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潘建伟:从爱因斯坦的好奇心到量子信息革命

 
- 编者按 -
 
1月12日,由智识学研社、知识分子、赛先生和墨子沙龙主办的2020年新年科学演讲在北京举行,聚焦量子信息革命,量子物理学家、中国科学技术大学教授潘建伟奉献了一场关于量子的精彩演讲。
 
今天,量子信息技术正在引领一场新的科技革命,这个革命和历史上其他的几个革命一样,将深远地影响着这个世界。在演讲中,潘建伟以通俗而不失严谨的语言,回顾了量子力学百年来的发展历程,介绍了现代信息技术当前所面临的挑战,以及第二次量子革命如何引领新一代信息技术的发展。
 
以下演讲内容为知识分子根据现场演讲整理而成,未经潘建伟院士本人确认。
 
讲者 | 潘建伟
 
各位晚上好!非常高兴有机会能够做2020新年科学演讲。
 
今天我报告的题目是 “从爱因斯坦的好奇心到量子信息革命” ,让我们从爱因斯坦的观点开始讲起。
 
爱因斯坦相信上帝是不掷骰子的,这里面的基本含义是什么呢?学过牛顿力学的人都知道,根据牛顿力学,一旦体系的初始条件是确定的,力也是确定的话,就意味着,所有粒子未来的运动状态都是可以精确预言的。继续往前想一步的话,好像我们的世界就是决定论的,包括今天的演讲,可能很早之前就已经决定好了。如果真是这样的话,个人的努力还有意义吗?
 
比如前一阵子,我跟饶毅和颖一商量,决定要在一月几号做一个新年演讲。我们以为是自己做出了决定,但实际上可能并不是这样的。不知道大家有没有看过一部科幻片《西部世界》?我为了能跟年轻学生比较好的交流,常常会努力看一些他们推荐给我的比较新潮的影视剧。看《西部世界》的时候,前面一两集没有看懂——有一个人被打死了,一会儿做梦,又活过来了。后来看明白了,原来 “西部世界” 里面大多数是机器人,少量的人到西部世界探险,可以任意决定机器人的 “命运”。
 
在《西部世界》里,有一位漂亮的女士,她以为她自己是有自由意志的,但是程序员告诉她,其实你是机器人,你讲的每一句话,我事先都设计好了,这就是决定论的一个困境。
 
牛顿力学可以精确预测行星的轨道:什么时候到哪儿,都能计算出来;整个世界进程什么样,尽管有些时候计算能力有限算不明白,但按照牛顿力学的理论,结果总是确定性地往下运行。
 
但是大家内心深处其实是不太喜欢决定论的。霍金曾经讲过,“即使是相信一切都是由上天注定的人,在过马路的时候,也会左右看一看,以免被车撞到。” 所以,我们内心深处并不相信牛顿力学导致的决定论是世界运动的最终本质。
 
波函数:量子力学的解释
 
能不能通过物理学来研究一下这个问题呢?让我们从量子力学开始讲起。
 
让我们先从一个非常简单的单缝实验开始:有一条缝,光源照过去,有强度分布,中间最亮,两边慢慢变暗。这个实验很简单,我们每天都可以重复做,拿手电筒一照就可以了。但是有些科学家说,如果把光的强度进一步减弱,会有什么样的结果呢?
我们再来重复做这个实验,把光源不停地减弱,结果在屏幕上发现,在每个确定的时刻,看到一个点、一个点出现。实验重复了很多次之后,分布跟左边图的分布是完全一样的。但是单次实验当中出现的是一个点,这就引出了所谓的单光子概念。后来的科学告诉我们,其实光是由很多小颗粒组成的;这些小颗粒就是光能量的最小单元,叫做光量子。
 
量子的概念最早是普朗克提出来的,普朗克从某种意义上来讲,应该算是旧量子力学的祖父,爱因斯坦和玻尔是旧量子力学之父,他们又是新量子力学的祖父,海森堡、薛定谔和狄拉克等则建立了新量子力学——真正有方程去求解的量子力学。
 
所谓量子,其实就是能量的最基本携带者,具有不可分割性,在屏幕上每次都是以一个小点的形式出现;它也是构成物质的最基本单元,所以,原子、分子等也都是量子的基本范畴。
 
我们继续来做实验。这次做双缝实验,第一次我只开左缝,会看到左边的很多小点,最后的分布就是这样的高斯分布;我再打开右缝,又看到很多小点,也是高斯分布。有这样的结果出来之后,我们可以问一个问题:如果两条缝同时都打开的话,应该看到什么现象呢?
我想,在座各位很容易得到逻辑分析的结论。首先,单光子是不可分割的,单次的过程当中,应当从某一条缝过去。左缝过去的光子应该不受右缝的影响,两条缝都打开的时候,应该是一种简单的概率叠加,最后变成同时开双缝的时候,应该这也是高斯分布。
 
