聽郭光燦講講什麼是量子信息技術，就夠了！
量子信息技術是什麼？大家眾說紛雲，尤其是中國即將發生量子通信衛星，究竟能幹成什麼事情？是不是未來依靠量子信息技術，我們可以實現超光速和瞬間傳送？作為中科院量子信息重點實驗室主任，郭光燦院士在固態量子晶元的研究上，處於全球領先地位，但是他卻一直很低調，能夠接受邀請到雲計算大會上演講，可以說是非常難得。
從量子信息技術的實質，到目前的進展，有沒有什麼局限，他把複雜的原理用淺顯的語言在不到半個小時的時間講述出來。可以做什麼，不可以做什麼，都直言不諱。他絕不會說，未來連人可以傳送，未來可以人手一台天河二號。
本文根據郭光燦院士在第八屆雲計算大會上的演講整理。
郭光燦，1942年12月出生，籍貫福建惠安
2003年當選為中國科學院信息科學學部院士
2009年當選為第三世界科學院院士
現任中國科學院量子信息重點實驗室主任
量子力學誕生了一百多年，這是人類最成功的理論。因為有量子力學誕生了，我們才可能有激光、才可能有半導體，才可能有現在社會的好多先進技術。所以實際上量子力學已經在人類生活當中發揮了很重要的作用。
以前由量子原理產生的器件，包括激光、包括半導體都是經典器件。我們現在談的量子信息技術，它是直接利用量子的性質研製出量子器件，而不是經典器件。這個量子器件呢，它的功能要遠遠超越經典器件的物理極限，這就是量子信息技術帶來新時代的新技術。
量子信息技術是什麼？就要看量子力學的基本性質。主要包含了下面這三個方面：
1、量子的力學的疊加態，量子非局域性，量子不可克克隆性。 什麼叫量子疊加態？這大家在學量子學都知道，經典物理沒有辦法描述微觀量子體系的動力學過程，於是誕生了量子學。
量子和經典最大不同是不確定性，而經典就是確定的概率。量子的不確定就導致一個新的原理，叫疊加原理。疊加原理告訴我們，如果這個量子允許一個狀態，也允許另一個狀態，因為它狀態是不確定的，它就處在一個狀態和另一個狀態疊加以後的態。
經典的狀態是確定，它不會有疊加，所以疊加原理是區別於經典式量子最重要的一個特徵。
所以量子信息處理的單元，就是量子態疊加以後那個量子比特，所以從信息本身開始，就是量子化的。
2、就是量子非局域性，這個非局域性來源於愛因斯坦跟量子力學為代表的爭論。因為量子力學很奇怪，它是概率性的，它不確定，愛因斯坦特別討厭量子力學怎麼會不確定，所以他一生當中對量子力學耿耿於懷，提出很多的挑戰，所以他提出了EPR佯謬。
他是從量子力學基本原理出發，推出一個實驗的結果，這結果非常荒謬，所以他認為這個結果是不可能實現、不可能存在，那量子力學出毛病了。
他爭論的思路是這樣。比如說兩個粒子可能要麼向上就是向下，量子力學知道兩個粒子的狀態，使得它的總值等於零，意味著它們相反的。但是哪個粒子是向上向下不確定，一旦製造了這樣兩個粒子，我就把A留在地球，我把B送到非常遠的月球上去。
在這種情況下，如果我對A進行測量，我發現它是向下的，那麼月球上那個粒子你不需要測量，它就是自動的向上的。
如果地球上的A不測量，月球上的粒子一半概率是向下，一半概率是向上的。這意味著說，月球上那個粒子會受到地球上A的作用，這是瞬時的發生變化，瞬時什麼意思呢？就是不需要時間，你只要對A作用，A往下B就一定往上，所以愛因斯坦認為這種結果是不可能出現的。
他把它當成是叫幽靈般的超級作用。所以暗地裡會存在幽靈的作用，他認為幽靈是不存在，這就是暗地裡挑戰量子力學。
量子力學在物理界產生了很多的爭論，幽靈學就是量子力學的矛盾，不應該出來。而貝爾就說幽靈一定存在，他認為你不能單看A和B，你要A和B一塊看，這就是他們爭論。最後的結果是，貝爾用一個不等式，證明量子世界裡幽靈是存在的。
這就是量子世界的非局域性，A和B只要有廣聯，不管空間分的多開，都有一個內在關聯，這種關聯是無論如何斷不開，所以對某一個子系統發生作用，另一個一定發生變化。
非局域性是一個疊加原理。兩個粒子總是相加等於零，只有兩種可能，一個A向上B向下。我們把這個叫糾纏態，糾纏就是非局域性的體現，如果兩個粒子糾纏它們會有內在的關係，這個糾纏態在量子信息里非常重要的應用。
