西湖公開課潘建偉實錄：從愛因斯坦的好奇心到量子信息科技

在湖心講堂公開課上，著名量子物理學家、中國科學技術大學常務副校長潘建偉帶來的第一課，是「從愛因斯坦的好奇心到量子信息科技」。

從經典物理學的困境出發，向大家介紹了量子通信與信息科技的發展歷程與前景展望。

以下演講內容，根據潘建偉現場演講整理而成。

01

今天從愛因斯坦的好奇心講起，會延伸到最近這些年來發展的一個新技術，就把它叫做量子信息科學或者量子信息技術。

後面可能有一些具體的內容，大家不一定了解，但是只要是有兩個信息能夠記住就可以，這就是我整個報告的主題。

第一個，我想告訴大家，目前的科學理論是，我們的世界不是決定論的。

第二個，有了這樣新的理念之後，可以來做很多有趣的事情。

02

我從愛因斯坦一個觀點講起。

愛因斯坦應該是我們歷史上最偉大的科學家之一，他有一個信念，上帝是不擲骰子的，什麼意思？

大家肯定學過牛頓力學，它告訴我們，比如衛星發射之後，我可以來計算什麼時候衛星可以經過我們的頭頂。也就是說，所有粒子的運動狀態都是可以精確預言的。那麼，如果把這個問題進一步延伸一下，就會引起這麼一種概念，就是決定論。

也就是說，包括今天的演講，是不是老早之前就決定了？相當於我們看一部電影的時候，儘管還沒有看到電影結尾，但我們知道這個電影已經有結尾了，你的任何行為是改變不了什麼的。

可能有些人看過科幻片《西部世界》，裡面有一位女士，她其實是一個機器人，她認為自己是有自主意識的。但事實上，她的每一個舉動都是由後臺程序所設定的，下一時刻要做什麼說什麼，其實老早像拍電影一樣已經被確定好了。

我們作為一個人，內心深處其實不相信牛頓力學這個結論，所以霍金講過一句話：「即使是相信一切都是上天註定的人，在過馬路的時候也會左右看一看，以免被車撞到。」

現在我們提兩個問題：第一，這個世界到底是決定論的，還是本質上是不確定的，以至於允許我們有自主意識，可以有自由的思想。

第二個，如果本質上是不確定的，那如何從物理學上來證明這一點？

這是我整個報告希望能夠來解釋一部分的。

03

我們先來做一個實驗。

有一條縫，光源照過去，有強度分布，中間最亮，兩邊慢慢變暗。這個實驗很簡單，我們每天都可以重複做，拿手電筒一照就可以了。但是有些科學家說，如果把光的強度進一步減弱，會有什麼樣的結果呢？

我們再來重複做這個實驗，把光源不停地減弱，結果在屏幕上發現，在每個確定的時刻，看到一個點、一個點出現。實驗重複了很多次之後，這些點的分布概率跟左邊圖的分布是完全一樣的。但是單次實驗當中出現的是一個點，這就引出了所謂的單光子概念。後來的科學告訴我們，其實光是由很多小顆粒組成的；這些小顆粒就是光能量的最小單元，叫做光量子。

量子的概念最早是普朗克提出來的，普朗克從某種意義上來講，應該算是舊量子力學的祖父，愛因斯坦和玻爾是舊量子力學之父，他們又是新量子力學的祖父，海森堡、薛丁格和狄拉克等則建立了新量子力學——真正有方程去求解的量子力學。

有了這個基本概念之後，再來做一個雙縫實驗。

第一次我只開左縫，會看到集中在左邊的很多小點，最後的分布就是這樣的高斯分布；我再打開右縫，又看到很多小點，也是高斯分布。有這樣的結果出來之後，我們可以問一個問題：如果兩條縫同時都打開的話，應該看到什麼現象呢？

按照我們通常的觀念，首先，單光子是不可分割的，單次的過程當中，應當從某一條縫過去。左縫過去的光子應該不受右縫的影響，兩條縫都打開的時候，應該是一種簡單的概率疊加，最後變成同時開雙縫的時候，應該也是高斯分布。