下面来做一下这个实验,到底跟逻辑分析的结论是不是一致的呢?大家可以看到,如果两条缝都打开的时候,屏幕上光子数目越来越多的时候,就出现了干涉条纹。我们做实验的人马上就会想到,这不是波的现象吗?因为经典的电磁波、水波、声波里面都有非常明显的干涉现象——波峰+波峰就是干涉增强,波峰+波谷就是干涉相消。如果按照经典物理学,光是电磁波的话,那么有干涉现象是非常正常的。
但现在的问题是,为什么不可分割的粒子表现也像波一样呢?按照道理是强度叠加,怎么变成了这么一种干涉的叠加了呢?
 
在量子力学里面,按照玻尔和海森堡的观点,首先光子确实是一个粒子,但是它在自由飞行的时候,光子状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前,光子没有一个确定的位置。波函数告诉我们的信息只是在某一个点上探测到光子的概率是波函数的模平方;通过双缝之后,波函数的干涉就会影响光子出现的概率分布,就类似于经典波干涉一样。他们认为在自由飞行的时候,波函数本身代表一个光子,光子在各个地方都同时存在。
 
按照他们的观点,最后在屏幕上探测到光子的时候,光子就会坍缩成一个点,随机地出现在某个地方。我们重复实验很多次,最后的结果告诉我们,单光子像波一样,是同时通过两条缝,但是光子的位置是完全不确定的,屏幕上是随机出现在某一点,出现在某个点的概率,是由两个波函数相干叠加决定的。
这样重复很多次实验,我们就能够看到干涉条纹,但是单次的过程当中,它都是一个光子,并且可以出现在很多地方。因为看到了干涉,量子力学就用波函数的形式来解释这个现象。
 
但是对于这种理论,爱因斯坦并不满意。他说是的,如果你看到了干涉条纹,我们只能认为光子同时通过两条缝;但是如果我一定要坚持,一个光子是一个颗粒,只能通过某一条缝,那么我是不是应该做实验看一下,光子到底从哪边过去的?
 
这样我们接着做一个实验:在每条缝后面放一个原子,光如果从左边过去,跟原子轻轻碰撞一下,通过测量原子反冲的动量,我们会知道光子是左边过去的;如果右边的原子被撞了一下,我们就知道光子是从右边过去的。如果去看光子的路径,在每次实验当中,我们只看到一边的原子会反冲一下。这个实验证明,光子确实是通过某一条缝过去的。
但现在我们就遇到麻烦了,当我们知道光子从哪一条缝过去的时候,干涉就消失了,又变成了概率的叠加。最后总的结果是这样的,如果知道光子路径的话,就没有干涉条纹;如果出现了干涉条纹,那么我们的实验是没有办法来判断光子路径的,这就是我们遇到的这么一种困境。
 
上帝掷骰子吗?
 
遇到这种困境之后,两种观点就开始争论了。
爱因斯坦相信上帝不掷骰子,他觉得我们应该有一个确定规律可以算出来。玻尔则说,你不要告诉上帝祂能够做什么,上帝自己来决定祂能够做什么。
 
玻尔的观点是,光子的路径在没有测量之前是不确定的。它的路径到底怎么样,取决于你有没有去看它。你去看的话,它在某一条路径上;你没有看,就是在两条路径上,处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。
 
但爱因斯坦认为,光子的路径是可以预先确定的,只不过量子力学目前能力太差,没有掌握真正的自然界的规律。其实可以设计一个隐变量,让光子变得聪明一些,也可以同时来解释两类现象。
 
爱因斯坦的隐变量理论是这样的,首先无论如何,我相信光子是确实从某一条缝过去的,不管有没有在看。但他同时认为光子是比较聪明的,具有自然规律所允许的所有能力,它可以预先决定不同的概率分布。
什么意思呢?所谓的隐变量,它可以决定实验最后的结果。在一次做实验当中,如果两条缝都开着,一个光子飞过来的时候,隐变量就故意 “命令” 光子跑出这种干涉的分布,尽管光子是从某一条缝钻过去的;如果只有一条缝的时候,隐变量就 “命令” 光子跑出这样的高斯分布,以至于最后是概率叠加。对于这样的观点,没有办法反驳,因为原理上确实可以这样,但人们又并不知道所谓隐变量到底是什么机制,在实验上没有办法证实。
 
所有的单粒子实验当中,隐变量的理论和量子力学理论,最后都可以来自洽地解释双缝干涉的实验结果。
 
大家很烦恼,上帝到底掷不掷骰子?如果掷骰子,人可能还有一点自由意志;如果上帝不掷骰子,我的命运和做什么事情,都是方程决定的。这个问题很重要,上帝到底掷不掷骰子,跟人到底有没有自由意志,某种意义上是联系在一起的。
 
