量子飞跃中的中国成果及前景

延军+金慧楠

编者按：在世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生前夕，4月28日，中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟教授应邀为市人大常委会理论学习中心组作了《量子飞跃：从神话传说到哲学到信息科技》报告。本刊特约记者围绕有关内容进行了专访。

【人物介绍】潘建伟，现任中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家，中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任。2016年1月，潘建伟领衔的团队荣获国家自然科学奖一等奖。他还被评为“感动中国2016年度人物”。

“墨子”沉寂千年 王者归来

记者：请您谈谈去年我国发射首颗量子科学实验卫星的反响？为什么取名叫墨子号？

潘建伟：去年8月16日，我国发射了世界上首颗量子科学实验卫星，受到国内外学术界、公众媒体的广泛关注，美国、英国、欧洲的众多著名新闻媒体都作了报道。2016年底，英国《自然》杂志把量子卫星、引力波等成果列为影响世界的重大科学事件。全世界最有影响的科普杂志之一《科学美国人》杂志评选了2016年度改变世界的十大创新技术，量子科学实验卫星也是其中一项，也是唯一来自美国本土之外的项目。

为什么把首颗量子科学卫星取名为墨子号？主要源于中国古代科学家墨子。研究科学史的英国科学家李约瑟通过考古发现，墨子在《墨经》中很早就提出了许多科学概念，如，他提出小孔成像原理，证明光是沿着直线传播的，成为照相机原理，也构成了光学最基本基础。原子的概念也是墨子很早就提出来了：“端，体之无序而最前者也”，与希腊哲学家德谟克里特同时期提出来的。墨子还提出了牛顿定律雏形：“止，以久也，无久之不止”，比当时西方科学家还要早。正因为如此，2016年底《华尔街日报》发表社评说，“沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅”，其中说到我国首颗量子通信卫星在世界上起到了引领作用。所以，将量子科学实验卫星命名为“墨子号”，体现了一种文化自信。

量子革命不是神话 打造梦幻传奇和重大机遇

记者：量子技术目前的应用主要体现在哪些方面？

潘建伟：第一次量子革命很大程度上改变了我们的生活。人们也许不知道量子力学是什么，却在生活中到处使用量子力学。从1900年量子论概念被提出开始，量子力学就应用在核能、核磁共振、晶体管利用等方面。对量子力学的研究和应用也催生了现代信息技术，例如第一台计算机就是在研究原子弹的过程中造出来。制造原子弹需要大量复杂的计算，用算盘或打草稿都不能完成这些计算，所以第一台现代计算机被发明出来用于解决原子弹制造过程中的计算问题；又比如，为了把西欧核子中心的实验数据向分布在全世界的科学家传送，诞生了互联网的雏形。

时至今日，需要引起注意的主要有以下两方面：

一是信息安全方面的问题。斯诺登事件提醒我们，一个国家如果不能保护信息安全，就会处于非常危险的状态。以后的战争是网络信息战争，是没有硝烟的战争。现在的语音技术可以模仿声音冒充身份，信息在传输途中可能被窃听，信息在传递时会被篡改等。传统的信息安全都是基于加密算法的，但是加密算法的安全性依赖于计算复杂度，随着计算能力的不断提升，传统的加密算法被破解的风险也越来越大。

二是计算能力方面的问题。大数据时代让很多人无秘密可言，但也有其好处。比如数据分析对医疗等起到很重要的作用，科学家可以通过提取和分析一个人一生成长过程中的各种数据，来研究对人类疾病的预防和治疗。大数据时代人类对计算能力的需求，可以用“贪得无厌”来形容。但是，目前人类所拥有的计算能力还相当有限，比如现在全世界的计算能力总和都不能在一年时间内完成对280个数据的穷举搜索。而且传统的计算能力发展模式，随着“摩尔定律”的逐渐失效，也面临着巨大的困难。

幸运的是，量子力学发展已为解决这些重大问题做好准备，以量子信息为代表的第二次量子革命正向我们走来。量子信息有三个代表性应用：一是量子通信应用，提供一种原理上无条件安全通信手段，即量子密钥分发；二是量子计算，提供超快计算能力，有效解决复杂计算问题；三是使测量精度超越经典极限。

具体来说，量子密钥分发是指收发双方利用单光子的量子态来加载信息，通过一定的协议产生一组密钥。单光子的不可分割性和未知量子态的不可复制性从原理上保证：一旦有人试图窃取这组密钥的信息，就必然会被通信方察觉。通信方这时可以丢弃存在窃听风险的密钥，在网络中换一条安全的线路继续生成密钥。换句话说，只要量子密钥分发双方建立起了密钥，就一定是未经窃听的“纯净”的密钥。通过这组密钥对经典比特进行“一次一密”的加密，就可以做到原理上无条件安全的通信。量子通信的安全性是基于物理学原理而不是计算复杂度的，不会因为计算能力提升而被破解，可以从根本上解决信息安全問题。