下面來做一下這個實驗，到底跟邏輯分析的結論是不是一致的呢？

如果兩條縫都打開，屏幕上光子數目越來越多的時候，就出現了幹涉條紋。做實驗的人馬上就會想到，這不是波的現象嗎？因為經典的電磁波、水波、聲波裡面都有非常明顯的幹涉現象——波峰+波峰就是幹涉增強，波峰+波谷就是幹涉相消。如果按照經典物理學，光是電磁波的話，那麼有幹涉現象是非常正常的。

但現在的問題是，為什麼不可分割的粒子表現也像波一樣呢？按照道理是強度疊加，怎麼變成了這麼一種幹涉的疊加了呢？

在量子力學裡面，按照玻爾和海森堡的觀點，首先光子確實是一個粒子，但是它在自由飛行的時候，光子狀態是由波函數來描述的。在探測到光子之前，光子沒有一個確定的位置。波函數告訴我們的信息只是在某一個點上探測到光子的概率是波函數的模平方；通過雙縫之後，波函數的幹涉就會影響光子出現的概率分布，就類似於經典波幹涉一樣。他們認為在自由飛行的時候，波函數本身代表一個光子，光子在各個地方都同時存在。

按照他們的觀點，最後在屏幕上探測到光子的時候，光子就會坍縮成一個點，隨機地出現在某個地方。

我們重複實驗很多次，最後的結果告訴我們，單光子像波一樣，是同時通過兩條縫，但是光子的位置是完全不確定的，屏幕上是隨機出現在某一點，出現在某個點的概率，是由兩個波函數相干疊加決定的。

這樣重複很多次實驗，我們就能夠看到幹涉條紋，但是單次的過程當中，它都是一個光子，並且可以出現在很多地方。因為看到了幹涉，量子力學就用波函數的形式來解釋這個現象。

但是對於這種理論，愛因斯坦並不滿意。他說是的，如果你看到了幹涉條紋，我們只能認為光子同時通過兩條縫；但是如果我一定要堅持，一個光子是一個顆粒，只能通過某一條縫，那麼我是不是應該做實驗看一下，光子到底從哪邊過去的？

我們接著做一個實驗：在每條縫後面放一個小小的原子，光如果從左邊過去，跟原子輕輕碰撞一下，通過測量原子反衝的動量，我們會知道光子是左邊過去的；如果右邊的原子被撞了一下，我們就知道光子是從右邊過去的。所以如果想去看光子的路徑，在每次實驗當中，我們只要看哪一邊的原子會反衝一下就知道了。這個實驗證明，光子確實是通過某一條縫過去的。

但現在我們就遇到麻煩了，當我們知道光子從哪一條縫過去的時候，幹涉條紋就消失了，又變成了概率的疊加。

最後，總的結果是這樣的，如果知道光子路徑的話，就沒有幹涉條紋；如果出現了幹涉條紋，那麼我們的實驗是沒有辦法來判斷光子路徑的，這就是我們遇到的這麼一種困境。

04

遇到這種困境之後，兩種觀點就開始爭論了。

愛因斯坦相信上帝不擲骰子，他覺得我們應該有一個確定規律可以算出來每次光子究竟是從哪條縫過去的。玻爾則說，你不要告訴上帝祂能夠做什麼，上帝自己來決定祂能夠做什麼。

玻爾的觀點是，光子的路徑在沒有測量之前是不確定的。它的路逕到底怎麼樣，取決於你有沒有去看它。你去看的話，它在某一條路徑上；你沒有看，就是在兩條路徑上，處於通過左縫和通過右縫的相干疊加。

但愛因斯坦認為，光子的路徑是可以預先確定的，只不過量子力學目前能力太差，沒有掌握真正的自然界的規律。其實可以設計一個隱變量，讓光子變得聰明一些，也可以同時來解釋兩類現象。

愛因斯坦的隱變量理論是這樣的，首先無論如何，我相信光子是確實從某一條縫過去的，不管有沒有在看。但他同時認為光子是比較聰明的，具有自然規律所允許的所有能力，它可以預先決定不同的概率分布。

