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中国量子科技领域的泰斗潘建伟我国在量子通陵

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来源: 作者: 2019-02-13 22:47:12

中国量子科技领域的泰斗潘建伟:我国在量子通信应用方面已走界前

飞象讯10月9日消息,由腾讯公司、中国电子技术标准化研究院等企事业单位共同创办的“2016第二届中国互联安全峰会”在国家会议中心召开,飞象为您作全程直播: 以下是中国量子科技领域的泰斗、中科院院士、量子信息和量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟的视频: 大家好!我叫潘建伟,来自中国科学院,主要从事量子信息方面的研究工作。这些年来在国家有关部门和支持之下,我国的学者在量子通信领域取得了一些比较好的进展,量子通信作为目前为止唯一被证明更加安全的通讯方式,可以从根本上解决通讯安全的问题。 随着国内各个团队的合作,随着量子卫星“墨子号”的发射和量子京沪干线的建成,我国在量子通信应用方面已经走在了世界的前列。当然,目前我们也面临着比较严峻的来自与欧洲和美国的竞争,非常信心在国家有关部门和的支持下,能够继续保持领先的地位。 因为特殊的原因,非常遗憾今天不能参加峰会,我衷心地祝愿第二届中国互联安全峰会取得成功,谢谢大家。 (主持人:虽然潘院士不能亲临现场,但他刚才提到墨子号和量子通信京沪干线,今天委托了他的助理,国家发改委、中科院量子物理与量子科技前沿卓越创新中心、京沪干线的总师陈宇翱教授为大家带来新量子的。) ----------------------------- 陈宇翱的: 非常容幸能够参加今天的峰会并与大家分享我们在量子信息方面做的一些工作。我今天报告的主题是想通过接下来半个小时的时间对量子信息的回顾和展望。 量子力学在上世纪建立以来催生了和生活相关的科技,包括晶体管、激光、巨磁阻等我们现在生活离不开的一些技术。回头来看这些应用都是从上至下的过程,是对宏观量子效应的被动观测的应用的展现。 举一些例子,比如说重大的应用核能。核能在研制过程中,发现我们从前的计算跟不上要求了,导致现在的通用计算机的产生。在研究过程中,在研究粒子对撞机的时候海量的数据下传导致了互联的产生,对于精密测量时钟的研究导致了GPS的产生。 20世纪在研究量子力学和的过程中产生的信息科学为人类带来了科技方面的巨大的进步。 随着科技的进步和发展也产生了一些瓶颈。以信息科学为例,尽管目前人类对于计算机的能力需求与日俱增,某种程度上是贪得无厌的,但全世界的计算机的计算能力很有限,加起来也没有办法完成2的80到90次方数据的。 我们用的密码只是0和1,不用别的,当你的密码达到90位的时候,全世界的计算机加起来要扫描一年才能勉强扫出来。另一方面,刚才也讲到了信息安全的一个瓶颈,我们无所不在的登事件告诉我们有芯片有后门,包括去年《纽约时报》报道NSIgoogle和亚马逊的数据中心,本身它不需要数据中心,只需要对传输线就可以获得所有的信息。 随着我们计算能力越来越高,我们所有传统的加密体系都基于计算的复杂度,随着计算能力越来越强,一旦有量子计算,所有依赖于计算复杂度的传统的加密算法原则上都可以被破解。而在过去100年的发展中,非常有意思的是,量子力学在发展中已经为解决这些问题做好了准备。 首先我简单介绍一下量子力学,量子力学是这五位普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔建立了量子力学,量子是能量的最小单位,我每次按翻页它发出去的电波含了10的九次方的量子,每按一下就会发到接收器上,就会产生。 它有不同的表现形态,比如激光不停地衰减到最后就成为粒子化了,分到最后不能再继续往下分,别的系统原子、粒子都可以是量子形态。 