量子科技幫我們理解人類智慧

量子科技普通人看不懂，聽起來很玄。市場上還出現(xiàn)了“量子鞋墊”“量子水杯”“量子面膜”等，有的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)推出“量子波動(dòng)速讀法”，這些東西靠譜嗎？甚至有的人宣稱量子科技能治療糖尿病、癌癥等疑難雜癥，這些說法科學(xué)嗎？記者日前采訪了量子科技方面的著名專家，中國科技大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉。

量子科技的基礎(chǔ)是量子力學(xué)，不治糖尿病、癌癥等疑難雜癥。

記者：量子科技的基礎(chǔ)是量子力學(xué)，您能否介紹一下量子力學(xué)是什么？量子革命是怎么回事？

潘建偉：量子力學(xué)誕生于20世紀(jì)初。從1900年普朗克提出量子論的百余年來，眾多物理學(xué)家通過對量子規(guī)律的觀測，已經(jīng)成功構(gòu)建起量子力學(xué)的理論大廈。通過量子力學(xué)，人們深入認(rèn)識(shí)了微觀世界的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了半導(dǎo)體、激光、核能等改變世界的重大發(fā)明，催生了現(xiàn)代信息技術(shù)，這是人類的第一次量子革命。

與經(jīng)典力學(xué)相比，量子力學(xué)所描述的微觀粒子具有量子疊加的特性。如果把量子疊加擴(kuò)展到多個(gè)粒子，就會(huì)產(chǎn)生“量子糾纏”現(xiàn)象。愛因斯坦就把量子糾纏稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”?？茖W(xué)家在對量子糾纏這一詭異互動(dòng)展開大量實(shí)驗(yàn)研究的過程中，發(fā)展起來了精細(xì)的量子調(diào)控技術(shù)，人類從對量子規(guī)律的被動(dòng)觀測，發(fā)展到能夠?qū)α孔訝顟B(tài)進(jìn)行主動(dòng)操縱，這就類似于人類對生物學(xué)的認(rèn)識(shí)，從孟德爾遺傳定律到DNA結(jié)構(gòu)的偉大跨越。

結(jié)合量子調(diào)控和信息技術(shù)，產(chǎn)生了量子信息這一新興學(xué)科。量子信息包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測量三方面的應(yīng)用，可以在確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。以量子信息為代表的量子科技迅速發(fā)展，人類迎來了第二次量子革命。經(jīng)過學(xué)術(shù)界多年努力，目前量子保密通信和量子雷達(dá)進(jìn)入了實(shí)用化階段，也有了相關(guān)產(chǎn)品，其他的量子技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化還需要一定的時(shí)間。至于市場上出現(xiàn)的量子鞋墊、量子水杯、量子波動(dòng)閱讀法等，都跟量子科技毫無關(guān)系，量子科技目前也沒有在糖尿病、癌癥等疑難雜癥的治療方面有所應(yīng)用。

量子通信的兩種典型應(yīng)用：量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)

記者：您提到量子通信已進(jìn)入實(shí)用化階段，能否詳細(xì)介紹一下？

潘建偉：國際學(xué)術(shù)界將量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)統(tǒng)稱為量子通信。量子通信其實(shí)包括兩種最典型的應(yīng)用方式，一種是量子密鑰分發(fā)，另一種是量子隱形傳態(tài)。

量子密鑰分發(fā)是利用單光子的量子態(tài)來加載信息，通過一定的協(xié)議來產(chǎn)生密鑰，量子力學(xué)的基本原理保證了密鑰的安全。量子保密的安全性是基于量子力學(xué)基本原理，和傳統(tǒng)的加密算法不一樣，它的安全性與計(jì)算復(fù)雜度無關(guān)，只要量子力學(xué)是正確的，量子保密通信原理上就是無條件安全的。

量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏，把量子態(tài)從一個(gè)粒子傳送到另外一個(gè)粒子，而不用傳送信息載體本身。做一個(gè)形象的比喻，上海有一個(gè)微觀客體，可以由幾千、幾萬個(gè)原子組成。如果上海和北京之間有很多的原子糾纏起來了，要把上海體系的狀態(tài)傳到北京，可以對上海的客體和糾纏原子進(jìn)行一種共同的測量；測量完以后，可以把測量結(jié)果通過無線電臺(tái)發(fā)送到北京，北京只要根據(jù)這些結(jié)果對手中粒子進(jìn)行相應(yīng)的操作，就可以在北京把上海的體系重新給制備出來。對于量子信息研究而言，量子隱形傳態(tài)可以連接量子信息處理單元來構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)的重要環(huán)節(jié)。