什麼意思呢？所謂的隱變量，它可以決定實驗最後的結果。

在一次做實驗當中，如果兩條縫都開著，一個光子飛過來的時候，隱變量就故意 「命令」 光子跑出這種幹涉的分布，儘管光子是從某一條縫鑽過去的；如果只有一條縫的時候，隱變量就 「命令」 光子跑出這樣的高斯分布，以至於最後是概率疊加。對於這樣的觀點，沒有辦法反駁，因為原理上確實可以這樣，但人們又並不知道所謂隱變量到底是什麼機制，在實驗上沒有辦法證實。

所有的單粒子實驗當中，隱變量的理論和量子力學理論，最後都可以來自洽地解釋雙縫幹涉的實驗結果。

那麼，上帝到底擲不擲骰子？如果擲骰子，人可能還有一點自由意志；如果上帝不擲骰子，我的命運和做什麼事情，都是方程決定的。這個問題很重要，上帝到底擲不擲骰子，跟人到底有沒有自由意志，某種意義上是聯繫在一起的。

05

我也不是說，愛因斯坦和玻爾這兩個人誰更高明，反正薛丁格方程可以把氫原子能譜等等算得非常精確，有用就行了。

在應用量子力學規律的過程中，產生了很多的技術革新：核能、電晶體的發現、雷射的發明、核磁共振、高溫超導材料、巨磁阻效應的發現等。通過量子規律的被動觀測，即使在宏觀世界的體現應用，也已經很大程度上改變了我們的生活。

某種意義上來講，量子力學是現代信息技術的硬體基礎，數學是軟體基礎，數學和物理結合在一起，奠定了整個現代信息技術的基礎。

正是有了半導體，才有現代意義上的通用計算機；然後在加速器的數據往全世界傳遞的過程中，催生了全球資訊網；為了檢驗相對論，利用量子力學構建非常精確的原子鐘，在原子鐘的幫助之下，可以進行GPS衛星全球定位、導航等等，第一次量子革命直接催生了現代信息技術。

大家經常講，我們現在為什麼有卡脖子的問題，其實可以看到，一部手機裡面凝聚了很多跟量子力學相關的基礎物理、基礎化學成果：半導體器件是2009年諾貝爾物理學獎、集成電路是2000年諾貝爾物理學獎等等，一部手機當中，有八項諾貝爾獎成果在裡面。如果基礎研究不行的話，我們被卡脖子是一個難以避免的結果。

06

隨著信息技術進一步發展，逐漸地遇到了一些問題。一個問題就是信息安全瓶頸。實現信息的安全傳送，自古以來就是人類的夢想。

在公元前7世紀，古希臘斯巴達人用加密棒，把一個布帶纏到加密棒上，寫上 「明天發動攻擊」，命令發布完之後，如果別人沒有同樣半徑的加密棒的話，信息是讀不出來的，這是最原始的加密方法。

後來到了公元前1世紀左右，凱撒大帝發明了更好用的辦法——把26個字符移動一下，這樣移動完之後，「明天發動攻擊」 就變成DWWD等等，只有預先約定的人才知道這個命令究竟是什麼。

這樣一些非常聰明但很古老的加密算法，其實可以用字符出現頻率的方法加以破解。英語中A出現的概率是8%，B出現的概率是1.8%，等等。不管字符怎麼變化，只要文字是固定的，我們拿出來算算字符頻率，出現8%就是A，出現1.8%就是B。一封信如果有幾千個字符，很大概率可以被破解。

二戰期間，人們又設計了更加複雜的密碼，到後來還有RSA公鑰加密算法，但是隨著計算能力的提高，這些都被破解了。2017年，清華大學的王小雲教授發明的一種方法，把SHA-1算法破解了。

歷史告訴我們，有矛必有盾，基於計算複雜度的經典密碼，總有方法可以破解掉。大概在一百多年之前，有一位作家寫了一句話：「人可能不夠聰明，以至於沒有辦法構建一種我們自己破解不了的密碼。」