第一次量子革命
当时大家觉得爱因斯坦和玻尔是闲着没事干,反正薛定谔方程可以把氢原子能谱等等算得非常精确,用就行了。在应用量子力学规律的过程中,产生了很多的技术革新:核能、晶体管的发现、激光的发明、核磁共振、高温超导材料、巨磁阻效应的发现等。通过量子规律的被动观测,即使在宏观世界的体现应用,也已经很大程度上改变了我们的生活。某种意义上来讲,量子力学是现代信息技术的硬件基础,数学是软件基础,数学和物理结合在一起,奠定了整个现代信息技术的基础。
正是有了半导体,才有现代意义上的通用计算机;然后在加速器的数据往全世界传递的过程中,催生了万维网;为了检验相对论,利用量子力学构建非常精确的原子钟,在原子钟的帮助之下,可以进行GPS卫星全球定位、导航等等,第一次量子革命直接催生了现代信息技术。
大家经常讲,我们现在为什么有卡脖子的问题,其实可以看到,一部手机里面凝聚了很多跟量子力学相关的基础物理、基础化学成果:半导体器件是2009年诺贝尔物理学奖、集成电路是2000年诺贝尔物理学奖等等,一部手机当中,有八项诺贝尔奖成果在里面。如果基础研究不行的话,我们被卡脖子是一个难以避免的结果。
 
现代信息技术遭遇的两大挑战
 
随着信息技术进一步发展,逐渐地遇到一些了问题。一个问题就是信息安全瓶颈。实现信息的安全传送,自古以来就是人类的梦想。
在公元前7世纪,古希腊斯巴达人用加密棒,把一个布带缠到加密棒上,写上 “明天发动攻击”(attack tomorrow),命令发布完之后,如果别人没有同样半径的加密棒的话,信息是读不出来的,这是最原始的加密方法。
 
后来到了公元前1世纪左右,凯撒大帝发明了更好用的办法——把26个字符移动一下,这样移动完之后,“明天发动攻击” 就变成DWWD等等,只有预先约定的人知道这个命令究竟是什么。
 
这样一些非常聪明但很古老的加密算法,其实可以用字符出现频率的方法加以破解。英语中A出现的概率是8%,B出现的概率是1.8%,等等。不管字符怎么变化,只要文字是固定的,我们拿出来算算字符频率,出现8%就是A,出现1.8%就是B。一封信如果有几千个字符,很大概率可以被破解。
 
二战期间,人们又设计了更加复杂的密码,到后来还有RSA公钥加密算法,但是随着计算能力的提高,这些都被破解了。2017年,利用在座的王小云教授发明的一种方法,把SHA-1算法破解了。
 
前面的历史告诉我们,有矛必有盾,基于计算复杂度的经典密码,总有方法可以破解掉。大概在一百多年之前,有一位作家写了一句话:“人可能不够聪明,以至于没有办法构建一种我们自己破解不了的密码。”
 
我们遇到的另一个问题是难以满足人类对计算能力的巨大需求。最早的时候,1940年代的 Colossus 计算机,重量1吨,功率8.5千瓦,每秒运算速率五千次,当时人们觉得这已经很快了,按照IBM的前总裁 Thomas Watson 的说法,全世界大概只需要五台这样的计算机就够了。
 
但是到了2010年的时候,是一个什么样的状态呢?其实每个人拥有的智能手机已经可以每秒钟运算5万亿次,功耗不超过5瓦,计算能力是当年美国阿波罗登月计划计算能力的总和。
随着大数据时代的到来,全球数据量以指数的增长,每两年翻一番,对计算能力的需求非常巨大。
 
一般来说,我们通过加强芯片的集成度来提升计算能力。但是目前,摩尔定律马上就要逼近极限了,估计再过十年,就会达到亚纳米尺寸。这样的话,前面讲到的干涉效应就会出现,0不一定是0,1不一定是1,晶体管的电路原理将不再适用。
 
怎么解决信息科技面临的这些问题?在研究爱因斯坦百年之问的过程当中,目前的量子力学已经初步地为突破信息安全和计算能力的瓶颈做好了准备,而且也为回答上帝到底是否掷骰子提供了可能的答案,因为这是跟自主意识、自由意志紧密相关的。
 
量子叠加、量子纠缠与量子非定域性
 
到底是怎么联系在一起的呢?让我们先来考虑一个最简单的量子系统。
 
在日常生活当中,一只猫,要么是活的,要么是死的,这两种状态就可以代表一个比特的信息。
 
根据量子力学,量子世界中的一只猫,当我们没有去看这只猫时,猫可以处于死和活状态的相干叠加。但是对于这两种观点,爱因斯坦说,我可以用隐变量来构建,反正你也不能说服我,它还是可以确定地处于死和活某种状态,不是处于相干叠加。
 
他为了反驳量子力学,进一步考虑了多粒子体系。在讲多粒子体系之前,先讲一下量子比特到底是什么东西?
 
