潘建偉：探討他的研究成果以及量子信息科技的發(fā)展前景

1985年，物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）認(rèn)為，受量子力學(xué)規(guī)則支配的計算機(jī)可能能夠超越當(dāng)今使用的經(jīng)典計算機(jī)。在同一時間，其他研究人員表明，量子態(tài)編碼的信息可以使用一種加密方式在發(fā)送方和接收方之間傳輸，這種加密如果沒有被檢測到就無法被截獲和讀取。

現(xiàn)在，量子計算機(jī)和量子密碼學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)實世界量子信息技術(shù)的核心組成部分，可能很快就會應(yīng)用到科學(xué)、工業(yè)和社會等領(lǐng)域之中。

隨著以量子為核心力量的的全球信息網(wǎng)絡(luò)——量子互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，這些應(yīng)用將越來越可能實現(xiàn)。中國處于該領(lǐng)域的最前沿，這些成就的鑄造者之一正是中國科技大學(xué)教授潘建偉。作為量子信息領(lǐng)域的引領(lǐng)者，潘建偉教授師從量子信息領(lǐng)域的開拓者安東·塞林格（Anton Zeilinger），在維也納大學(xué)獲得博士學(xué)位之后，將這一新興技術(shù)帶回了中國。并于2012年獲得國際量子通信獎；2017年入選《自然》年度“十大科學(xué)人物”；同年7月，潘建偉和他的團(tuán)隊實現(xiàn)了從地面基站到距離1400千米的衛(wèi)星的“量子隱形傳態(tài)”。

《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）近日對潘建偉院士進(jìn)行專訪，探討了他的研究成果以及量子信息科技的發(fā)展前景。

采訪全文如下：

量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)的概念正在走向大眾，但它究竟意味著什么？

潘：我們知道，互聯(lián)網(wǎng)是一個用于傳輸、處理和存儲經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)同樣如此，只是它處理的是量子信息。量子互聯(lián)網(wǎng)首先要面對的實際任務(wù)是在無條件安全的情況下實現(xiàn)全球性的密鑰共享（也就是說，量子信息是完全防篡改的）。量子比特和量子糾纏（量子比特互相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)）將是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源。在該系統(tǒng)中可以實現(xiàn)各種量子信息任務(wù)，包括任一節(jié)點之間的信息量子隱形傳態(tài)，分布式量子計算和高精度量子計量。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)使用的量子物理學(xué)的基本原理是什么？

潘：量子信息理論建立的基本原理是量子疊加。量子疊加讓一個量子比特不僅能夠表現(xiàn)出0或1的傳統(tǒng)比特狀態(tài)，也能夠呈現(xiàn)出其他任意中間狀態(tài)。

經(jīng)典物理中，一個比特只能處于狀態(tài)0或1。但是在量子世界中，量子比特可以是0 + 1的疊加態(tài)，也可以是同時為0和1的其他不同組合狀態(tài)。

量子世界中一個基本原理是，沒有一個單一的測量方法能夠揭示一個未知量子比特的所有信息。這也就引出了量子不可克隆定理，它定義了一個未知量子態(tài)不能被精確復(fù)制。當(dāng)量子系統(tǒng)由兩個或更多個量子比特組成時，量子疊加就成為了量子糾纏，并使得狀態(tài)空間呈指數(shù)級增長。不確定性原理和不可克隆定理是量子通信和量子計算的基石，也是量子互聯(lián)網(wǎng)的基石。

而量子隱形傳態(tài)是一種將未知量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一個粒子的方法，而這一過程并不需要發(fā)送原始粒子本身。假設(shè)存在一對糾纏的粒子，a和b，在位置A和B之間交換信息。接著，一個未知的量子比特c需要從A轉(zhuǎn)移到B。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距傳送，在A處我們對a和c進(jìn)行集體測量，并根據(jù)測量的結(jié)果對粒子b進(jìn)行相應(yīng)操作。

此時，未知信息將在c中被“銷毀”并被“傳送”到b。但是如果要在B處接收到信息，則需要獲得A處a+c測量獲得的信息。這一量子信息只能通過傳統(tǒng)方式進(jìn)行傳遞，速度不能超過光速。換句話說，盡管量子糾纏的坍縮，也就是將粒子c的狀態(tài)傳遞到粒子b上是即時發(fā)生的，但量子隱形傳態(tài)依然不能以超光速遞信息。