我們遇到的另一個問題是難以滿足人類對計算能力的巨大需求。最早的時候，1940年代的 Colossus 計算機，重量1噸，功率8.5千瓦，每秒運算速率五千次，當時人們覺得這已經很快了，按照IBM的前總裁 Thomas Watson 的說法，全世界大概只需要五臺這樣的計算機就夠了。

但是到了2010年的時候，是一個什麼樣的狀態呢？其實每個人擁有的智慧型手機已經可以每秒鐘運算5萬億次，功耗不超過5瓦，計算能力是當年美國阿波羅登月計劃計算能力的總和。

隨著大數據時代的到來，全球數據量以指數的增長，每兩年翻一番，對計算能力的需求非常巨大。

一般來說，我們通過加強晶片的集成度來提升計算能力。但是目前，摩爾定律馬上就要逼近極限了，估計再過十年，就會達到亞納米尺寸。這樣的話，前面講到的幹涉效應就會出現，0不一定是0，1不一定是1，電晶體的電路原理將不再適用。

怎麼解決信息科技面臨的這些問題？在研究愛因斯坦百年之問的過程當中，目前的量子力學已經初步地為突破信息安全和計算能力的瓶頸做好了準備，而且也為回答上帝到底是否擲骰子提供了可能的答案，因為這是跟自主意識、自由意志緊密相關的。

07

到底是怎麼聯繫在一起的呢？讓我們先來考慮一個最簡單的量子系統。

在日常生活當中，一隻貓，要麼是活的，要麼是死的，這兩種狀態就可以代表一個比特的信息。

根據量子力學，量子世界中的一隻貓，當我們沒有去看這隻貓時，貓可以處於死和活狀態的相干疊加。但是對於這兩種觀點，愛因斯坦說，我可以用隱變量來構建，反正你也不能說服我，它還是可以確定地處於死和活某種狀態，不是處於相干疊加。

他為了反駁量子力學，進一步考慮了多粒子體系。在講多粒子體系之前，先講一下量子比特到底是什麼東西？

其實任何兩能級的系統都可以實現一個量子比特，例如可以用光子的兩個極化狀態，來代表0或者1。左上方光子沿著垂直方振動叫做1，沿著水平方振動叫做0，可以代表兩個狀態，如果讓它偏轉一下，朝著45度振動，其實就是屬於0+1狀態相干疊加了，沿著135度振動其實就是0-1的相干疊加。光子的極化其實可以沿任意方向振動。

我們怎麼測量光子的極化狀態呢？如果有一個光子是0+1的狀態，但是我們並不知道它是什麼狀態。我來測量它，可以用一個小晶體，叫做極化分束器，對那些水平極化的光子全部穿透；對於豎直極化的光子則全部反射。如果在後面再各放一個單光子探測器，它每次實驗當中，要麼就左邊有響應，要麼就右邊有響應，可以證明每次發射進來的是一個單光子。

光子處於45度極化的話，測量後就有50%的機率處於水平極化，50%的機率處於豎直極化。測量前屬於兩者的相干疊加，測量後則以一定概率處於這兩種狀態裡的某一個，這就是最簡單的量子測量。

當然，我們也可以換一個方向來測量，讓45度的光子反射，135度的透射。不管怎麼說，測量的結果不僅取決於被測量的量子態，也取決於測量的方向，沿著兩個正交的方向，各有一定的概率，得到兩個測量結果。

如果事先狀態屬於疊加狀態，測量完以後，會變成兩個狀態當中的一種，也就是說對未知的量子態的測量會擾動初始狀態。如果這個狀態事先未知的話，便沒有辦法獲得原件的全部信息，於是對未知量子態就沒有辦法進行精確克隆。這就是量子力學因為有疊加之後和經典物理學觀念的一個非常大的不同。當然，也有人說可以用愛因斯坦隱變量的理論回到經典物理學所描述的確定的狀態。