量子有一个和我们现在的世界不一样的地方。经典世界里,一个人要么在这里,要么在那里,像潘院士的时间和现场形成冲突了,他就没有办法到现场来汇报。 但量子世界里不一样,同时可以处在不同地方的叠加态上,如果在量子世界他就可以分身过来。但量子非常脆弱,你不能看他,一看他,他的分身就会坍缩。这个我不多讲了。 当我们把信息加载到比特上和经典的不一样,经典的要么是0要么是1,但量子可以处在叠加态上。著名的“薛定谔猫”能够处在复合态度上,当光运行的时候可以水平震动,也可以垂直振动,也可以处在叠加态上振动。 有一个未知的量子态我对它进行测量,如果不在水平竖直的基础上进行测量的时候,它会以一定的概率反射,我不能对它进行完美的测量,这是“测不准原理”。 另外有一个很有名的量子叠加可以推导出量子不可克隆。假设我有一个克隆机,经典的很简单,一张纸对它扫描一下,重新打印出来就是从一张白纸变成了两个一模一样的白纸。 但假设我有量子,左边是的0和1是目标位,右边是靶位,如果有电子克隆机,

中国量子科技领域的泰斗潘建伟我国在量子通陵

刚才我们讲过它处于叠加态上,当我们输入0+1的时候,它是00+11的叠加态。它不等于我们想要的0+1和0+1克隆的输出。这么简单的公式可以知道一个未知的量子态没有办法被精确的克隆。 刚才讲到00+1实际上相当于把量子叠加运用到多个量子上,形成了量子世界更为让人着迷和疑惑的量子纠缠。当这两个色子综合到一起,无论放在多远,比如一个放在地球上一个放在月球上,每次测量,这边一测量那边的结果也是跟着一模一样的。 爱因斯坦叫这个是“遥远距离的皈依的互动”,他一辈子都不愿意接受这个事情,他认为当这两个粒子分割到足够远的时候,你扔色子的时间乘光速比这个距离还远的时候,他认为这个信息无论如何也传不过去,对一边的测量不会对另一边进行改变,但量子力学告诉我们这个改变是瞬间发生的,这就是量子纠缠。 当时在量子力学建立后,一方面是宏观应用,另一方面少量的科学家从人工调控、量子叠加、量子纠缠出发,从一个从上至下的过程中发生出了一系列的技术,为刚才我讲的一些瓶颈得到了解决手段,催生了量子通信科学,它有无条件计算能力的飞跃,对物理系统的模拟。 接下来我介绍一下量子信息科学的东西。 量子通信,包括了量子密钥分发和量子隐性传态。利用量子的方式传递密钥用于安全经典的通信,而量子隐性传态当你需要传送的东西是量子态的时候怎样传送。 刚才我们讲过量子不可分割,单光子不可分割,一旦有人试图看它的时候它会被改变,我们可以利跟另一个美艳的英格拉姆小姐生个孩子呢?用单光子构建这样一种通信方式,一旦有人一定会被发现。 接下来我们怎么做,如果想要建立密钥,建立保密通信,先发密钥再检查这个密钥有没有被,确保这些密钥没有被后我再来通过密钥加密信息,这个信息从公用的信道传统光纤上传递就可以了。 这是一个原理上无条件安全的通信方式,它是基于量子力学的基本原理,从根本上解决了信道之间的安全性的问题。本身这个密码完全随机和一次一密的安全性是相容在上个世纪50年代就证明了。 量子密钥分发的安全方式也是2009年被在数学上证明了,只要率成立,只有信息不超过光速安全性就可以。 利用量子纠缠我们需要传递量子态的时候怎么办?可以用量子隐性传态的方式。 比如我今天来到,我的电脑是量子锁,我的钥匙忘带了,我和爱人共享了一个刚才说到的纠缠在一起的白钥匙,我让她在家里对我原本的钥匙和她手上的白钥匙做一个测量,她打告诉我测量结果,我对我手上的白钥匙做一个操作,我手上的钥匙就变成了原来的钥匙,我太太手上的钥匙就消失了。 这看上去就是一个量子态,物理上不用穿过任何的距离,一个地方消失一个地方出现,这本身不能超过光速,我需要得到爱人测量结果的信息才能把我的钥匙变成原来的钥匙。 英文叫做Teleportation。之前有人翻译叫做瞬间移动,我们管它叫做量子隐性传态,但它的传递不会超过光速,因为我需要得到测量结果。 