麼地方，進去之後，他突然告訴我們，我們前面那個格子裏那些東西就是九章的光學器件，我們背後那些格子裏面就是九章的核心器件。所以我們就是在九章裏面！我這才發現九章是個地理名詞，我們是在九章裏面向大家介紹九章。

所以有很多人説九章就是個光學實驗，沒錯它是個光學實驗，但是這個光學實驗它可以等價於解一個數學問題，在這個意義上它是一個計算機。而且當你解這個數學問題的時候，它比現在的傳統計算機要快得多，快多少呢？九章200秒取樣了5千萬次，當時那個最強的經典計算機做同樣的任務需要6億年，200秒對6億年，這是100萬億倍也就是10的14次方。當然了經典計算機也可以進步，你追我趕，大家努力想要趕上它。但實際上在這個領域發生的事情是，越來越追不上。過了一年之後這個九章又升級了，它現在是九章二號，它有很多指標都提升了。

比如上面的那個圖是態空間的維度，這個是從九章的10的30次方提高到了九章二號的10的42次方。下面那個圖是用到的光子數，它最多能取樣的光子數，九章最多76個，九章二號最多113個。有人問我那個光子數為什麼不直接翻倍？我告訴它這個東西不是線性增長，這個東西是指數增長。你每增加一個光子，那個難度是指數增長，帶來的計算量也是指數增長，所以你每增加一個光子都是非常困難的。

這個困難表現在什麼地方呢？就是最初當人們提出高斯玻色子取樣這個問題的時候，這個問題是在2013年作為理論問題提出來的。當時有很多人認為這個東西在實驗上無法實現，你最多做5個光子的玻色子取樣都已經非常困難了，10個是不可能的。結果他們一下子做到了76，所以你可以明白這是在技術上取得多麼重大的突破了。

也是在10月26日，他們發佈九章二號的同一天，他們又發佈了另外一個東西叫做祖沖之二號。5月他們發佈了祖沖之一號，過了5個月他們又發佈了祖沖之二號。這個祖沖之二號跟懸鈴木是同樣的體系，都是超導體系。

它處理的問題是同樣的問題，就是隨機線路取樣，但是它的規模比懸鈴木要大得多，它的計算複雜度比懸鈴木又高了6個數量級。所以非常有趣的是，張潘他們那個經典算法反超了懸鈴木，但它能不能反超祖沖之二號？回答是不知道，我去問了張潘，張潘説我還沒顧得上研究祖沖之二號。非常有趣，這是中國科學家內部在進行左右互博。

我們從量子計算的角度來總結一下，現在是什麼圖景？中國至少有一個體系實現了量子優越性，就是光學，超導也可能實現了。美國它本來在超導上實現了量子優越性，但是現在被經典反超了。所以中國實現量子優越性的體系是1或者2，美國從1變成了0，變成跟其他國家一樣了。所以在這個意義上，中國在量子計算這個領域在這個指標上是領先的。

最後我們再來稍微介紹一下量子通信。量子通信也是個大的研究領域，比如前面的傳送術。在實用當中真正使用的技術是量子密碼，當你在媒體上看到他們報道量子通信如何如何的時候，十有八九是在特指量子密碼。量子密碼的效果是什麼？量子密碼的原理是非常複雜的，我無法在這兒三言兩語説清楚，但是我可以告訴大家它的效果是無條件安全的保密傳輸。什麼叫無條件安全？無條件安全是説，敵人即使有無限的計算能力，也不能破解你的密碼。而我們現在絕大部分的密碼都是有條件安全，就是你必須假定敵人計算能力是有限的，它不能在比較短的時間內破解，在這個意義上是安全的。所以無條件安全本質上就比有條件安全的多。

世界上怎麼會存在無條件安全？可以告訴大家這是存在的，你需要看密碼學的書，你才會明白這個東西為什麼會存在。大家看我那個書就明白了。這裏的關鍵詞一個叫做一次性便箋密鑰，另外一個是BB84協議，這個BB84就是量子密碼的基礎的技術。

可以告訴大家的是，中國在這個量子密碼這方面毫無疑問是世界領先的。2016年我們發射了世界上第一顆量子科學實驗衞星“墨子號”，2017年我們開通世界上第一條量子保密通信骨幹網“京滬幹線”，從北京到上海2000公里的距離上都可以實現量子保密通信。而且兩者連起來了，他們實現了天地一體化的量子通信網絡。實際上我們曾經把它連到歐洲去，實現了中科院院長白春禮院士和奧地利科學院院長安東·塞林格之間的洲際量子保密通話。

但是這個天地一體化量子通信網絡，它可乾的事情不限於量子保密通信，它還可以用來做其他的事情。比如説，他們前年用天地一體化量子通信網絡來檢驗量子力學跟廣義相對論的統一。就是有些澳大利亞科學家提出了一套理論，叫做“事件形式”，説量子力學跟廣義相對論也許可以按照這樣的形式統一起來，然後它有明確的預言。他們做了實驗檢驗，檢驗的結果是沒有，至少説明他們現在的版本是不對的，你如果想讓這個理論活起來得去修改那個理論參數。我們將來會發射更加高軌道的量子科學實驗衞星，再去繼續檢驗經過修正後的理論。

量子通信網絡它不但是有實用價值，而且是全人類重要的基礎研究的基礎設施，這是我們對全人類科學界重大的貢獻了。

最後總結一下。量子信息分為三大塊。在量子通信方面我們毫無疑問是世界領先的，我們領先歐洲三到五年，領先美國五到八年。在量子計算方面，我們跟美國共同構成第一方陣，但是需要告訴大家一點，要注意量子計算機現在還沒有實用價值。比如那些量子優越性的問題是專門為了實現量子優越性而設計出來的，它的那個問題本身目前還沒有實用價值，而破解密碼是它的遠景。希望大家來努力加入到這個行業，幫助量子計算儘快有實用價值。

量子精密測量現在是使用價值最明確的，比如天上飛的衞星導航系統，GPS、北斗等它們的核心技術就是原子鐘，原子鐘就是屬於量子精密測量。所以量子精密測量有些已經實用了，有些在快速投入實用。無論是哪個，實用前景都非常大。

量子信息被稱為第二次量子革命，為什麼叫第二次？因為在20世紀初的時候普朗克、愛因斯坦、玻爾他們提出了量子力學理論，這個是第一次量子革命。但是那個時候我們對微觀世界的操作能力還不夠強，所以你只能面對大量的粒子，你可乾的事情很少。而現在我們能夠操縱單個粒子，然後就可以充分挖掘它的量子特性，實現一些以前無法實現的效果，所以把它叫做第二次量子革命。

最後歡迎大家看我這個書，關注我的微博、微信公眾號以及視頻節目科技袁人等等，謝謝大家！