愛因斯坦認為，既然單粒子實驗不能確定隱變量、量子力學兩種理論誰對誰錯，那麼應該再往前走一步，於是他在1935年提出了「量子糾纏」的概念。

他認為如果量子力學是對的話，那麼就允許兩個骰子始終處於一種精確的關聯：你擲出的結果是6，我也一定是6；你擲出的結果是1，我也一定是1等等。從實驗上講，假如有01-10這種兩粒子糾纏態，沿著任意方向來測量的話，都有一種非常奇怪的結果。比如沿著水平/豎直方向測，如果測到粒子1處於水平極化，粒子2就一定處於豎直極化，就是0和1；如果測到粒子1處於豎直極化，粒子2就處於水平極化，就是1和0；如果是用45/135度測，這邊的測量結果是45度，那邊就是-45度；這邊的測量結果是-45度，那邊就是45度。只要按照同樣方向測，兩個粒子的測量結果會完全相反。

愛因斯坦進一步做了一個思考。他認為如果兩個粒子處於剛才所說的糾纏態，在T1的時候，完成了對粒子1的測量；在T2的時候，完成對粒子2的測量。現在愛因斯坦提出了一個類空間隔的概念。這是什麼意思呢？如果T2減去T1，是小於光從粒子1飛到粒子2所用的時間的話，也就是說，兩個粒子完成測量的時間差是小於光從左邊飛到右邊的時間的話，愛因斯坦認為，既然光都來不及通風報信——光是跑得最快的，每秒鐘30萬公裡——粒子1測量的結果跟粒子2的測量結果是完全獨立的，因為任何能量都來不及從粒子1傳到粒子2這個地方。

但是根據前面講到的，你是1的時候，它必定就是0；你是0的時候，它就必定是1。也就是說，只要測量了粒子1的狀態，就可以精確地預測粒子2的狀態。這麼一來，我去測量粒子1，又不影響粒子2，但我又可以知道粒子2處於什麼狀態，那麼對於兩個粒子的測量結果，在沒測量之前就應該是存在的，而不應該是測量後才決定的。

所以愛因斯坦得出這麼一個結論，物理量的值是預先確定的，與是否執行測量無關，這個就跟他的隱變量是一樣的，叫定域實在論。

但是量子力學告訴我們，單個粒子的物理量在測量前是沒有確定狀態的。對粒子1的測量，不僅僅決定它自身的狀態，而且也瞬間決定粒子2的狀態，無論它們相距多麼遙遠。

但是到這一步為止，定域隱變量也好，量子力學也好，也是給出同樣的預測的，沒有辦法檢驗誰的觀點是對的。

這裡為了形象一點打這麼一個比方，假定有兩朵花處於糾纏的狀態。花有兩個性質，第一種性質就是它的顏色，用眼睛看的時候左邊是紅色，右邊也是紅色，我再看一遍左邊是藍色，右邊也是藍色，它們的顏色總是一樣的，這是第一種性質的糾纏。我現在來聞聞花的香味，一聞是玫瑰花香，這邊是玫瑰花香，那邊是玫瑰花香，我再來聞一下，這邊是蘭花香，那邊也是蘭花香味，它們的氣味也總是一樣的。現在有兩種觀點，按照愛因斯坦的定域實在論，花的顏色和氣味在測量前已經確定好了，跟你有沒有看它的顏色，有沒有聞它的香味沒有關係；量子力學告訴我們花的顏色和氣味在測量前是完全不確定的，對一朵花的測量，就是你看它的顏色，去聞它的氣味，會瞬間的確定另外一朵花的顏色和氣味，這就有點像王陽明所講的，你沒有看花的時候它是與萬物同寂，你去看它的時候頓時這個花的顏色就明白起來了。但這麼一個東西實驗上怎麼檢驗，如果兩邊同時看花的顏色和聞花氣味的時候，你是永遠解決不了這個問題，結果愛因斯坦提出量子糾纏的概念30多年之後，有一位John Bell，他說不要同時看花的顏色和聞花的氣味，有些時候可以讓左邊這個人看花的顏色，右邊這個人聞花的氣味，這樣一來就可以得到一個Bell不等式，這個數學上不用管它。如果你認為沒有看之前，它有確定的性質的話，這個不等式測出來值要小於等於2；如果量子力學對的話，這個數值可以達到2.82，這麼一來可以在實驗上進行檢驗，到底誰對，結果幾乎所有的實驗證明量子力學都是正確的。這告訴我們一個非常好的結果，也就是說物理量的值不是預先確定的，你去決定測量的時候才會決定它是什麼性質；測量的結果是隨機的，也就是說觀測者的行為會影響體系的演化；那麼同時告訴我們對於單個量子的未知態你都不能複製，更不用講像我們大腦裡複雜的意識，我們不可能像手機一樣裡面的信息可以做簡單的複製，兩個手機一模一樣，事情就麻煩，如果可以複製一個潘建偉來，我的兒子就不知道叫誰爹。量子力學告訴我們一個原子的狀態都是不能被複製，更加不用擔心有我們的複製體。

