陸朝陽：量子信息時代，中國要彎道超車

陸朝陽

中國科技大學上海研究院教授

博士生導師

量子物理的奠基人尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）曾說過，如果誰不對量子物理感到困惑，他就肯定沒有理解它。

所以，如果大家今天聽完我的報告覺得非常清楚明白，一點都不困惑，那肯定是錯的；如果大家聽完覺得很困惑，或者說引發思考，那就對了。

進入量子世界

量子物理是我們目前最前沿的一門科學，它之所以非常難以理解是因為，我們非常熟悉於日常生活中所見的尺度，比如一張桌子1米，一根頭髮絲1毫米。

但量子物理研究的對象比頭髮絲的尺度還要小几千萬，甚至幾億倍。所以，它與我們普通的直覺非常不一樣。

量子其實是一種物理上的概念，它是物質和能量的最小離散單元，是一個非常小的物理量。比如會場上有四個探照燈照過來，我們看到了光，我們把光進行分割，可以分成一份一份的小顆粒，這就叫做光子。

光子非常小，一個40的瓦燈泡一秒鐘就能放出萬億億個光子，也就是10的20次方個光子。同時，組成物質的基本單位是一個原子或者一個分子，它的尺度是10的負10次方米，比納米還要小十倍。

所以我們就非常好奇，就是說光子當然很小，但是它會有什麼奇怪的地方嗎？下面，我們就用一個非常簡單的實驗帶大家看一看，這麼小的一個量子世界裡會有哪些詭異現象。

保齡球現象

我們很多人都打過保齡球，現在我們就做一個非常小的改動，在球道上設置幾個障礙物，按通常理解，保齡球只有通過這兩道狹縫才能穿過去。我們打了很多次之後發現，後壁上留下的保齡球撞擊痕迹，就只有這兩個狹縫所對準的兩個區域才會出現。

現在，我們把這個保齡球縮小，一直縮小到比頭髮絲還要小几億倍，變成一個電子，然後我們來重複剛才說的這麼一個遊戲。同樣重複多次之後，我們發現了一個非常奇異的現象。

比如說原來後壁上只有兩道條紋，可現在卻出現很多道，而且最中間被阻隔的這個地方居然變成電子保齡球出現次數最多的地方，這非常難以理解。

從經典物理學的角度看，這個球要麼是從左邊狹縫過去，要麼就是從右邊過去。可如果我們用量子力學的觀點來理解的話，在這麼一個非常微小的量子世界裡，這個電子保齡球的行為就有點像孫悟空的分身術。

在這個球被扔過去之後，它就像是會分身一樣，同時經過兩條狹縫，然後它又像水波紋一樣，在最中間形成一個干涉條紋，這就是量子世界和我們日常所見非常重要的一個區別，那就是量子可以允許幾種狀態同時存在。就是允許左邊和右邊，紅線和藍線同時存在。

很多人可能就會好奇，如果我們拿眼睛來觀察一下，看看這個保齡球到底是從左邊還是右邊過去的，會是什麼情況？

這個時候就會出現又一個非常奇怪的現象，那就是保齡球同時通過左邊和右邊的現象就消失了，它就又回到了符合經典物理學的狀況。所以說這是第二個非常重要的區別，就是在量子世界裡，我們施加的信息和觀測是會反過來影響物理系統的。

講完這麼一個小遊戲，大家肯定覺得非常奇怪。其實不僅大家覺得，國際上大部分的物理學家也這麼認為。

「薛定諤的滾」

這裡面比如說薛定諤，他提出著名的「薛定諤的貓」實驗。實驗是這樣的：在一個盒子里有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

如果說這隻貓可以處於量子狀態的話，那麼它可以既是死的也是活的。前段時間網上出現了一個「薛定諤貓」的翻版，叫做「薛定諤的滾」（當一個妹子叫你滾的時候，你不知道她是在叫你滾還是叫你過來抱緊。此時的你應該處於一種又抱又滾的量子力學狀態）。

這個例子或許可以更加通俗的解釋，為何量子可以同時處於兩種自己無法分辨的狀態，雖然並不是那麼準確。

前面講的是只有一個粒子、一個量子的情況。如果我們有兩個的話，那麼另外一種非常奇妙的現象就出現了，這個叫量子糾纏。

愛因斯坦把量子糾纏稱為「遙遠地點之間的詭異互動」，這是什麼意思？舉個例子，比如說我們通過某種方式把兩個骰子製備成量子糾纏，我拿其中一顆去到歐洲甚至更遠的地方，那我跟另一顆骰子之間可謂相隔了千山萬水。

然後，我在歐洲扔這個骰子，如果數字顯示是1，那麼另外一個骰子數字必須是1；如果我扔的是3，另一個也是3；扔了6的話另一個也是6。就是說，他們之間有一種非常詭異的互動行為。

第二次量子革命

最近30年，得益於實驗物理學的一些重要進展，比如說激光的發明等，使得我們現在可以在實驗室里真真切切的隔離出一個原子和一個光子。然後，我們可以對它們進行一些操控，就像指揮一個交響樂團那樣。比如，讓這個原子拉小提琴，讓那個原子打鼓。

這些技術就引發出前段時間歐盟發布的白皮書里所稱的「第二次量子革命」。它帶來的一些新技術，可以突破目前經典信息技術的一些瓶頸問題。比如說信息安全、超快的計算機等等。