量子計(jì)算機(jī)具有超強(qiáng)計(jì)算能力，人類大腦的運(yùn)行機(jī)制可能和量子計(jì)算機(jī)有相通之處

記者：最近量子計(jì)算機(jī)也是一個(gè)熱門話題，請您介紹一下量子計(jì)算的原理和發(fā)展趨勢。

潘建偉：經(jīng)典計(jì)算機(jī)的一個(gè)比特只能處于0或者1兩種狀態(tài)之一，兩個(gè)比特就只能處于00，01，10，11四種狀態(tài)里的某一個(gè)。而對于量子計(jì)算機(jī)，一個(gè)量子比特不僅可以處于0或者1，還可以同時(shí)處于0和1兩種狀態(tài)的疊加，兩個(gè)量子比特就可以同時(shí)處于四種狀態(tài)的疊加，這就意味著量子計(jì)算機(jī)原理上可以對四個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，因此量子計(jì)算的計(jì)算能力隨著量子比特?cái)?shù)目呈指數(shù)增長，可以為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。比如說，有的量子計(jì)算機(jī)可以快速分解大數(shù)，而分解大數(shù)的計(jì)算復(fù)雜度是目前廣泛使用的公鑰加密算法安全性的基礎(chǔ)，如果量子計(jì)算機(jī)研制出來，傳統(tǒng)信息安全體系將受到很大威脅；量子計(jì)算機(jī)還可以快速求解線性方程組，在人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域?qū)?huì)有非常廣泛的用途。

量子計(jì)算的發(fā)展有三個(gè)階段：第一階段，針對某一些特殊問題，要造出一臺(tái)機(jī)器來，可以比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要算得快，這被學(xué)術(shù)界稱為“量子優(yōu)越性”。達(dá)到這一目標(biāo)需要能夠相干操縱大概50個(gè)量子比特。

第二階段，我們希望能夠操縱數(shù)百個(gè)量子比特，可以實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī)，對有些復(fù)雜物理體系的機(jī)制，比如高溫超導(dǎo)等，目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)算不了的問題，我們能夠來算，來解決實(shí)實(shí)在在的問題。

第三階段，實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，就像我們現(xiàn)在用的計(jì)算機(jī)一樣可以計(jì)算很多問題。達(dá)到這一目標(biāo)的關(guān)鍵是量子糾錯(cuò)。目前到底在哪個(gè)物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)還沒有定論，所以需要各種體系，光、超導(dǎo)、超冷原子、離子、固態(tài)、拓?fù)鋺B(tài)等等，來開展相關(guān)工作。實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)還需要20年甚至更長的時(shí)間。

我們在量子計(jì)算的研究主要集中在三個(gè)方向：第一，光量子計(jì)算，我們已經(jīng)做到了相當(dāng)于48個(gè)量子比特的結(jié)果，今年有望實(shí)現(xiàn)50或者60個(gè)光子的相干操縱，也能夠達(dá)到量子優(yōu)越性。我們的技術(shù)途徑跟谷歌不一樣，谷歌是用隨機(jī)線路采樣，我們是用玻色取樣。玻色取樣的優(yōu)越性有嚴(yán)格證明，我們的系統(tǒng)按照目前最優(yōu)的算法估計(jì)，可以比頂點(diǎn)計(jì)算機(jī)快百萬億倍左右。第二，在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，最近我們已經(jīng)達(dá)到了24個(gè)超導(dǎo)量子比特，希望在今年年底，我們能夠做到60個(gè)左右量子比特的相干操縱，也能夠達(dá)到量子優(yōu)越性。第三，我們還是希望能夠像費(fèi)曼所說的，來真正解決一些物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域很重要的、經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決不了的問題，大概需要操縱幾百個(gè)粒子系統(tǒng)，目前我們在超冷原子量子模擬方面已經(jīng)有比較好的進(jìn)展了。

長遠(yuǎn)來看，量子計(jì)算可能在人工智能方面有很重要的應(yīng)用。這是由于，經(jīng)典計(jì)算機(jī)終究是決定論的，經(jīng)典的人工智能不管發(fā)展到什么程度，我們?nèi)匀挥X得這是一部機(jī)器，是一個(gè)機(jī)器人，它不可能完全像人類大腦一樣去思考。而量子力學(xué)第一次把觀測者的意識(shí)與物質(zhì)的演化結(jié)合起來，有的科學(xué)家因此猜測，人類大腦的運(yùn)行機(jī)制可能和量子計(jì)算機(jī)有一些相通之處。隨著量子計(jì)算的發(fā)展，也許可以幫助我們更好地理解人類的智慧。

來源：光明日報(bào)