從愛因斯坦的好奇心到量子信息科技
內容來自墨子沙龍活動“ 從愛因斯坦的好奇心到量子信息科技 ”（2023年12月6日）上的演講。演講嘉賓是中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長 潘建偉 教授。
文字由王佳整理。
感謝墨子沙龍的邀請，讓我有機會再次來到科大附中。今天，我將從愛因斯坦對量子力學的好奇心開始，介紹量子信息的發展歷程，並分享我們所做的相關工作。
從神話傳說到物理實現
大家肯定都熟悉吳承恩的《西遊記》。我記得在我大約10歲、還未上初中的一個夏天，我父親給我買了這套書。整個夏天，我都沉浸在《西遊記》中。書裡有許多有趣的概念，其中一個是天和地的區別。書中告訴我們，天上是神仙的居所，而大地則是我們凡人的家園。更有趣的是，天上過去一天，地上就經歷一年，呈現了“天上一日，地上一年”的時間差概念。
我對千里眼和順風耳也格外感興趣。孫悟空從石頭中孕育而出，引起了轟動。玉皇大帝命千里眼和順風耳前去查看下界發生了什麼。這兩位神仙擁有非凡的能力，如其名所示，可以看到千里之外發生的事情，聽到千里之外發出的聲音。
圖1 順風耳和千里眼
圖2 分身術
神話故事向我們展示了吳承恩的奇妙世界。可能大家會想問，神話故事中的這些元素究竟能否在現實科學中實現呢？
你們現在應該已經學習了電流電阻等電學知識，如果你們以後上大學選擇了物理專業，將會學到電動力學。19世紀，物理學家麥克斯韋建立了電動力學，基於電動力學，他預言了電磁波的存在，後來這被赫茲在實驗上證實。基於這些科學成就，產生了很多之前難以想象的應用。例如，1876年貝爾發明了電話，1925年貝爾德發明了電視。這些發現使人們有了“千里眼”、“順風耳”。
圖3 麥克斯韋，赫茲
圖4 貝爾發明電話 (1876)
圖5 貝爾德發明電視 (1925)
你們可能稍微學習過一點相對論的知識，相對論是愛因斯坦在1905年提出的，那時他只有26歲。愛因斯坦的相對論中有一個奇特的預測，雙生子佯謬。它說的是，有一對雙胞胎A和B，其中一人乘坐飛船、進行高速旅行，而另一人則留在地球上。待高速運動的A返回地球時，他會比留在地球上的B年輕很多。相對論告訴了我們，“天上一日，地上一年”的觀念在物理學中是被允許的，而且是真實存在着的。
圖6 愛因斯坦提出相對論
圖7 雙生子佯謬
那麼孫悟空的分身術、筋斗雲呢，能不能也在科學上得到實現呢？答案是肯定的，量子力學讓我們能夠在物理上實現分身術和筋斗雲。
量子的世界
量子不是某種粒子，而是構成物質最基本單元的全稱。例如，光子、原子、分子都可以被認爲是“量子”。“不可分割”是它的基本屬性：光子是光能量的基本單元，不存在“半個”光子；水分子是水化學性質的基本單元，不存在“半個”水分子。
量子世界還有一個奇特的性質，叫做量子疊加。日常經驗告訴我們，在某一個時刻我們只能處於某一個確定的地方，比如我現在在科大附中，我就不可能同時在科大東區或高新區。然而，當我們進入量子世界，在某些特定條件下，光子、原子等微觀粒子可以同時存在於多個地方，呈現疊加狀態。
量子力學創始人之一，奧地利科學家薛定諤曾經做過一個比喻：在日常生活中，一隻貓只能處於活或死這兩個狀態中的某一個，但在量子世界中，它可能處於又死又活狀態的疊加。在經典世界，利用貓“死”或“活”這兩種狀態，我們可以加載一個比特（“0”或“1”）的信息；在量子世界，相應的，我們有了量子比特“|0>+|1>”。
在物理上實現它也是比較簡單的。例如我們利用光子，光子在真空中傳遞時，會沿着兩個方向振動——水平偏振（|0>）和豎直偏振（|1>）。如果你用半波片將它轉一下，它變成沿着45度偏振，這時的狀態就是|0>+|1>了。