不管怎么样,未来物理上至少没有这样一个过程,当有足够的资源我们可以把人分解成基本粒子,对两个大的纠缠性进行测量,随后把数据传递过去,人就从另外一个地方出现。 至少在我看来,如果说能完成,未来的星际旅行,我认为这是最安全的一种方式。当然我们现在只完成了对一个光子的两个度的传递,那么到人完全能够分解成基本粒子到底行不行,还要很多年,反正我是肯定看不到了。 第二条量子计算和量子模拟。量子计算,因为我们知道经典计算机里如果有10个比特,2的10次方1024个,它可以处在所有的叠加态上,对这些态做一次操作,相当于对经典计算机做2的十次方的操作,这是真正的一个并行的操作。 举个例子来说,我用THz赫兹的计算机分解一个大数要100万年,但我有同样的量子计算机一秒钟就可以分解出来。这将会有很广泛的应用。 量子模拟原本当时提出来的时候,是以量子计算的方式被提出来,但随着发展变成了量子计算的分支。 它是计算一个复杂体系的行为。举个例子来说电子的运动,因为电子也同样有自袁朝上自旋朝下,也可以处在这样一个叠加态上,当300个叠加态运动需要的空间是2的300次方,已经超过了的组合,它只能处理45个电子,各位手上的计算机也能够处理20到25个电子。弗满提出我们可以由此可控量子化完成对复杂体系的模拟。 MITTechnology曾经关于Google和IBM开展量子计算研究竞争发表论证,当量子计算机发展到50量子位的时候就能实现量子称霸,我的计算机能够比任何经典计算机都快,当能够超过50个量子位的时候。 量子精密测量,直接以潜艇的为例。如果我们现有的最好的技术,长期潜伏的话,如果是航行100天它的误差大概是200公里,中间必须要上浮找卫星信号定位重新修正。 但目前在实验室的技术里,误差已经达到航行100天不超过误差1米。在目前产品化的技术100天不会超过1公里,这可以说在很多潜艇一旦下去就不用上来,不用在中间浮上来,可以实现长期潜伏。 量子信息的重要科学意义。也就是说目前我们已经有5位科学家获得了沃尔夫,有三位科学家获得了诺贝尔。 接下来我讲一讲我们在这里面做的一些工作。量子通信目前的发展线,首先在城市内用传统的光纤来构建城域量子通信络,城市之间可以通过量子中继连接,在更远的地方,边远地区,光纤不是那么容易到达的地方,或者因为我需要获得国外的大(许可)量子通信光纤过不去的情况下可以用卫星中转,这是目前的线图。 在城市化量子通信方面,我们从2008年构建了第一个全通型的五个节点的络,60周年阅兵时构建了量子,合肥城域2012年构建推荐人:twzh610896754了46个节点的络,在这个络的基础上我们又进行了升级,在2013年济南构建了50多个节点的络,90多个用户已经24×7无故障运行超过了2年。 在此基础上2013年发改委立项建立了京沪干线,希望建成连接和上海之间的络。 这个络现在是由我们科大牵头,由工商银行、银监会、、中国希望能够实现远程灾备、同城灾备、舆情系统的各个应用的展示。 目前量子信道已经通了,设备在我们室内做了超过半年的无故障运行的测试后现在正在上线,合肥到上海段马上要开通,其他的陆续要上线,应该在年底会全部建设完成。 我刚才讲到的在更远的地方需要用卫星来中转。科学院的量子科学卫星“墨子号”已经在8月16号发射,有几个任务: 一是高速的密钥分发,相当于通过卫星中转连接到乌鲁木齐或者和海外合作实现洲际密钥分发。 二是有纠缠源,无论相隔多远始终是纠缠的,到底能分多远是科学家一直追求的极限目标,目前在地面上最多由我们的团队完成的分到了100公里,这个新的任务就是想要把纠缠分到1000公里,验证它的非定域性。 三是量子隐性传态,希望完成从地面站到卫星之间的量子隐性传态,把量子从地面站传到卫星上去。整个这是一些参数。 8月16号墨子号成功发射,现在在轨测试三个月后会交给我们做实验,目前量子信道都已经建立,这是长时间的照片拼起来的,新上的信标光是绿色的,地面上的信标光是红色的,目前量子线也已经建立。 