如何才能實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)（的構(gòu)建）需要哪些主要技術(shù)？現(xiàn)有的光纖和衛(wèi)星等基礎(chǔ)設(shè)施能否支持它，還是需要新的基礎(chǔ)設(shè)施？

潘：一般來說，量子互聯(lián)網(wǎng)將由處理和存儲量子信息的節(jié)點以及傳輸量子信息的信道組成。節(jié)點不僅復(fù)雜而且高度依賴于實際應(yīng)用場景。例如，量子密鑰分發(fā)（QKD）是量子信息的第一個實際應(yīng)用。在中國，京滬骨干網(wǎng)已經(jīng)建成并投入使用。一個QKD終端必須能夠產(chǎn)生，操縱和測量單個光子。

用于傳輸量子比特（飛行量子比特）的最佳粒子是光子。光子最大的優(yōu)勢在于，現(xiàn)在的激光通信已經(jīng)相當(dāng)成熟并已有很多光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施能夠投入使用——因此你說的對，確實可以使用現(xiàn)有的光纖通道。然而，量子互聯(lián)網(wǎng)仍然需要進(jìn)行大的修改，特別是在節(jié)點上。由于衛(wèi)星極難修改，我們認(rèn)為新的衛(wèi)星是必要的（調(diào)試后用于量子通信和處理）。也有部分案例表明，量子載荷可以加入到現(xiàn)有已規(guī)劃的衛(wèi)星上，比如說GPS衛(wèi)星或歐洲伽利略衛(wèi)星等。

NSR：使用量子規(guī)則編碼信息，主要是為了讓互聯(lián)網(wǎng)通信更加安全，還是有其他的好處？

潘：近期目標(biāo)確實是為了使電信網(wǎng)絡(luò)更加安全。但量子信息可以做得更多。我們相信實用的量子計算機(jī)可以在幾十年內(nèi)建成。而通過量子互聯(lián)網(wǎng)，量子云計算將成為未來的基本資源。

NSR：到目前為止取得了哪些成就，以及未來的里程碑是什么？

潘：我們已經(jīng)建成了量子安全通信京滬干線。作為世界上第一條長距離量子保障通信線路，它于2017年9月29日投入使用。這條城際量子通信線路長達(dá)2000公里，連接了北京、濟(jì)南、合肥和上海，由32個中繼站共同構(gòu)建而成。在京滬干線中，數(shù)據(jù)通過量子信息網(wǎng)絡(luò)在保證信息理論安全的情況下傳輸，目前（中國）正在規(guī)劃和建設(shè)更多的骨干和城域網(wǎng)絡(luò)。

我們還在2016年8月16日發(fā)射了第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號”，并且在墨子號和多個地面站之間進(jìn)行了QKD實驗。這些地面站位于中國的北京、德令哈、南山，以及奧地利的格拉茨和西班牙的特內(nèi)里費等。我們還同時借助京滬干線和墨子號，實現(xiàn)了洲際量子密鑰分發(fā)。（未來）越來越多的衛(wèi)星將發(fā)射并組成一個全球性網(wǎng)絡(luò)。

潘建偉：未來的量子互聯(lián)網(wǎng)可能與我們現(xiàn)在想象的完全不同

量子互聯(lián)網(wǎng)存在什么問題

NSR：我們是否已經(jīng)充分了解量子互聯(lián)網(wǎng)背后的原理，使其“只是”工程問題？或者您認(rèn)為我們可能會發(fā)現(xiàn)量子物理學(xué)為信息技術(shù)帶來的新事物，就像我們已經(jīng)用于加密和計算的方式一樣？

潘：即使是量子疊加的基本現(xiàn)象背后的原理，我們也還沒有完全理解。然而，這并沒有妨礙我們將已有的量子力學(xué)只是投入到實際應(yīng)用中。這些努力使得構(gòu)建QKD網(wǎng)絡(luò)看起來像是一個工程項目。然而，即使在這個相對成熟的領(lǐng)域，新概念仍在不斷涌現(xiàn)。對于量子計算等未來技術(shù)，我們?nèi)匀恢跎?。未來的量子互?lián)網(wǎng)可能與我們現(xiàn)在想象的完全不同。我認(rèn)為這是科學(xué)的魔力。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)是否必然與量子計算機(jī)的發(fā)展有任何聯(lián)系，還是完全分開？會有一個基于量子的通信系統(tǒng)讓分布式量子計算變成現(xiàn)實嗎？