08

所以說，我獨一無二，我有自主意識，我的行為可以影響體系的演化，這是量子力學和牛頓力學根本的不同。

有了概念之後，科學家發展大量的技術來做實驗，來驗證這個理論對不對，這個技術很困難，比如拿一瓶水，喝掉半瓶水很簡單，可如果我說，一公你現在每次只能喝一個水分子，這在技術上非常困難，但是科學家從1964年開始，經過將近五六十年努力，我們已經可以相當於從一個十瓦的電燈泡，拿出一個個光子來，然後把這些光子黏連在一起來進行幹涉，然後來做我們想做的事情。

這樣，一個新的學科誕生了，我們把它叫做基於量子調控技術的量子信息。

我覺得它的革命性，有點像我們遺傳學裡面從孟德爾的遺傳規律到DNA這麼一個過程。在這裡面有一堆豌豆，可以說豌豆種到地裡面的時候有多大概率豌豆長成綠色，多大概率豌豆長成黃色，當我拿出一顆具體的豌豆來問你，你告訴我這顆豌豆到底長的黃色還是綠色，你不知道，但是到DNA結構發現之後，就知道這個可能長黃色，那個長綠色，所以你從被動的觀測到主動調控的時候，在技術會帶來巨大的進步。所以，我們現在可以從對量子規律被動的觀測和應用變成了對量子狀態的主動調控和操縱，這樣就產生了第二次量子革命，那就是量子信息技術。

它的進步很多，一個是量子通信，可以提供原理上無條件的安全通信方式，另外量子計算可以提供超快的計算能力，來揭示複雜系統的規律。

為什麼量子通信是安全的，比如張三和李四要送密鑰，我送的單光子，如果中間有竊聽者，對這光子他先來看一下，本來送的時候有幹涉，到最後可以看到幹涉條紋，如果中間這個人看一下就變成0和1，最後變成沒有幹涉，只要沒有幹涉你就知道我的狀態中間被別人竊聽過，不可以用了。

可不可以這樣把光子分成兩半，這一半不看，另一半放在手裡，不可能，因為量子不可分割原理告訴我們，不存在半個單光子，所以這麼一來首先他不能竊走半個光子，要不然看整個光子，看完之後就知道有竊聽。這樣存在竊聽必然被發現，通信雙方可以丟棄存在竊聽風險的密鑰，來確保密鑰的安全分發。

第二個應用，像孫悟空的筋鬥雲，利用量子糾纏可以把量子信息從一個地點送到另外一個地點。如果量子態處於死和活的疊加，到底多少活的成分你不能測，如果測的話這個狀態被改變了，但是利用量子糾纏的幫助可以把一個粒子的初始狀態從1這個地方傳到第三個粒子，但是又不用這個粒子本身傳遞過去，我們把這樣一種操作叫量子隱性傳態。

由於時間的關係只做一個比喻，如果上海和杭州有一團糾纏物質，如果我從上海過來做報告開車來不及，怎麼辦？

我就說，可以對上海的潘建偉和那個糾纏物質做一個操作，操作完之後把它糾纏起來，我身上每一個原子和糾纏物裡面的原子糾纏起來，測量之後得到一組數據，它們處於哪個糾纏態，然後我把這個信息通過無線電臺發射到杭州，通過對杭州這種物質做一種可控的操作，我就可以用同樣多的物質把潘建偉在杭州構造出來。