再用一個例子作比。從法蘭克福到北京有兩條路徑，一條途徑莫斯科，那裡天寒地凍、特別冷，另一條途徑新加坡，那裡陽光明媚、很溫和。如果你在飛行途中睡着了，你不知道是沿哪條路線飛行的，到達北京時就會覺得“又冷又熱”；如果飛行途中一直觀察路線，到達北京時你要麼覺得冷，要麼覺得熱，因爲你可以確定是沿哪一條路線飛行的！這就是“量子疊加”。
你可能會質問我：這不是在胡言亂語嗎？我們是坐過飛機的，在飛機上睡着的時候，醒過來時也從來沒有你說的那種又冷又熱的感覺。且慢，讓我再解釋一下。爲什麼實際中我們不會有那種又冷又熱的感覺呢？因爲飛行員一直在看着我們飛到哪了，地面雷達一直在監視着飛機的行程，宇宙中總有一雙眼睛或者說一臺測量儀器在測量這架飛機的軌跡，所以它不會出現那種疊加。量子客體的狀態會被測量所影響！
當然，任何比喻都是有缺陷的，大家如果想深入理解，只有將來繼續深入的學習。
量子力學還意味着更加積極的哲學。經典力學告訴我們，一旦確定了初始狀態，所有粒子未來的運動狀態都是可以精確預言的！世界真的是決定論的嗎？一切事件（包括今天的報告）都是在宇宙大爆炸時就已經確定好的嗎？如果那樣，個人的努力還有意義嗎？但量子力學告訴我們，人的行爲（測量）可以影響世界的進程！
量子革命與新興技術
思想上的進步必然會帶來技術上的發展。20世紀初，普朗克提出量子論，愛因斯坦提出光量子的概念，在隨後的幾十年裡，這些科學上的進展給人類帶來了核能、激光、新材料、新技術，以及信息時代。我們的生活已經離不開這些成果了。這是“第一次量子革命”。
隨着信息科技的不斷髮展，我們也面臨了一些亟待解決的重大問題。在信息傳輸方面，網絡信息安全面臨着嚴重威脅。信息傳輸中，信息雖然是被加密的，但依賴於計算複雜度的經典加密算法，原理上都會被破解。人們早就懷疑，“以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼”。在信息處理方面，目前人類擁有的計算能力還相當有限。我們處於大數據時代，全球數據量呈指數增長 (每兩年翻一番)，而全世界的計算能力總和也無法在一年內完成 對 大約 2 90 個 數據的窮舉搜索。傳統發展模式又受到嚴重製約，摩爾定律逐漸逼近極限。
我們如何突破這些困擾？量子力學在百餘年的發展過程中，已經爲解決這些重大問題做好了準備。
前面我們講了“分身術”——量子疊加，形象地比喻，一隻貓可以處在“生”和“死”的疊加狀態。當有了兩隻貓，會有更新奇的事情發生，例如它們可以處於“生-生”和“死-死”的疊加狀態。也就是說，當我們觀察時，第一隻貓有一半的概率是“生”，一半的概率是“死”，觀察第二隻貓，情況同樣如此，但它們倆的生死狀態一直是一致的，要麼都是“生”，要麼都是“死”。這就是“量子糾纏”。
還可以用骰子作比，下面兩個骰子中的每一個都以1/6的概率隨機得到1—6結果裡的某一個，但當我們把投擲結果記錄下來，一比較會發現兩個骰子的結果總是一樣的，即便它們相隔遙遠。愛因斯坦稱其爲“遙遠地點之間的詭異互動”。
有了量子疊加和量子糾纏的概念，我們可以利用它們做很多事情。同時，爲了理解它們，科學家做了大量的努力，伴隨而來的是新技術的出現，其中對量子狀態的精確操縱技術得到系統性發展。之前，我們對物質世界進行“被動觀測”，利用自然界的性質來造福人類，現在我們可以對光子、原子等的量子狀態進行主動操縱，按照我們的意圖來進行設計。這催生出一個具有巨大應用前景的新興研究領域，叫“量子信息科學”。量子調控與量子信息也被稱作“第二次量子革命”。與第一次量子革命所催生的成果相比，這是一次大的進步，類似於從孟德爾時代的遺傳學到基因工程。
量子信息科學可以解決我們前面提到的兩個挑戰。量子通信、量子計算與模擬是量子信息科學的重要方向。量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全傳輸問題。量子計算與模擬可以提供超快的計算能力、揭示覆雜系統的規律，來滿足人工智能、大數據等對計算能力的需求。
量子通信
