量子物理帶給未來無限可能

中國科學技術大學教授 陸朝陽

量子物理帶給未來無限可能

中國科學技術大學教授 陸朝陽

“我們希望通過五年的努力，能夠在量子計算領域達到目前商用計算機的最好水平。我們希望通過十年的努力超越目前世界排名第一的超級計算機的計算能力。通過十五年的努力，能夠達到天河二號百億億倍的能力?！?/p>

冷門的量子物理學和我們高大上的計算機、互聯(lián)網有什么關系？

首先，當我們回顧物理學的歷史，幾百年來，物理學不斷催生一些創(chuàng)新技術，比如，為了計算導彈和核武器，需要有大量的計算，所以催生出了計算機。此外，歐洲的科學家為了在全世界分享數據，直接發(fā)明了萬維網。我們可以做更大的開發(fā)。比如《西游記》里孫悟空的分身術、順風耳。隨著近代物理學的發(fā)展，曾經這些我們覺得很荒謬的想象變成了現(xiàn)實，千里眼和順風耳已經實現(xiàn)。有人說，現(xiàn)在的蘋果手機足夠好用，不需要量子物理來改變生活。但實際上，隨著社會的不斷進步，我們已經遇到了不少瓶頸問題。未來的計算機應該是什么樣的？我們要持續(xù)地增長我們的計算能力怎么辦？阿里巴巴集團首席技術官王堅博士曾說，我們現(xiàn)在每個人所消耗的晶體管數量和消耗的大米數量是一樣的，這就說明了人類對于計算的需求是迫切的。

其二，是我們的密碼學?；跀祵W上的安全性，大家淘寶賬戶上的密碼，目前的計算機需要幾百年才能破解，即使它不是絕對安全，你依然會很放心地使用。但是，隨著數學計算能力的不斷提高，量子計算機的方式使得這種依賴于數學的安全不斷受到挑戰(zhàn)。近期頻發(fā)的網絡安全事故，進一步證實了這些安全瓶頸成為一個非常嚴重的問題。

量子力學在一百多年的發(fā)展過程中已經為解決一些當代前沿問題做了準備。那究竟什么是量子呢？它有什么樣的表現(xiàn)形式？量子是構成物質和能量的基本單位。我們的手機、電腦等電子產品的一些量子狀態(tài)可以處于0和1，而且可以同時處于0和1，這就出現(xiàn)了兼明的現(xiàn)象。人也可以具備這種現(xiàn)象——既可以身處上海又能夠在杭州，但實際上在我們的兼明里是一種或者的狀態(tài)，而在微觀領域，這是一種類似于孫悟空的分身術。如果我有兩個電子或者說兩個光子，我們就可以讓它處于另外一種狀態(tài)。一般置備了兩個量子之后，不管距離多遠，中間有任何阻隔，它們一直會保持心有靈犀的關系。當測量某一個粒子時，另外一個粒子會收到相應的影響。

這樣一種奇妙的現(xiàn)象能夠給我們帶來哪些新東西呢？第一個變化是量子通信，它背后的物理原理正如我之前所闡釋的，實現(xiàn)上相對比較簡單。我們在2007年的時候開始進行產業(yè)化方面的研究，國慶閱兵的時候建立了城市范圍之內的量子光纖網?！笆舜蟆睍h期間也用到了量子通信的技術。目前，在北京、上海、濟南等城市建立了多個節(jié)點的網絡之后，我們正在進行的一個項目是連接北京到上海的量子通信主干網，預計在2016年能夠建成并投入使用。為了實現(xiàn)更加遠距離的通信，我們目前正在進行的另外一個中科院的量子衛(wèi)星項目投入6至7個億，通過衛(wèi)星來實現(xiàn)超遠距離的通信，例如，通過衛(wèi)星的方式中轉與國外大使館之間的通信。我們首先實現(xiàn)城市范圍之內的量子通信網，通過量子通信實現(xiàn)城市間的網絡，再利用衛(wèi)星實現(xiàn)超遠距離的量子通信網絡。目前，從事該領域工作的公司主要包括科大、國盾，以及阿里在量子通信基礎設施之上開發(fā)的各種各樣的用戶應用。

以上是關于量子通信的內容，能否更加給力一點，做一些更有想象力的事？比如在星球大戰(zhàn)的時候，我們能否實現(xiàn)當時科幻電影里面所描繪的瞬間轉移的事。量子物理學告訴我們這是可以實現(xiàn)的。

量子計算目前還處于比較基礎的研究階段，因為量子可以同時處于多種狀態(tài)。比如，有三個量子，它們可以同時存在01234567這八種狀態(tài)。我只要把它做一次運算，它就提供了一種原理上真正的并行計算，這樣一種并行計算會帶來一個非常大的提速或者說加速。分解這個數是之前提到的密碼學的基礎，是配套的。量子計算機真正造出來后，現(xiàn)在所謂的密碼都不堪一擊了。量子物理學給大家關了一扇門，但是也打開了一扇窗。

在量子計算方面，在光量子的操作領域方面，我們國家的研究水平一直處于世界領先地位。國際上，目前量子領域的投入也非常大，IBM投入了30億美元，美國歐洲也紛紛組成了很多聯(lián)合的量子實驗室，還有更多的人積極地介入量子通信產業(yè)。從2014年年終開始，中國科學技術大學和國家有關部門探討，希望聯(lián)合高校和國家的通信部門進行合作和研發(fā)。7月底中科院和阿里巴巴在上海建立了一個聯(lián)合實驗室，這是我們國家私營企業(yè)第一次大規(guī)模介入基礎研究，這對我國的科學研究試驗是具有里程碑意義的試驗。

我們希望通過五年的努力，能夠在量子計算領域達到目前商用計算機的最好水平。我們希望通過十年的努力超越目前世界排名第一的超級計算機的計算能力。通過十五年的努力，能夠達到天河二號百億億倍的能力。雖然量子的數目并沒有增加很多，但量子計算的能力是隨著數目指數上升的，所以幾十個比特的提升就能帶來計算能力爆炸性的增長。

回顧量子物理的發(fā)展史，量子物理通過信息技術、生物技術極大地改變了我們的社會面貌和生活水平。希望在大家的共同努力下，在未來的50年到100年，量子學能夠給我們帶來更多的驚喜。