量子计算的计算能力随可操纵的量子比特数目呈指数增长，因此具有强大的并行计算能力。比如，对于在人工智能中广泛应用的求解线性方程组问题，求解一个亿亿亿变量的线性方程组，用目前最快的超级计算机需要100年，而利用量子计算机只需0.01秒。从这个角度来看，如果量子计算机能够研制出来，就可以解决大规模计算的难题，比如密码分析、气象预报、石油勘探、金融分析等。我可以引用麻省理工学院的《技术评论》发表的一篇文章说明这个问题：“当量子计算机发展到50个量子位的时候，就能够实现量子称霸，能够超过世界上任何传统计算机，能够解决任何传统计算机解决不了的问题。实现‘量子称霸，必将成为物理学和计算机科学的里程碑，虽然不能说出确切的时间，但应该为时不远。”

还有就是量子精密测量，也非常有用的。举一个例子：如果利用基于量子精密测量的自主导航技术，就可以保证水下航行一百天只有不到一公里甚至更小的偏差，这样就不用定期上浮用卫星来校准定位，可以长时间在水下潜伏。这一技术在汽车上也可以使用，不用北斗导航，可以实现自主导航。量子精密测量将来在医学检测、引力波探测、激光制导等方面都非常有用。

记者：请您对两次量子革命作一个小结。

潘建伟：第一次量子革命中所催生现代信息科技，已经对社会面貌和生活方式产生了巨大影响，而以第一颗原子弹为代表的核武器的研制，则从根本上影响了20世纪的政治格局。可以预期，以量子信息为代表的第二次量子革命，对未来信息时代的综合国力和国家的竞争力，必然会产生根本的影响，带来物质文明的巨大进步，同时也给了我国一个从经典信息时代的跟随者、模仿者转变为未来信息技术的引领者的很好的机遇。

立足全球 展望“国际性引领”“量子称霸”

记者：请您展望一下我国量子技术研究工作的前景。

潘建伟：在量子技术研究方面，我们已到深化发展、快速突破阶段。量子信息是科技前沿，是国家的战略需求，需要多学科交叉、各种技术融合来进行综合集成。根据习近平总书记的要求，中科院在2014年提出“率先行动”计划，成立了量子信息与量子科技前沿卓越创新中心，这是中科院首个启动的卓越创新中心，有合肥和上海两个基地，两地都已挂牌，分工各有侧重。未来，我们非常有信心，通过国家量子信息領域重大项目和国家实验室的实施，通过10-15年的努力，在量子通信方面，能够为构建有完整的全球化空地一体的广域量子通信网络体系奠定坚实的技术基础，同时希望能在国防、政务、金融、能源等领域率先加以广泛应用，并与经典通信网络实现无缝链接，最终能形成具有国际性引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统。在量子计算方面，全面突破量子比特高精度制备、操纵和大规模集成技术，实现100个以上量子比特的相干操纵，对特定问题的求解全面超越经典超级计算机，实现“量子称霸”，应用于解决高温超导和新材料设计等重大技术问题，在此基础上实现通用量子计算机的基本功能。在量子精密测量方面，实现高精度的量子导航技术，满足国家重大需求，同时将量子灵敏探测技术广泛应用于科学研究、环境监测、医学检验等领域。

记者：请您介绍一下与上海科研院所科研协作攻关情况。

潘建伟：量子领域的科研工作得到了上海市各个方面的广泛支持。中科大和中科院上海技术物理研究所、中科院上海微小卫星工程中心等单位一起合作，承担了量子科学实验卫星的研制任务。在“十三五”期间，我们还计划发射一颗高轨卫星，开展卫星组网方面的研究，将和这些单位继续合作。同时，我们和中科院的上海微系统所、上海交大、复旦大学等单位签订了成立联合实验室的协议，大家发挥各自优势拧成一股绳。另外，我们也得到了大张江专项上海量子通信产业园一期的支持，其他一些机构也开展了相关合作。2016年7月，上海市政府与中科院专门召开了市院共同合作，推动量子信息科技发展的会议。中国科大与浦东新区、中科院国有资产经营公司与张江高新区管委会签订了相关的协议。我们希望能够通过把国家“十三五”期间在量子科技领域重大布局与上海建设具有全球影响力的科技创新中心和张江综合性国家科学中心有机地结合起来，充分利用上海科教资源比较丰富、对高端人才有较大吸引力的地域优势，来推进相关工作。