其实任何两能级的系统都可以实现一个量子比特,例如可以用光子的两个极化状态,来代表0或者1。左上方光子沿着垂直方振动叫做1,沿着水平方振动叫做0,可以代表两个状态,如果让它偏转一下,朝着45度振动,其实就是属于0+1状态相干叠加了,沿着135度振动其实就是0-1的相干叠加。光子的极化其实可以沿任意方向振动。
我们怎么测量光子的极化状态呢?如果有一个光子是0+1的状态,但是我们并不知道它是什么状态。我来测量它,可以用一个小晶体,叫做极化分束器,对那些水平极化的光子全部穿透;对于竖直极化的光子则全部反射。如果在后面再各放一个单光子探测器,它每次实验当中,要么就左边有响应,要么就右边有响应,可以证明每次发射进来的是一个单光子。
如果光子处于45度极化的话,测量后就有50%的几率处于水平极化,50%的几率处于竖直极化。测量前属于两者的相干叠加,测量后则以一定概率处于这两种状态里的某一个,这就是最简单的量子测量。
当然,我们也可以换一个方向来测量,让45度的光子反射,135度的透射。不管怎么说,测量的结果不仅取决于被测量的量子态,也取决于测量的方向,沿着两个正交的方向,各有一定的概率,得到两个测量结果。
 
讲完这个之后,可以得到一个定律。在日常生活中,给你一张纸,上面写着 “饶毅” 两个字,看一下不会改变 “饶毅” 两个字的内容,而且可以制备出很多个 “饶毅” 的名片来,没有任何问题。但是这一点对于量子就不行了,原来是处于0+1,测量完之后,要么变成0,要么变成1了。
如果事先状态属于叠加状态,测量完以后,会变成两个状态当中的一种,也就是说对未知的量子态的测量会扰动初始状态。如果这个状态事先未知的话,便没有办法获得原件的全部信息,于是对未知量子态就没有办法进行精确克隆。这就是量子力学因为有叠加之后和经典物理学观念的一个非常大的不同。当然,也有人说可以用爱因斯坦隐变量的理论回到经典物理学所描述的确定的状态。
 
爱因斯坦认为,既然单粒子实验不能确定隐变量、量子力学两种理论谁对谁错,那么应该再往前走一步,于是他在1935年提出了“量子纠缠”的概念。
他认为如果量子力学是对的话,那么就允许两个骰子始终处于一种精确的关联:你掷出的结果是6,我也一定是6;你掷出的结果是1,我也一定是1等等。从实验上讲,假如有01-10这种两粒子纠缠态,沿着任意方向来测量的话,都有一种非常奇怪的结果。比如沿着水平/竖直方向测,如果测到粒子1处于水平极化,粒子2就一定处于竖直极化,就是0和1;如果测到粒子1处于竖直极化,粒子2就处于水平极化,就是1和0;如果是用45/135度测,这边的测量结果是45度,那边就是-45度;这边的测量结果是-45度,那边就是45度。只要按照同样方向测,两个粒子的测量结果会完全相反。
 
爱因斯坦进一步做了一个思考。他认为如果两个粒子处于刚才所说的纠缠态,在T1的时候,完成了对粒子1的测量;在T2的时候,完成对粒子2的测量。现在爱因斯坦提出了一个类空间隔的概念。这是什么意思呢?如果T2减去T1,是小于光从粒子1飞到粒子2所用的时间的话,也就是说,两个粒子完成测量的时间差是小于光从左边飞到右边的时间的话,爱因斯坦认为,既然光都来不及通风报信——光是跑得最快的,每秒钟30万公里——粒子1测量的结果跟粒子2的测量结果是完全独立的,因为任何能量都来不及从粒子1传到粒子2这个地方。
但是根据前面讲到的,你是1的时候,它必定就是0;你是0的时候,它就必定是1。也就是说,只要测量了粒子1的状态,就可以精确地预测粒子2的状态。这么一来,我去测量粒子1,又不影响粒子2,但我又可以知道粒子2处于什么状态,那么对于两个粒子的测量结果,在没测量之前就应该是存在的,而不应该是测量后才决定的。
 
所以爱因斯坦得出这么一个结论,物理量的值是预先确定的,与是否执行测量无关,这个就跟他的隐变量是一样的,叫定域实在论。
 
但是量子力学告诉我们,单个粒子的物理量在测量前是没有确定状态的。对粒子1的测量,不仅仅决定它自身的状态,而且也瞬间决定粒子2的状态,无论它们相距多么遥远。
 
但是到这一步为止,定域隐变量也好,量子力学也好,也是给出同样的预测的,没有办法检验谁的观点是对的。
 
爱因斯坦错了吗?
 