接下來，我會根據量子物理的原理來為大家簡單的解釋幾種技術。

首先是量子通信技術。我們今天所使用的光纖網路，其實都是可以被竊聽的，因為它有幾億個光子、幾個億電子，你總是可以把它分出一點點來竊聽它的狀態。

而量子是一個最小的單位，所以無法對它進行分割，若是我們用單個光子來做信息傳輸，那麼就沒有人可以從中分出一點去竊聽。理論上，量子保密通信是一種無條件安全的通信方式。

有人說，那我就不分割，我就在通道上測量一下，但是這也不行。因為，任何觀測都會不可避免地影響到物理狀態。正是這樣一些基本的量子物理原理，保證了如果有人來竊聽必會被發現，也因此確保了信息安全。

目前在量子通信的研究領域，我所在的中國科技大學潘建偉老師的團隊，在國際上處於全面領先的地位。前幾年英國《自然》雜誌曾撰文稱，中國在量子通訊領域已從十年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，領先歐洲與北美。

去年8月16號，中國在世界上發射了首顆量子通信實驗衛星（傳送門 為什麼中國率先搞定了量子通訊衛星？），入選了英國《自然》雜誌評選的「2016年度國際重大科學事件」，以及《科學美國人》評選的「2016年改變世界的十大創新技術」，這也是唯一一項北美之外的入選技術。

目前我們的量子通訊處於一個發展基礎設施的階段，為了以後更好的成長，我們要把基礎搭建好。就像大哥大還沒有非常普及之前，我們要把基站網路都建好。

比如說從北京到上海的基礎網路已經建好了，在未來3到5年，我們可能就可以發展出一個天地一體化的量子通信網路，形成下一代的「量子互聯網」，用來保障國家安全，同時還可以惠及手機銀行支付，網銀等等一些應用，這是量子物理可以給我們帶來的最實用的方面。

量子計算的價值

第二個大家可能非常感興趣的技術叫做量子計算。我們都知道，計算基本單元叫做一個比特，或者叫做0或1，它每次只可以處於一個狀態，要麼1要麼0。

但是，量子其實是可以多種狀態同時存在。也就是說，我把左邊的狹縫定義成0，右邊的狹縫定義成1，做一個邏輯比特，它可以0和1同時存在，也即一個量子比特可以有兩種狀態同時存在。那麼，如果有兩個量子比特，它就可以有4種狀態同時存在；如果我有10個的話，它就可以有1024種狀態同時存在。

如果同時存在這麼一個寄存器，那我可以將函數f(X)的X，從0到1024同時算出來，有人覺得可能這也沒什麼了不起，不過就是一個並行計算。但是，當這個量子比特的數目變得非常多，比如說50個量子比特時，2的50次方狀態同時存在，那是一個非常巨大的數字。

2的50次方有多大？這裡給大家舉一個例子，我把一張A4紙對摺50次之後，它的厚度約等於0.1個毫米乘以2的50次方這麼厚。大家用計算機按一下就會發現，這個厚度其實是超過了地球到太陽的距離。

正是因為這樣一種加速並行計算帶來的加速，目前很多非常難以計算的問題，比如那些需要幾十萬年才能算清楚的問題，在量子計算機造出來後，幾秒鐘就可以算出來。剛才我們講的孫悟空的分身術也可以用來解釋這個道理。

比如說我們要走出一個有100個出口的迷宮，如果只有一個人，你可能需要平均嘗試50萬次，才能找到這個出口。但如果你有50個量子比特的話，你就可以把自己變成一百萬個分身，就可以非常快的找到出口，這就是量子計算的一個基本原理。

當量子比特數達到大概50個時，其計算能力就可以超過當前的超級計算機，當這個數達到300個時，它可以超過我們整個宇宙所有粒子數加起來的總和。

所以，我們希望發揮量子計算在這些方面的作用。未來，在發展出通用的量子計算機之前，我們可能會先發展出一些為專門目的而設計的量子模擬機，以用來解決一些特定的、具有重大經濟和社會價值的問題。

比如說高溫超導，我們現在對高溫超導的機制還搞不明白，一旦我們能夠把這個機制搞清楚，我們就可以把它用來指導、設計超導的一些新材料，這樣就可以解決很多的能源問題。

再比如高效的氮固化。我們很多人都在小學課本里學過，大豆的根瘤菌可以把空氣裡面的氮氣轉化成氮肥。但是這麼一個量子化學的過程，我們現在是沒有辦法把它給計算清楚的。目前我們要耗用全世界10%的電量來製造氮肥。如果可以用量子計算機把這個問題解釋清楚的話，就可以省下這巨大的能耗。

總體而言，中國目前在量子通訊方面處於一個全面領先的地位；量子計算方面，因為谷歌、IBM這些公司的介入，中國目前是在量子計算某幾個點上處於國際領先的地位。

量子信息時代的驚喜

雖然大家覺得量子力學很高冷，但其實量子力學已經在各個方面改變了我們的生活、經濟和社會形貌。比如說，沒有量子力學我們就不可能有晶體管，也不可能有計算機、激光、激光通訊網路、核磁共振、硬碟用的巨磁阻，還有高溫超導等等。

之前100年，量子力學已給我們帶來了很多激動人心的驚喜。我們也很有理由相信，在未來的100年，量子力學也會給我們帶來更多激動人心的驚喜。

我們希望，量子信息時代能夠給中國一個重新洗牌、彎道超車的機會，我們能夠把整個國家的力量整合起來，在量子信息這樣一個新的領域，在國際上取得一個比較領先的地位。

謝謝大家！

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