3、就是不可克隆，就是不可能複製出兩個一模一樣的量子。經典可以克隆，量子不可克隆。
因為這樣一些性質，我們就開始了量子信息的應用。
首先我介紹了一下量子計算機，量子計算機跟電子計算機不同，電子計算機要麼0要麼1，所以它的狀態就確定了。而量子是不確定的，比如說一個電子，我們自旋向上代表1，向下代表0。但是它不處在確定狀態，它是0和1疊加的狀態，就像一個箭頭來迴轉。
但是我們有辦法調控，讓它處在哪個狀態，這就是量子比特，這是量子處理信息的單元。 這樣有什麼好處呢？首先如果一個儲存器，電子計算機儲存器就存0或者1，就是一個數，但是量子儲存器呢？它0零和1疊加了，所以它可以同時存兩個數。
如果有兩個儲存器，電子計算機還是一個數，00、11、10、01，只能存儲四個數當中一個。而量子儲存器可以存四個數，所以你可以想像，我有N個儲存器，電子計算機的N個儲存器可以存N個數，而量子儲存器可以存2的N次方個數。
這是指數上升，不得了。量子的疊加原理帶來的好處，就量子儲存器的儲存數據的能力指數上升。
計算是什麼意思呢？計算就是我們把一個函數編程，我一段一段計算，電子計算機操作一次儲存器，因為裡面就一個數，我計算一次變成另一個數，然後一步一步操作，最後把問題解了，所以它的運行過程叫串列運算。
而量子計算機它既然有那麼大的儲存能力，我計算一次就把裡面的2的N次方數據，同時變成另外新的2的N次方數據，所以它是一個CPU就可以做大的平行處理，於是它的運算速度就能提高，這就是量子計算機的優點。
這就是量子力學上的並行能力，這有什麼用處？後來Shor就提出一個演算法，就是我們信息安全里最敏感的兩個大數乘積，這數學問題是公開使用的量子密碼安全性基礎，如果你把任何一個大數可以分成兩個數，這密碼就破了。
比如說127×129=29083，計算器一秒鐘就知道，但是反過來要知道29083是哪兩個數相乘這就難。當然靠計算機可以解出來，但是隨著數的拉長，所需要的時間就是指數上升，問題就沒辦法解了。
曾經有人做過這個實驗，129位的數你要分成兩個素數相乘，用了1600台工作站，做硬體並行，花了8個月才把它分出來。如果同樣的計算能力，我把這數拉長了到500位，需要多長時間？
需要的時間比宇宙年齡還要長，所以你把大數破了，宇宙都不存在了，這就沒有意思了。
所以雖然大數可以分解，但是電子計算要很長時間。當然計算機的速度可以越來越快，你速度快沒有關係，我把數再拉長一點，你根本就跟不上我。
但是使用量子計算機的Shor演算法，我一秒鐘就可以把這個大數分開，你要8個月，我一秒鐘，而且你把數拉長沒有關係，我需要的時間不會指數上升，而是多項式上升。
所以一旦量子計算機出來了，所有現在的不可解的問題都破了。量子力學不僅僅是破密碼，在大數據上更能顯示它的威力，它的運算能力和現在的電子計算相比，相當於電子計算機的能力和算盤的能力相比。
當我們從算盤到了電子計算機，我們社會發生了天翻地覆的變化，如果真的從現在電子計算機到了量子計算機，我們社會將來面臨另外一次天翻地覆的變化。
量子計算機實際上它跟電子計算機一樣，就是要解函數，所以需要數據的輸入和輸出，這兩端是相同。所不同的，是它處理操作的是用量子晶元。
電子計算機用電子晶元去串列運算，用量子晶元替代它，就會並行運算，所以它的速度就是量子性、疊加性導致的並行運算能力，當然相應的軟體、編程都要做相應的變化，需要量子的硬體晶元的研製。
一台真有用的量子計算機要多少處理器？應該是一萬個以上量子處理器作為晶元才可以。雖然現在很多物理體系可以演示量子計算機，但是擴展到成千上萬很難。使用固態就有可能。
比如說可以用半導體微電子的集成電路的辦法來做量子晶元，能做成的話，可以在電子計算機來搞量子晶元。但是它有很大的缺點，就是它相干性很差。也就是量子性很脆弱，很容易破壞掉。我量子學做出來，我還沒有完成計算的任務你就破壞，破壞以後並行處理就沒了，然後就只能串列處理，所以這是量子計算機長期沒辦法做出來的原因。