很抱歉,我一直想避免用数学,但是在这个地方我会用一点数学,我觉得每个人其实都能够掌握的。
 
我只选定三个方向,对粒子1沿着abc三个方向测量结果;对粒子2也是沿着abc三个方向测量结果。总共只有八种可能。
粒子1沿着每一种方向测量有两种结果:0或者1,对于粒子1沿abc三个方向的测量结果一共就8种组合,000,001,010,011,100,101,110,和111;对于粒子2也是这么几种组合,但它同时要满足精确相反的测量结果,比如粒子1沿a的测量结果是0的时候,粒子2沿a的测量结果就要是1;粒子1沿b的测量结果是0的话,粒子2沿b的测量结果就要是1;粒子1沿c的测量结果是0的话,粒子2沿c的测量结果就要是1,等等,因此总共只有8种组合。
 
下面贝尔(Bell)就来推导了。他说,如果对两个粒子的测量结果都是预先确定好了的话,那么我们从这8中已经存在组合里面挑出几个事例来。第一种,粒子1沿着a的方向测量结果为0,同时粒子2沿着b方向的测量结果为0的概率,我们把它记为P(a0,b0),那么概率应该是P3+P4。因为从这个表里面可以看出来,只有P3和P4两项满足要求;第二种,粒子1沿着a的方向测量结果为0,粒子2沿着c方向的测量结果为0的概率P(a0,c0),它就等于第二项和第四项相加。在考虑第三种情况,粒子1沿着c方向测的结果为0,粒子2沿着b方向的测量的结果也是0的概率P(c0,b0),是P3+P7。接下来我们可以得到这么一个非常简单的数学公式P3+P4≤P3+P4+P2+P7。定域实在论说这个公式肯定成立的,因为概率总是大于等于0,不可能小于0。
 
 
也就是一个矛盾的结果:0.25≤0.1464。这么一来的话,如果实验证明出来,P(a0,b0)确实等于0.25,而P(a0,c0)+P(c0,b0)确实是0.1464的话,就证明爱因斯坦的定域实在论就错了。
 
上面是一个比较简单的例子。贝尔在1964年的时候得到了一个一般性的不等式,我们叫它贝尔不等式。这个不等式告诉我们,可以对两个粒子的各种测量结果进行一种组合得到一个值,按照定域实在论,这个值应该不超过2,而按照量子力学,这个值最大可以到2√2 。这样一来,我们通过实验去检验一下,这个值到底能不能超过2,就能够验证爱因斯坦的定域与实在论和量子力学到底哪个正确了。经过1935年到1964年近30年的努力,我们总算把这个问题搞清楚了:原来上帝到底掷不掷骰子这个问题,可以有一个不等式,在实验上是可以来验证的。
有意思的是,量子纠缠第一个实验,是由华人科学家吴健雄在1950年做的,但那个时候她还不知道贝尔不等式。随后到1972年、1976年一直到2015年,很多科学家做了大量的实验,所有实验都证明量子力学是正确的,当然还存在一些漏洞。
比如在1972年和1976年的实验当中,虽然确实对两个粒子都测量了,但是这两边测量的时间太长,T1和T2的时间差,远远长于光需要过来的时间,这个时候不需要用任何量子纠缠,两边搞一个约定也可以来违背贝尔不等式。
 
到1982年的时候,一位法国科学家借用当时美国科学家的仪器,让两边仪器测得非常快,实现了类空间隔的测量。但还有一个问题是,测量方向不是随机选择的,而是事先预定的。事先预定的话,又给爱因斯坦的定域隐变量留下空间了,因为如果事先可以看到准备沿着什么方向测的话,那每次测量前隐变量把测量结果准备好就可以了。
 
一直到1998年、2001年、2015年,科学家才基本上把这些漏洞给关闭了,但是还存在着几个漏洞。
 
但不管怎么说,有了这批实验之后,我们就可以在很大的程度上相信上帝确实是掷骰子的。就是说,我们应该找不到更高等的理论了,因为这个证明太普遍了,这个公式连初中生都会推,它是一个非常基本的结论。因此我们就可以得到这么一个结果,物理量的值不是预先确定的。在经典世界,一个粒子有确定的动量和位置,但在量子世界,在一些特殊条件下,没测量之前,粒子的动量是不确定的,位置是不确定的,而且观测者的行为,也就是量子测量,是可以影响到客体的演化。而且这个不确定连上帝都不知道,因为所有自然界允许的可能都已经在隐变量里包括了,这个结论是非常强的。
 
同时量子力学也告诉我们另一个有趣的可能。如果你对这个量子状态事先不知道,你就没有办法精确克隆,这就跟我们经典计算机不一样。如果大脑跟经典计算机一样的话,就可以复制出两个“潘建伟”来,这个时候我的女儿不知道该叫哪个人爸爸了。但是一个原子状态你都没有办法精确复制,所以其实我们每个人从某种意义上来讲是独一无二的,这是让人非常满意的。
 
为什么现在仍要继续研究量子纠缠?
 