量子密鑰分發是量子通信的重要方式，通信中如果存在竊聽，則必然被發現，通信雙方丟棄存在竊聽風險的密鑰，從而確保密鑰的安全分發。與“一次一密”加密方式結合，就能保證加密內容不可破譯。這是迄今唯一可實現“信息論可證”安全的通信方式。
還有更有趣的事情，利用量子糾纏可以將量子信息傳送到另一地點，而不用傳送信息載體本身。這就是量子隱形傳態，量子世界的“筋斗雲”。多體、多終端、多自由度的量子隱形傳態還是構建量子計算機的基本單元。
量子計算
由於量子疊加和量子糾纏，量子計算的計算能力隨可操縱的量子比特數呈指數增長。指數增長的威力，可以從下面的故事中看出。有一位國王非常喜歡國際象棋，於是要獎賞國際象棋的發明者。發明者說，我的要求很簡單，請您第一天賞我1粒米，放在棋盤的第一個方格里，第二天賞我2粒米，放在第二個方格里，依此類推，後一天的數量是前一天的2倍，直到放滿棋盤。國王很高興，以爲一袋米肯定就足夠了。結果讓人一算，大爲吃驚。
所需米粒的總數是2 64 -1=18446744073709551615，大約1萬億噸。這是兩千年全球大米產量的總和！
有了量子計算機的話，可以完成很多之前難以完成的事情。例如，利用每秒運算萬億次經典計算機分解300位的大數，需150000年，而利用同樣運算速率的量子計算機，只需1秒，這會使經典加密算法的安全性受到威脅；求解一個億億億變量的方程組，利用每秒運算億億次的經典超級計算機需要100年，而利用同樣運算速率量子計算機，只需0.01秒，將在金融分析、氣象預報、藥物設計、大數據、人工智能等領域有重要應用。
量子信息具有重要的科學意義，相關研究也得到了廣泛認可。例如，Roy Glauber由於在量子光學理論及其在量子信息科學應用上的重要貢獻獲2005年諾貝爾物理學獎；Peter Zoller和Ignacio Cirac由於在量子信息、量子光學和冷原子物理領域的開創性理論貢獻獲2013年沃爾夫物理學獎；Charles Bennett和Gilles Brassard由於建立和發展了量子密碼以及量子隱形傳態獲2018年沃爾夫物理學獎；Alain Aspect, Anton Zeilinger和John Clauser由於在量子物理和量子信息領域重要的實驗成就獲2010年沃爾夫物理學獎；Serge Haroche和David Wineland由於在量子系統測量與操控及其在量子信息科學應用上的重要貢獻獲2012年諾貝爾物理學獎；Alain Aspect, John Clauser和Anton Zeilinger由於量子物理基本問題檢驗和開創量子信息實驗研究的成就獲2022年諾貝爾物理學獎。值得一提的是，我國在量子信息領域的重大成果，尤其是“墨子號”量子衛星的成功實施，推動了該領域得到國際學術界的高度重視。
我的量子研究之路
接下來，我想和大家分享一下我自己的量子物理故事。
1989年，在中國科大，我第一次接觸到量子力學。之前的學習中，牛頓的萬有引力、法拉第的電磁感應、焦耳的能量守恆，還有孟德爾的遺傳實驗，我都覺得非常美妙，但量子力學讓我十分困惑。一隻貓怎麼可以同時處於又死又活的狀態呢？我一直在思索這個問題，甚至影響到了複習和考試。
後來，我將量子力學的基本概念問題作爲本科論文主題。從1991年開始，花費了一年多時間來理清量子理論的基本概念和量子佯謬。從1991年到現在已有30多年，我一直在從事這件事情，有時候要做成一些事情是需要長時間堅持的。
1996年，我留學奧地利因斯布魯克大學，導師是當時活躍在前沿的量子實驗學者Anton Zeilinger。這裡我願意跟大家分享一個故事。那時，老師交給我幾篇文章，讓我去算下，看有什麼結果。然後，我花了幾天算完之後，感到很激動，我有一個很重要的發現——量子態可以從一個地方傳到另一個地方，不需要有媒介。我就要求做一個報告，那時我們組星期三早上會請一位同學做個報告。我講完之後沒有任何一個人問我問題，我感到很失望：我發現了這麼重要的東西，居然沒有一個人問我問題。最後，我同一個辦公室的同事問我：“Do you know quantum teleportation？”（你知道量子隱形傳態嗎？）我說，我不知道。