潘：是的，它會的。我相信量子計算機(jī)將成為量子互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。由于其高昂的建設(shè)成本，至少在早期階段，量子計算機(jī)將是昂貴的資源，因此人們將僅通過量子互聯(lián)網(wǎng)提供公共服務(wù)。在這種情況下，用戶將通過量子互聯(lián)網(wǎng)訪問云量子計算機(jī)，上傳任務(wù)并通過傳輸量子比特下載結(jié)果，這就是量子云計算的概念。

量子互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀與未來

NSR：國際上在開發(fā)量子互聯(lián)網(wǎng)方面正在進(jìn)行哪些投資？它需要跨國合作嗎？國際上主要的研究中心在哪里？

潘：量子互聯(lián)網(wǎng)涉及許多理論和技術(shù)。對于為全球安全通信建立量子互聯(lián)網(wǎng)的短期目標(biāo)，我們將不得不考慮現(xiàn)實設(shè)備的不完善之處。不僅需要更好的協(xié)議來最小化工程缺陷的影響；還需要更便宜、更好的設(shè)備，以提高性能，使其在極端環(huán)境中保持工作；更需要廣泛分布且易于使用的包括光纖和衛(wèi)星鏈路在內(nèi)的量子信道。我無法想象沒有國際合作，任何國家應(yīng)當(dāng)如何獨自應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。在中國，我們有一支優(yōu)秀的團(tuán)隊，世界各地也都有各自很好的團(tuán)隊。在一些問題上已經(jīng)形成了很好的國際合作。

NSR：中國一直是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。中國政府是否認(rèn)為這項技術(shù)對于未來經(jīng)濟(jì)，金融，商業(yè)等方面的增長至關(guān)重要？

潘：是的，我們得到了中國政府的大力支持。正如我上面提到的，我們目前已經(jīng)建立了京滬主干網(wǎng)絡(luò)，并逐步投入使用，正在銀行、證券和保險等實際領(lǐng)域開展試用。超過150個用戶正在使用這一干線進(jìn)行安全信息傳輸。也正如我之前說過的，我們已經(jīng)發(fā)射了第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號”。

NSR：您認(rèn)為這項技術(shù)在20年后會走到何種地步？

潘： 未來，QKD的成本將急劇降低。QKD設(shè)備將小型化，更適合個人使用。QKD也將作為一種常用的加密技術(shù)，廣泛應(yīng)用于日常生活中。量子計算機(jī)或量子模擬器將作為公共服務(wù)構(gòu)建和運行，就像今天的超級計算機(jī)一樣處理某些特定問題。在那時，我認(rèn)為能對巨大數(shù)字，比如2048比特進(jìn)行因式分解的通用（多用途的）量子計算機(jī)可能仍不存在，但我們將知道這樣一臺通用量子計算機(jī)會是什么樣的，而且也會知道為了實現(xiàn)這一目標(biāo)需要解決哪些問題。

NSR：是誰或者什么激勵著您進(jìn)入這個領(lǐng)域？您會推薦年輕的研究人員進(jìn)入這樣一個領(lǐng)域嗎？

潘：我認(rèn)為量子力學(xué)的基礎(chǔ)研究和可能的實際應(yīng)用都是非常重要的問題。就個人而言，我成為實驗物理學(xué)家的最初動機(jī)是對量子力學(xué)的基本定律進(jìn)行測探究的渴望，我想要知道它與經(jīng)典物理學(xué)的區(qū)別以及背后的原因是什么。

然而，可能的量子力學(xué)實際應(yīng)用也深深吸引了我，因為它們將能夠極大地影響我們的生活?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)明將人類帶入信息時代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供另一個能夠真正改變世界的機(jī)會。它能夠帶來新的科技革命。而我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學(xué)者進(jìn)入這一領(lǐng)域。