我们为什么还要继续往前做呢?因为还并没有真正做完。刚才我讲到还有几个漏洞,其中一个是,对于两个粒子的测量方向,需要是随机选择的,如果不是随机的,就可以用隐变量来作弊。一般我们需要有随机数产生器来随机地选择测量方向;但问题是随机数产生器在做实验之前就已经存在了,所以其实两台随机数产生器完全可以事先故意约定好一些数字,在这种情况下测量方向的选择,并不是真正随机的,也不是真正类空间隔的,我们又掉到原来的陷阱里了。
 
另外一类就是类似于薛定谔猫的概念:把一只猫关到黑盒子里,你没去看这只猫的时候,它是可能处于又死又活状态的叠加;只有你去看的时候,它才变成了死或者活的状态。人没去看之前,量子系统其实可以一直处于0和1的状态的叠加,只有人去打开盒子一看测量结果是什么的时候,这个测量的过程才是真正完成的。
 
所以,我们以往的实验,尽管仪器会告诉你,这次测量得到了一个什么结果,但如果没有人去确认测量结果的话,事实上可能并没有真正完成测量。结果就是测量的时间其实很长,并没有处于类空间隔。要真正把贝尔不等式的检验完全做完的话,其实应该有人参与,目前人唯一相信自己可能有自由的意志,那么就是要把仪器变成人,人来随机选择测量的方向,由人来确定测量过程的发生。
 
但问题是,人的反应比仪器慢得多,0.1秒左右。如果要两个人做出反应也处于类空间隔的话,就要求纠缠的分发距离远远大于光在0.1秒内飞行的距离,大概得是月亮和地球之间那么远(1.28光秒),才能来做这个实验。
 
当然也许有人说,算了,别做了,这没什么意义。但是我们知道,当年测光速的过程当中,发现了对于原来伽利略速度叠加原理的偏离,这才导致了相对论的诞生。从这个意义上讲,我觉得这个方向继续做下去还是非常有意义的。
 
第二次量子革命
 
前面都是量子力学的基础,下面讲讲具体应用。
 
从1935年开始,科学家们经过努力之后,到1950年产生量子纠缠,1972年开始往后做,最后发展出了比较好的技术,能够对1个个量子状态进行主动操纵,可以实现单光子产生、操纵和探测。这个过程其实非常困难。比如一个15瓦电灯泡,每秒钟发射出1021个单光子,要从1021个光子里面拿出一个一个光子来去做信息的处理,这在实验的技术上是非常困难的。在进行量子力学非定域性检验的过程当中,我们就逐渐掌握了这样一种能力。
 
一旦你能够从下往上对微观粒子进行组装、操纵的话,其实就掌握了搭建整个世界的每一块积木。这种进步相当于从孟德尔被动观察得到遗传定律,到基因工程主动调控生命形态的进步一样。所以,就可以从对量子规律被动的观测和应用变成了对量子状态的主动调控和操纵,这样就产生了第二次量子革命,那就是量子信息技术。
 
从下往上对微观粒子进行组装、操纵,就掌握了搭建整个世界的每一块积木。
 
量子信息技术主要有两方面:一个是量子通信,可以实现原理上是无条件的安全通信方式,二是量子计算可以提供一种超快的计算能力,两者都跟量子叠加紧密相关。
 
量子通信的一种应用是量子密钥分发,原理其实很简单。单光子不可分割,所以我用一个个光子来传输密钥的时候,窃听者不可能砍走半个光子,他拿走了,接收者就收不到了,这个光子也就没用了。那么窃听者能不能复制一份?前面讲过了,量子不可克隆定理,测量的话,必然导致干涉条纹消失;通过观测干涉条纹是否消失,就知道你的光子状态是不是被别人窃听过。也就是说,在量子密钥分发的过程中,原理上存在窃听是一定会被察觉的,我们就丢弃那些存在窃听的风险密钥,保留安全密钥,再加上“一次一密”的话,加密内容就不可破译,这是基于物理学原理的无条件安全。
我们也可以利用量子纠缠,把量子态从一个物体传送到另外一个物体上,但原来的信息载体不用传送过去。比如说,我在上海有一个微观体系,它可以由几千、几万个甚至更多的原子组成。如果上海和北京之间有很多的纠缠原子,要把上海的体系传到北京来,我可以把上海的体系和在上海的纠缠原子做一个联合测量;测量完以后,我可以把测量结果,通过无线电台发送到北京,北京只要对手中原子进行操作,我就可以把上海的体系重新给制备出来,就相当于在上海的这个体系被传送到了北京一样,但我们并没有把上海的一个个原子给送到北京。
这个地方有一个问题,是不是瞬间移动呢?不是的。因为你要把在北京那些原子变成跟上海的体系一样,需要等待上海测量结果传过来,不能超过光速。
 