於是我得知，那時大家正在做這個實驗，我提出我要加入這個實驗。所以，1996年到因斯布魯克大學後，我就加入了量子隱形傳態實驗，1997年，我們完成了實驗，首次實現量子隱形傳態。可見之前積累和充分準備的重要性：1989年，我對這個領域產生興趣，1996年進行深入研究，1997年加入研究團隊，最終取得了重要研究成果。這一成果後來入選Nature百年21篇經典論文。
但能夠在自己的祖國做出很好的科學工作，感受是不一樣的。2001年，我回到科大近代物理系組建量子物理與量子信息實驗室，主要開展多光子糾纏操縱研究。
很快我意識到，儘管在光量子信息處理方面我們的工作進展不錯，但量子信息僅靠光子是遠遠不夠的。所以我建議優秀畢業生到德國、英國、美國、瑞士等國的優秀團隊，去學習各種先進技術。
2009年，我有幸在人民大會堂觀看《復興之路》，心情十分激動，便給在國外的學生髮了短信：“我正在人民大會堂看《復興之路》，感觸良多！甚望你能努力學習提升自己，早日學成歸國爲民族復興、科技強國盡力！”此後幾年內，他們陸續回到科大，形成一支優勢互補的團隊。
在實用化城域光纖量子通信網絡方面，我們取得了重要進展。2007年，光纖量子通信的安全距離首次突破100km；2008年，建設了首個全通型城域量子通信網絡；2012年，實現了首個規模化量子通信網絡。但要實現遠距離量子通信，還面臨着重大挑戰。光纖的固有損耗使得光在光纖中每傳輸約15公里，光子數損失一半。長度爲1200公里的商用光纖中，即使每秒發射百億個光子、探測器效率達到100%，需數百萬年才能傳送一個量子比特！
怎麼辦？一個階段性解決方案是，基於可信中繼來實現城際量子通信網絡。對於傳統保密通信來說，整條線路處處都面臨信息被竊取的風險，而對於可信中繼方案，站點間的線路是安全的，只需要人爲保證中繼站點的安全。基於這一方案，我們建成了國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”。現在，國家廣域量子保密通信骨幹網總長超過10000公里，覆蓋北京、上海、廣東、重慶等17個省份約80個城市。
基於可信中繼的遠距離量子通信
不過，這不是一個完美的解決方案。一個更有效的解決方案是自由空間量子通信。2003年，我們提出衛星量子通信的構想。經過嚴格的地面驗證與關鍵技術攻關，量子科學實驗衛星“墨子號”於2016年8月成功發射。“墨子號”在軌運行半年後，圓滿完成了全部既定科學目標——千公里級量子密鑰分發、千公里級星地雙向量子糾纏分發、千公里級地星量子隱形傳態，充分驗證了通過衛星平臺實現遠距離量子通信的可行性。
通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器連接實現城際量子網絡、通過衛星中轉實現遠距離量子通信，結合“墨子號”和“京滬幹線”，我們構建了國際上首個天地一體的廣域量子通信網絡雛形，這爲將來的規模化應用奠定了堅實的科學與技術基礎。
下面，我再簡單地介紹一些我們在量子計算方面的研究。量子計算的能力隨可操縱的量子比特數呈指數增長，量子計算研究的一個核心任務便是實現量子比特的規模化相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界認爲量子計算有幾個階段性的里程碑。第一階段，相干操縱50個左右的量子比特，這時針對若干問題（如玻色取樣、組合優化）的計算能力超越經典超級計算機，可以實現“量子計算優越性”；第二階段，完成量子糾錯的原理實現、相干操縱數百個量子比特的專用量子模擬機；第三階段，可編程的通用量子計算機。