量子计算,我们一个很大的目标是越来越多的纠缠时点,最少是2个,我们希望能够越来越多的量子纠缠,当能够达到50个量子的时候就能实现“量子称霸”。 这个目前处在起步阶段,每个体系我们都有布局,未来到底哪个体系会胜出,现在不敢下,比如说有光子、冷原子、腔QED、、固体、离子阱,未来在哪个实现还没有。 量子计算我们做了很多工作,时间关系我不一一细讲了,讲两个有影响的。 一是量子通信方面的,2012年自然年度十大科技亮点时指出,标志为中国在量子通信的崛起,从十年前不起眼的国家发展到现在的世界劲旅。量子计算,新科学家发了一个专刊,他这里面认为我们第一代量子计算机很有可能在中国产生,他称之为“人民的量子计算机”,他指出合肥原本是以传统的芝麻饼和豆腐出名的,而不是前沿物理,但潘建伟和他的同事们正在改变这一切,使得中国在量子计算的领域走在了前面,占据了一席之地。 目前量子信息科技发展的趋势已经达到了深化发展、快速突破的阶段,需要各个学科的融合,企业、、部门都要集全国之力来做这件事情。 目前国际竞争也常激烈,国际上也是一样,从主导,美国门2013年把量子信息列为六大领域之一,科大也是作为重点关注的单位,当时它列出了六个单位。今年5月份美国科学基金会也把量子信息作为未来六大科技前沿之一。欧洲也是旗舰计划,希望未来五年内支持10亿欧元的项目。 我们知道企业也开始参与,比如google开始参与人工智能实验室,微软、IBM都开始了量子计算方面的研究。Battelle公司正在建设全美商用量子通信络,希望把cebook、google等大公司的数据中心连起来。 我们这边发展的规划是希望能够在基于京沪干线的基础上布局多横多纵”的络,这是地面的。 天上我们在墨子星发射后还要继续发射更多的卫星。这一颗星目前只能在晚上做实验,在地影区,因为我们所有的实验都是在单光子的级别,不要说太阳了,连月亮下来的光都要远远超过我们的信号的,所以只能在地影区做实验。 但地面上我们已经完成了技术攻关可以在白天做了,未来我们要在星上实现地影区,实现全天时的构建量子星座。2020年的空间站项目中已经布局了白天的星星之间的量子通信项目。 另一个,量子计算和量子模拟,我们希望在五到十年内完成80到100个比特的相干,实现量子计算机的基本功能,在复杂的体系能够解释自旋霍尔效应、高温超导机制等。 目前他们研究高温超导只能去试,就像中国人炒菜加少许盐和糖就很好,但到底是多少我们不知道,我们希望通过我们的计算能够精确告诉他们,盐加5克糖加6克会最好,我们希望通过量一路跌跌撞撞、风尘仆仆子模拟的方式来找到这些机制。 当我们能够100个量子的计算机,它已经是全世界计算能力总和的100万倍,这相信在不到10年内就能够实现,现在我们5年内希望能够达到50个。 量子通信未来的发展展望,在地面和天上的基础上,能够形成这么一个天地一体化的全球量子通信的基础设施,形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统,量子通信保障的量子互联,我们希望能够用量子技术互联上每一个比特。 量子计算和量子模拟未来的展望,我们希望能够通过在普世的量子计算机还需要一些时间的时候,已经在一些特定的数学问题上构建特定的量子来高温超导或高效固氮,在不同的领域能够构建特殊的量子计算机(数学问题上)完成给大家提供服务。 精密测量很显然有潜艇的自主、飞行器自主、精确制导等国防方面的应用。 做一个小结,曼哈顿计划研制出第一颗影响了世界的格局,量子信息现在是不亚于曼哈顿计划的领域。第一代量子力学在上世纪给我们带来了巨大的影响,我们希望新一次的量子中,我们能够从之前的跟跑者变成在新的量子中的领跑者,我的报告就到这里,谢谢大家。

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