是在杭州複製一個潘建偉嗎？我說不是的，因為我把這個過程搞完之後，在上海的潘建偉已經沒有任何信息了，他就還原成一堆原始的物質，所以在杭州的潘建偉不是上海那個潘建偉的複製品，而是用同樣多的物質把我給重新構造出來了。

當然人能不能傳送我們不知道，我們說一個原子的狀態是可以的，幾十個原子狀態是可以的，幾百個原子狀態也是可以的，目前在實驗上都已經證實了。

但是這裡有一個東西講清楚，這個傳送不能超光速傳送。在上海得到這個測量結果之後，要麼這個測量結果告訴杭州，所以這個結果的傳遞最快是光速的，所以最快乘以光速傳遞。另外，執行完這些操作後在上海這個人已經消失，所以在杭州出現的我不是複製品，我還是獨一無二的。這個東西可以來做所謂量子計算的基本單元：量子信息在網絡裡可以走來走去之後，就可以利用量子疊加來進行量子信息的處理，這就是量子計算機。

09

經典計算機裡，一個比特處於0或1兩種狀態之一，兩個比特則處於四個狀態裡的某一個。但在量子計算機裡，四個狀態可以同時存在，隨著量子比特數越來越多，同時疊加存在的狀態數是指數增長的。利用量子比特這樣一種疊加的性質，我們可以設計一些相關的算法。這些算法可以快速分解大數、快速求解線性方程組等等。比如，利用萬億次的經典計算機來分解一個300位的大數需要15萬年，那就是我們現在的手提計算機，但是利用萬億次的計算機只需要一秒鐘就可以了，一旦有超強的計算能力可以用到很多地方，氣象預報，藥物分析，基因分析，經典密碼的破譯都是可以，這是兩個領域重要的應用。

其實在量子通信方面，目前在國內做的比較好，可以在城市裡面做一個城域網，利用中技把城域網城際連起來，利用衛星實現遠距離的量子通信。

我們從2007開始已經取得一些比較好的進展，在2012年這個系統已經在北京投入運行。後來慢慢把這些區域網，一個一個連起來，變成現在的 「京滬幹線」，這個是基於可信中繼技術。將來最終解決遠距離量子通信這個問題，最好能用到量子中繼，目前大家正在研究過程當中。而以目前的技術實現遠距離的量子通信，則需要衛星的中轉。通過十幾年的努力，我們研製成功了國際上第一顆量子科學實驗衛星 「墨子號」，在2016年8月份成功發射。

「墨子號」 有三大科學實驗任務。第一個是星地之間的量子密鑰分發，在1200公裡的距離上，目前每秒鐘點對點可以送十萬個安全密鑰，這比相同距離光纖的傳輸速率提高了20個數量級。第二個任務是實現了德令哈到烏魯木齊，德令哈到麗江之間，距離都差不多是1200公裡的量子糾纏分發，驗證了即使相隔上千公裡，量子糾纏之間的詭異互動也是存在的。第三個任務是實現了上千公裡的量子隱形傳態，這些工作都是在2017年完成的。「墨子號」 實現的天地之間的量子通信，再加上 「京滬幹線」 所實現的千公裡級光纖城際量子通信網絡，一起構成了天地一體化廣域量子通信網絡的雛形。這是國際上量子信息領域一大標誌性事件。

在「墨子號」基本任務完成之後，我們就想能不能用量子衛星來做一些跟廣義相對論、跟引力相關結合的工作。大家都知道，目前融合廣義相對論和量子力學的嘗試，困難在於理論模型的檢驗需要極端的實驗條件，例如極小的空間尺度，或者是極高的能標1019Gev後來有些科學家提出新的引力模型，比如這個 Event Formalism 模型。根據它的理論，引力會導致量子糾纏的退關聯。2018年的時候，我們用 「墨子號」 做了一個實驗，驗證了至少在現有的精度下，第一種簡單的 Event Formalism 模型被驗證是不準確的。後來理論工作者改進了這個模型，進一步驗證的話，那就需要上萬公裡糾纏的分發。我們還有很多工作要做。