那是复制品吗?也不是,因为在上海的测量过程当中,并没有试图去得到上海这个体系的任何信息,也就是并没有试图去测量0+1而变成了0和1,本质上是一个量子态传输的结果,不是一个复制品。但是这个方法能不能传送人,我不知道,因为可能会受到热力学定律限制等等,现在还不清楚。但是几十、几百个原子的状态,只要操作得足够快,就可以在网络里传来传去,这样一种操作便构成了量子计算机的基本单元:量子信息在网络里可以走来走去之后,就可以利用量子叠加来进行量子信息的处理,这就是量子计算机。
经典计算机里,一个比特处于0或1两种状态之一,两个比特则处于四个状态里的某一个。但在量子计算机里,四个状态可以同时存在,随着量子比特数越来越多,同时叠加存在的状态数是指数增长的。利用量子比特这样一种叠加的性质,我们可以设计一些相关的算法。这些算法可以快速分解大数、快速求解线性方程组等等,如果造出来,可以应用于破解经典密码、人工智能、大数据等等,所以量子计算有着非常广泛的用途。
 
量子通信,渐行渐近的安全信息传输方式
 
量子通信的发展目标,是要在更大的范围里,实现安全的信息传输。它的发展路线是,通过光纤实现城域的量子通信网络,通过中继实现城际的量子网络,通过卫星中转实现远距离量子通信。在量子通信这一领域,中国科学家有很多好的贡献,包括在座的清华大学的段路明教授,在量子中继方面做了很好的工作;在光纤城域网络,清华大学王向斌教授做了非常好的工作,我们也有一些相关合作。
 
2007年我们首次把光纤量子通信的安全距离拓展到一百公里,2008年建设了一个小型网络,2012年建成了规模化的量子通信网络,并投入了永久使用。最后慢慢把这些局域网,一个一个连起来,变成现在的 “京沪干线”,这个是基于可信中继技术。将来最终解决远距离量子通信这个问题,最好能用到量子中继,目前大家正在研究过程当中。
 
而以目前的技术实现远距离的量子通信,则需要卫星的中转。通过十几年的努力,我们研制成功了国际上第一颗量子科学实验卫星 “墨子号”,在2016年8月份成功发射。
“墨子号” 有三大科学实验任务。第一个是星地之间的量子密钥分发,在1200公里的距离上,目前每秒钟点对点可以送十万个安全密钥,这比相同距离光纤的传输速率提高了20个数量级。第二个任务是实现了德令哈到乌鲁木齐,德令哈到丽江之间,距离都差不多是1200公里的量子纠缠分发,验证了即使相隔上千公里,量子纠缠之间的诡异互动也是存在的。第三个任务是实现了上千公里的量子隐形传态,这些工作都是在2017年完成的。“墨子号” 实现的天地之间的量子通信,再加上 “京沪干线” 所实现的千公里级光纤城际量子通信网络,一起构成了天地一体化广域量子通信网络的雏形。这是国际上量子信息领域两个标志性事件之一,另外一个是稍后会讲到的谷歌首次实现量子优越性。
 
在“墨子号”成功实施之后,2017、2018年左右,欧盟启动量子旗舰计划,美国启动国家量子行动计划等等,量子信息在全球开始热起来了。最近我们又做了比较有意思的实验,利用量子纠缠做密钥分发。这种方法好在什么地方?在这个实验里,即使卫星由你的敌人制造的,只要最后发现贝尔不等式能够违背,也就是量子纠缠能够存在,密钥分发的安全性也是可以保证的。这个角度上来讲,将来密钥由敌人提供也是可以的,因为你的敌人不可能知道密钥的内容,这是由上帝掷骰子来决定的。
在“墨子号”基本任务完成之后,我们就想能不能用量子卫星来做一些跟广义相对论、跟引力相关结合的工作。大家都知道,目前融合广义相对论和量子力学的尝试,困难在于理论模型的检验需要极端的实验条件,例如极小的空间尺度10-35米,或者是极高的能标1019Gev。后来有些科学家提出新的引力模型,比如这个 Event Formalism 模型。根据它的理论,引力会导致量子纠缠的退关联。
 
2018年的时候,我们用 “墨子号” 做了一个实验,验证了至少在现有的精度下,第一种简单的 Event Formalism 模型被验证是不准确的。后来理论工作者改进了这个模型,进一步验证的话,那就需要上万公里纠缠的分发。我们还有很多工作要做。
 
非常有意思的是,我们从量子力学的基础问题出发,产生了具有实用价值的技术,而技术的发展又能够为基础物理的检验做一些工作。
 
量子计算未来如何发展?
 