但是最近這幾年相干性有大幅度的提高，已經接近可以用的地步，所以用固態做量子晶元又引起大家非常大的關注。
半導體的量子晶元，它的單元就是一個量子點，裡面有一個電子，我可以操作這電子的電荷，或者是自旋，來做一個量子比特。
國際上大概是2002年就開始做，做到現在一個晶元的兩個量子比特，能做成。我們現在到三個量子比特，這就是我們國內現在的現狀。
我們做單個量子比特。它的原理實際上是用兩個量子點，兩個量子點只有一個電子，就保留一個電子尺度里，然後這電子如果是在左邊我代表1，在右邊代表0。但是它的位置是不確定的，所以它是0，左邊和右邊的疊加態。
所以一台量子的複雜計算機，可以分解成為單比特的操作和兩比特的操作，這是基礎研究。 我們三個比特也做成了，還沒發表，四個比特也做了。
這是我們現在半導體量子晶元發展的狀況，所以現在馬上要到第三個五年計劃，我們正在做。
另外一個方向是用超導量子比特，超導要比半導體要快。它已經做到9個量子比特了。
到9個以後呢，美國軍方就下達命令，如果比特超過10個，不允許他們發表文章，要對世界保密，要把這技術變成了他們自己所有。
所以美國IBM公司等等，就是把量子用上去，所以整個量子計算機怎麼樣呢？就處在一個晶體管向集成電路過渡的發展階段。
量子信息是可能對人類帶來最大衝擊新的技術。量子模擬實際上是一個專用機，是固定用途的量子計算機，它不像我們說的那麼難，那麼複雜，只要有30個量子處理器，就足以推翻模擬計算機的功能。
最早能用量子計算機是量子模擬機，最近幾年發展的非常快，因為有了模擬機以後，我可以解很多的具體問題，就可以在模擬機上解。
下面講一下量子通信。
從學術上來說，它是用一個量子網路，比如說量子信息什麼？就是量子疊加的那個信息。那疊加態不同，代表信息不同，然後要用量子通道，能夠把量子信息傳過去，這才叫做量子通信。
而我們報紙上所宣傳的量子通信，不是這個意義上的，它的名字弄混亂了。它實際上量子保密通信，也就是密鑰分配，而不是真正的量子通信。
量子網際網路最大的功能，是可以分布計算，它可以實現普適量子計算能力。
如果有兩個網路，我中間有一個中繼連起來，這就構成了聯網，我把所有的網路全連起來，最後就實現了一個量子云計算，運算的重點是由量子計算機做你的這個點。然後通道就是一個量子網路，這種功能將會比我們現在電子計算機為基礎的計算網路功能要強得多，這是未來的。
這離實現還非常早，首先量子中繼就沒有做成，還有每一個網路儲存器也沒做成，其中最關鍵的就是量子儲存器。
這儲存器有原子做的，還有固態，我們實驗室在做固態儲存器，在各種性能上，比如說保真度，還有儲存的模式等等，很多指標上都在國際上屬於領先地位。
我們現在追求另外一個指標，比如儲存時間，因為固態的儲存時間比較短，但是澳大利亞去年做了一個好東西，可以儲存到6個小時，但是它沒有真正儲存，它是相當時間保存6個小時，這在世界上引起了很大的轟動。
而我們利用同樣的系統，達到10個小時，甚至我們的目標是可以做幾天的儲存，一旦一個固態儲存器儲存10個小時到幾天，我們就可以開闢一個新的應用，叫量子U盤。
我拿著量子U盤，可以像U盤儲存信息，我把量子信息存在U盤裡，我把U盤通過飛機、通過經典的通道到遠方去，到目的地以後再把信息取出來，這就叫量子U盤，就不用現在通信網路，它可以用更保密的方式來進行，這可能是未來的方式。
關鍵是要把長壽命的量子信息做成，這是我們奮鬥的目標。
下面再講一個量子密碼，量子計算機是比較遙遠，但是量子密碼是現在就可以用的。
量子密碼就是一個信息安全的問題，信息同時保密的問題。量子計算機出來以後，對現在的保密系統有很大的挑戰。一旦數學的問題要被解了，它的安全就破了，這就是很嚴重的威脅。
所以人們就提一個問題，一旦量子計算機真做出來了，我們還有沒有保密通訊，還有沒有可能保密？
所以量子信息的專家提出一個保密方案，就叫量子密碼，能夠抵抗量子計算機。量子計算機像一個矛，它能把現有的經典密碼攻破，但是它不能破量子密碼的盾。
量子密碼的安全性不靠數學的難度，而是靠物理定律，靠不確定原理、不可克隆原理、量子力學的基本原理。