在量子計算方面，目前國際上有幾個公認的發展階段：第一個階段要實現50個量子比特的相干操縱，這樣從這個圖裡面可以看到，只要達到50個比特，對特定問題的計算可以比目前最快的超級計算機算得快。

去年google發布一個結果，在經典超算上需要算1萬年的東西，在google計算機只要算200秒就行了。第一步google走在前面，第二步要實現數百個量子比特的相干操縱，可以造一些專用的量子計算模擬機，讓我們來做一些量子材料高溫超導機制的研究。到第三階段可以來做通用量子計算。所以google在去年的結果其實構成量子信息界另外一個重大的標誌，正因為這樣，google未來五年為了超導量子計算上大概會增加投入10億美元左右，他們希望通過十年左右能夠構造出一臺大概能夠達到百萬比特的量子計算機，可以來破解2千多位R的密碼，這是他們目前正在考慮的。

當然，這方面我們國家其實整體上的水平還是不錯的，早在2012年的時候在拓撲量子糾錯上做了一些比較好的工作，近期已經完成50個光子的高斯玻色採樣，按現在初步估計和數據分析，應該能夠比google的量子優越性大概快100萬倍左右。當然，這個需要進一步分析，現在不能百分之百保證。

在超導量子計算方面，目前正在開展60個超導比特的量子相干控制，如果做成，大概在性能方面可以比google快三個數量級左右，這是目前正在開展的一些工作。

第二個方面希望能夠來解決一些實用化專用量子模擬機裡的問題，我們在超冷原子量子模擬方面取得了比較好的進展，近期希望能夠實現100個原子左右的相干操縱。

希望能夠通過10到15年的努力，在量子通信方面，對信息安全做一些比較好的工作。除此之外，利用在空間當中所發展的技術，會發射一顆中高軌衛星，這是一個長期的計劃，這是我們在空間也可以進一步來做引力和量子理論相關的檢驗。

在量子計算方面，也希望通過10年左右的努力跟google一樣，大概能夠達到百萬個量子比特的相干操縱，來試圖構建具有基本功能的通用量子計算原型機，探索對密碼分析和大數據分析方面的相關應用。

10

做一個總結，密碼、算法主要是數學家的事情，為什麼量子通信和量子計算是由物理學家先提出來的？

這裡舉一個例子，比如在這個地方有這麼一個簡單的問題，三個電燈泡，有三個開關，你怎麼做才能在開關開完之後，搞清楚哪個開關控制哪個燈泡？對於數學家來說可能是解決不了的，物理學家會怎麼做呢？

我們把兩個電燈泡打開，過一會兒關掉一個，然後我過去，亮著的那個當然是我打開的那個，然後我用手摸一下，沒亮但是發燙的那個是我剛剛關掉那個，涼的那個是我沒有開過那個，所以物理學家能夠利用物理的現象來解決更多的問題。

我希望很多人能夠到西湖大學來學習物理，這樣能解決一些數學家和計算機物理學家所解決不了的問題，開開關你跑過去，利用所謂的燙不燙就能夠解決這個問題。

我覺得這個是我希望大家能夠帶回家的take home message，前面講的這些量子信息技術都是「術」，都是具體的應用，本質上也沒有什麼太了不起的。但是我覺得隨著對量子力學進一步研究，和對量子計算機深入的研究，可能給我們的觀念帶來兩個非常深刻的轉變，這就到了「道」的層面。經典計算機是決定論的，經典的人工智慧是機器人，是沒有自主意志的，量子力學第一次把觀測者的意識和物質的演化結合起來，就像一公校長在幾年前做過非常精彩的報告，談論量子糾纏和意識的作用，這是一個非常有道理的東西。

我比較相信，隨著人工智慧研究的發展和量子計算機硬體的發展，到後來可能能夠製造出或者構建出理解甚至超越人類的智慧。

（文中觀點僅代表主講人意見。）