2019年，谷歌在國際上率先宣稱實現了量子計算優越性：在求解隨機線路採樣問題上，谷歌53比特超導量子計算系統“懸鈴木”耗時約200秒完成的任務，當時世界排名第一的超級計算機Summit估計需要約1萬年。但根據最新的張量網絡算法，經典計算的時間預計僅需數十秒，谷歌工作的“量子計算優越性”已不成立。
2020年，我們實現76個光子的量子計算原型機“九章”，處理高斯玻色取樣問題比當時最快的超級計算機“富嶽”快10萬倍，實現國際上首個被嚴格證明的“量子計算優越性”。2021年的“九章2號”能力較“九章”提升了10萬倍，2023年的“九章3號”能力又較“九章2號”提升了100萬倍。
在超導量子計算方面，2021年，我們構建了包含62個比特可編程的超導量子處理器“祖沖之號” 。同年，將“祖沖之號”升級到66個量子比特，並實現了隨機線路取樣問題的快速求解，比最快的超級計算機快10萬倍，計算複雜度比谷歌“懸鈴木”高6個數量級。
我國成爲目前唯一在兩種物理體系都達到“量子計算優越性”里程碑的國家。
未來展望
作爲一個結束，我談談將來我們準備做什麼？
我們希望能夠通過10到15年的努力，構建完整的天地一體廣域量子通信網絡技術體系，推動量子通信技術在國防、政務、金融和能源等領域率先加以廣泛應用，實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接。我們也會發射中高軌道量子衛星，實現全球化量子糾纏分發，將多個原子鐘的原子糾纏起來，實現高精度廣域時頻傳遞網絡。通過此，我希望我們中國科學家能夠在下一代的秒定義裡扮演主導作用之一。更進一步，高軌空間環境具有更小的重力噪聲和磁場噪聲，如果實現了長期穩定度達10 -21 的光鍾，將可用以探測暗物質對物理常數（例如精細結構常數α）的影響，探測更低頻率的引力波信號，揭示更豐富的天文事件。
在量子糾錯方面，我們希望5年時間來完成量子糾錯的原理實現、實現數百個量子比特的相干操縱，解決若干超級計算機無法勝任的具有重要實用價值的問題。通過10到15年的努力，研製具備基本功能的可編程的通用量子計算機，探索對密碼分析、大數據分析等的應用。
潘建偉，1999年獲奧地利維也納大學實驗物理博士學位。中國科學技術大學常務副校長、教授，中科院量子信息與量子科技創新研究院院長，中國科學院院士，發展中國家科學院院士。
潘建偉教授主要從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究。作爲國際上量子信息實驗研究領域的開拓者之一，他是該領域有重要國際影響力的科學家。利用量子光學手段，他在量子調控領域取得了一系列有意義的研究成果，尤其是他關於量子通信、量子計算和多光子糾纏操縱的系統性創新工作使得量子信息實驗研究成爲近年來物理學發展最迅速的方向之一。其研究成果曾多次入選英國《自然》雜誌評選的年度重大科學事件、美國《科學》雜誌評選的“年度十大科技進展”、英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”、美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”以及兩院院士評選的“中國年度十大科技進展新聞”。曾獲歐洲物理學會菲涅爾獎，國際量子通信、測量與計算學會國際量子通信獎，蘭姆獎，美國科學促進會克利夫蘭獎，美國光學學會伍德獎，墨子量子獎，蔡司研究獎，國家自然科學獎一等獎，未來科學大獎物質科學獎，香港求是科技基金會“傑出科學家獎”，何樑何利基金“科學與技術成就獎”以及中國科學院“傑出科技成就獎”等國內外榮譽獎項或稱號。
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