最后,简要介绍一下量子计算发展的三个阶段。
第一阶段,是谷歌已经实现的,我们叫做量子优越性。就是针对某一些特殊问题,要造出一台量子计算机来,这个机器比目前的超级计算机算得快,大概需要的比特数是50个左右。
 
第二阶段,我们希望能够操纵四五百个量子比特,这样来构造一种专用的量子模拟机,对有些复杂的物理系统,比如高温超导机制,新材料设计等,目前的超级计算机算不了的问题,我们能够来算,解决实实在在的问题。当然更远的未来,20年、30年之后,也许能造出一台可编程的通用量子计算机,这需要各种体系来开展相关工作。比如在座的薛其坤教授做拓扑量子计算,段路明是做离子阱量子计算,我们是做超导、光和超冷原子的量子计算。
 
刚才讲到量子信息领域另外一个标志性事件,就是2019年10月23日,谷歌宣布率先实现了量子优越性。他们的系统名字叫做 “悬铃木”,大概能操纵53个超导量子比特,它需要200秒算完的工作,目前世界排名第一的“顶点”计算机大概需要算一万年左右。后来IBM又说,如果有足够的内存、改进算法的话,用经典的超级计算机只需要几天就可以。但不管怎么样,谷歌的量子计算机确实比超级计算机算的快。
 
除了我刚才讲到的在座几位同事做的系统之外,我国的研究主要集中在三个方向:
 
第一,光量子计算,最近我们做到了相当于48个量子比特的结果,今年大概能够实现50个光子相干操纵,也能够达到量子优越性。但是我们的技术途径跟谷歌不一样,谷歌是用随机线路采样,我们是用玻色采样,玻色采样的“量子优越性”有严格证明。如果做到这一步,预计比“顶点”计算机快1亿倍左右,我们希望今年6月份到9月份能够完成相关的工作。
 
第二,在超导量子计算方面,确实跟谷歌相比,还是有一定的差距。最近我们已经达到了24个超导量子比特,希望在今年年底,我们能够做到60个左右的量子比特,也能够达到谷歌去年的结果。
 
第三,有了这个结果之后,我们下一步干什么?希望能够像费曼所说的,来真正解决一些物理学、化学、材料科学里面很重要的,但是用经典计算机解决不了的这样一些问题,这大概需要操纵几百个量子比特,目前已经有比较好的进展了。
 
在今年稍后会发表的一个文章里,我们大概已经能够实现一百个原子的纠缠,这样的话,在对一些特定问题的量子模拟方面,大概就能够达到目前全世界计算能力总和的一百万倍。为了实现这一目标,我们发展了一些非常精致的技术,包括把原子冷却后,保证每个格点只有一个原子,并且可以精确操纵两个原子之间的相互作用。当然,在这之前已经有一些比较好的结果了,比如利用我们的一些量子模拟的手段,可以把理论上算不清楚的预言,在实验上先测出来。去年我们有一个比较好的结果,就是利用量子模拟,获得了包含49个电子强关联分子体系的超高精度势能面的测量,49个电子的强关联体系目前为止理论上是完全算不动的,所以有比较好的结果。
 
未来会是什么样?在量子通信方面,我们希望能够在外太空搭建一个非常准的光钟,这个光钟的稳定度大概会达到10-21,也就是大概10万亿年的误差都不超过1秒钟。再结合我们的广域量子通信技术的话,用两个这样的光钟进行时间比对,就可以提供一种引力波探测的新途径,从而来揭示更加丰富的天文现象。
 
当然我们希望将来可以在地球和月亮之间的拉格朗日点有一个量子纠缠光源的载荷,如果我们国家未来有登月计划的话,在月球上有一个地面站,我们就可以在地球和月亮之间开展光秒量级距离的、有观测者参与的量子力学非定域性的检验。
 
经典计算机是决定论的,经典人工智能无论多么聪明,我们觉得那还是一个机器人。但是量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来,有的科学家也有一些猜测,量子计算机可能跟人类的大脑有一些相通之处。这样的话,我愿意引用姚期智先生之前在上海的一个演讲:可不可以这么理解,人工智能是一种软件技术,量子计算是硬件技术,人工智能和量子计算结合到一起的时候,其实是人类自己创造出了一个非生物体的 “小孩”,这个小孩从某种意义上来讲,可能比我们更聪明,甚至可以超越人类的智慧。
 
我的演讲就到这里。谢谢大家!
 
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