量子力學保證量子密碼絕對安全。現在沒有看到量子學不對，所以量子密碼是對的。所以它是靠物理定律來保證它的安全性，它跟現在的密碼體系靠數學的完全不同。
量子密碼的做法是什麼樣？保密通信，就是把通信內容可以用零一零一的明文表示出來，它要加密就是一個密鑰，就是零一零一隨機數，在一個加密器裡面攪亂了，變成一個密文，送到對方去。
普京拿到這個密鑰跟金正恩一樣，他就把這密碼濾掉，得到原文。問題是安不安全，這是誰都可以拿到。萬一奧巴馬認為這一信息對他很重要，他就動員所有的資源來解讀，如果他破不了就安全，如果破了就不安全。
有沒有一種辦法是絕對不可破呢？如果我的密鑰長度跟明文的長度一樣長，用一次不再重複用，用一次就扔掉。這種叫一次一密的加密方式是破不了的，這個嚴格的證明這是不可破的。
但是這需要大量的密鑰，密碼本會送到美國大使館，這叫密鑰分配。
但是這個密鑰本，敵人可以在半路上拷貝一份，這也是不安全，雖然一次一密是絕對安全，但是密鑰是不安全的。所以雖然很好，但沒人用。據說莫斯科可以用。
而量子密碼就針對這個缺點，堵住了量子密鑰分配的不安全性。
怎麼做的呢？它是靠量子，靠光子，這個光子是一個個傳，每一個量子態代表零和一，用這協議能跟你雙方建立一個相同的密鑰，中間要有人竊聽，我可以發現它，我一發現密鑰建立過程當中有人竊聽，不安全我就沒用了。
這在理論上沒有問題，量子計算機沒法破，我們在2004年曾經在北京、天津。2007年在網路上演示了，2009年蕪湖政務網試運行，把它的穩定性什麼都解決了。現在基本問題都已經解決了。
那麼我們就要問，實現全球的量子保密網路還有多遠？
全球網路無疑是陸上有一個區域網、城市有一個區域網，遠處我們靠天上來做連接。這個做成了就是全球網。
全球網現在做到什麼地步，第一個一百公里的城域網基本上可以用了，實際上已經在試用了，兩個城市之間還不好用，它要有一個量子中繼，量子中繼現在還沒有做出來，現在是可信中繼，所以這種還不是絕對安全它是相對安全。
然後到天空跟地面的這種要解決一個很關鍵的問題，一個光子在大氣里傳輸，在太陽光背景下傳輸很難，所以你要有效的解決全天候的量子密鑰的高速運行才行。
所以現在我們所說的量子通信實際上指的量子保密通信，指的是這種類型的密鑰。 我先用量子的辦法做一個安全的密鑰，然後用它去加密經典信息，用經典的辦法傳信息，這就是我們現在所做的工作。
此外還有感測器，利用量子的信息，可以很容易的感測到各種物理量，這個比現在經典的感測器，不管是靈敏度、精度也都有大幅度提高，有溫度感測器有壓力感測器，還有磁場感測器，我們現在做一個納米級的顯微鏡，這都是現在量子感測的領域，所以這領域馬上就來。 這是未來這幾年可能面臨的應用。
以上是郭院士的演講內容，過去曾經跟他多次就量子信息方面有過交流，雖然他對於現在媒體對於量子通信的追捧有所微詞，但也言辭謹慎，更多是踏實把固態量子比特做的更多，更穩定，從他的身上，可以看到一些量子計算機在中國出現的，真正的希望。
實事求是
※可以「顛覆未來」的量子技術，這樣給你解釋你就懂了
※量子究竟是什麼？讀過你就不會相信「量子水」「量子炸彈」了
※量子技術到底是什麼？
※量子論：紅包里裝了多少錢是不確定的！老子說：我能解釋
※量子究竟是不是物質？看完你就知道了
※量子理論：未來可能會影響過去，那麼我們的存在被未來影響了嗎？
※量子通信技術應用離我們還遙遠嗎？
※愛因斯坦的「幽靈」傳送靠譜嗎？量子糾纏也解釋不了
※革命量子理論：未來可能會影響過去，那麼我們的存在被未來影響了嗎？
※量子糾纏不可能傳輸有生命的人，你知道為什麼嗎？
※哈密頓量是啥玩意兒？算符又是什麼鬼？量子力學小課堂又開課啦！
※超乎想像的量子通信，看了你就知道量子衛星有多厲害
※什麼是量子？
※你的思維跟得上量子做的石頭嗎？
※這樣比喻還搞不懂量子論基本原理，我也就只能呵呵了
※量子是什麼鬼 連愛因斯坦都搞不懂
※量子機器學習：你應該知道的這些事情！
※是過渡還是趨勢？有了量子點電視，你還看得慣普通電視嗎
※凡人也能了解量子計算嗎？你偷偷看圖試試自己的智力