亚洲伊人久久精品影院,91精品尤物福利国产,欧美特黄一区二区,96久久精品人人妻人人槡

量子物理學(xué)家潘建偉：量子力學(xué)第二胎正準備展示實(shí)力

中國科學(xué)院院士、量子物理學(xué)家潘建偉

騰訊科技訊11月7日，2020騰訊科技WE大會(huì )在線(xiàn)舉行。中國科學(xué)院院士、量子物理學(xué)家潘建偉以量子計算和量子通信為題發(fā)表了演講。

潘建偉指出，我們目前面臨的計算能力瓶頸是我們擁有的計算能力非常有限。如果把世界上所有計算機的計算能力加起來(lái)，一年之內是無(wú)法完成2到90次方數據的窮舉搜索的，傳統的開(kāi)發(fā)模式目前受到了嚴重的限制。因為摩爾定律正在逐漸接近極限，晶體管的尺寸將在不到十年的時(shí)間內達到——亞納米的原子尺寸。這時(shí)，晶體管的電路原理將不再適用。

那么如何解決這些問(wèn)題呢？潘建偉給出了答案：量子力學(xué)。量子力學(xué)生的第一個(gè)孩子是現代信息技術(shù)，準備生第二胎，可以解決計算能力不足，信息傳輸不安全的問(wèn)題。

潘建偉介紹，量子計算本質(zhì)上，目前的國際學(xué)術(shù)界大概把它們分成三個(gè)階段：

第一階段：我們希望建造一臺比目前最快的超級計算機更快地計算特定問(wèn)題的機器。那么，為了實(shí)現這個(gè)目標，我們大概需要有50個(gè)相干操控的量子位，這也是我們當時(shí)學(xué)術(shù)界的目標之一。

第二階段：我們希望一臺量子計算機可以操縱數百個(gè)量子位，這叫做特殊的量子模擬器，這樣我們就可以用它來(lái)揭示一些經(jīng)典計算機無(wú)法完成的計算任務(wù)。

第三階段：我們希望實(shí)現一個(gè)可編程的通用量子計算機。

除了量子計算，潘建偉還介紹了量子通信中的相關(guān)應用，其中之一就是所謂的量子密鑰分發(fā)。比如，為了安全通信，兩個(gè)人可以發(fā)送一系列單光子，從A到b，狀態(tài)各不相同。

如果中間有一個(gè)竊聽(tīng)者，光子能量就不再可分，不能分一半，所以如果竊聽(tīng)者想把這個(gè)光子帶走，接收器B就收不到了。

或者說(shuō)如果竊聽(tīng)者測量這個(gè)光子，量子力學(xué)中有一個(gè)原理——測不準原理。測量光子會(huì )影響光子的疊加態(tài)。

所以竊聽(tīng)必然會(huì )被發(fā)現：一是不能分成半光子，光子是不可分的；第二，這個(gè)光的狀態(tài)是測量的，會(huì )被干擾。

然后這個(gè)通信的雙方就可以把已經(jīng)被別人干擾或者帶走的光子扔掉，就可以形成安全的密鑰分發(fā)。通過(guò)使用安全密鑰分發(fā)，可以實(shí)現加密內容無(wú)法破譯的安全量子通信。

最后，潘建偉說(shuō)，隨著(zhù)量子計算的發(fā)展，我們可以在很多方面使用它，比如破譯經(jīng)典密碼、天氣預報、金融分析、藥物設計，這些都是未來(lái)可以應用到的相關(guān)領(lǐng)域。

以下為潘建偉教授演講全文：

大家好，我很高興來(lái)到這里，與大家分享我們正在做的一些工作。

我叫潘建偉，來(lái)自中國科技大學(xué)。我今天給大家報道的題目是新量子革命。

請允許我從古生物學(xué)開(kāi)始。我們的古生物學(xué)告訴我們，10萬(wàn)年前有兩種屬。一個(gè)是尼安德特人，一個(gè)是智人。尼安德特人比智人強壯，甚至他的腦容量比現代人還大。智人，個(gè)體比尼安德特人弱。那么智人為什么會(huì )在進(jìn)化中勝出，成為現代人的祖先呢？主要原因是智人發(fā)明了基本的符號和語(yǔ)言。借助符號和語(yǔ)言，人們可以有效地交流信息，從而形成一個(gè)相互融合的社會(huì )群體。因此，他在面對大自然的各種困難時(shí)變得更加有效。

其實(shí)人類(lèi)進(jìn)化還有一個(gè)很重要的東西，就是隱私的保護。正是因為大腦里在想什么，正在想什么，別人不可能知道，所以才會(huì )導致思想的多樣性。思想的多樣性是創(chuàng )新和進(jìn)步的源泉。比如古希臘的雅典學(xué)院和春秋戰國時(shí)期的百家爭鳴，引發(fā)了推動(dòng)社會(huì )文明進(jìn)步的各種思潮。

在人類(lèi)歷史上，發(fā)生了一場(chǎng)重要的科學(xué)革命。根據牛頓力學(xué)，他告訴我們所有的力學(xué)現象都可以統一成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式F=ma。同時(shí)，麥克斯韋建立的電動(dòng)力學(xué)告訴我們，光電磁的所有現象都可以統一為一個(gè)方程組。第一次科學(xué)革命帶來(lái)的科學(xué)進(jìn)步極大地促進(jìn)了信息交流的效率。

在古代，信息只能通過(guò)口頭傳播。再近一點(diǎn)，大家都有了書(shū)和紙，可以用書(shū)把書(shū)傳播千里，然后就有了書(shū)。近代，科學(xué)革命推動(dòng)了第一次工業(yè)革命，即蒸汽機時(shí)代。同時(shí)推動(dòng)了第二次工業(yè)革命，進(jìn)入權力時(shí)代。因此，整個(gè)地球已經(jīng)成為一個(gè)地球村，信息交流的效率越來(lái)越高，極大地促進(jìn)了我們人類(lèi)文明的進(jìn)步。

隨著(zhù)量子力學(xué)和相對論的建立，發(fā)生了一場(chǎng)新的科學(xué)革命，這是人類(lèi)歷史上的第二次科學(xué)革命。在第二次科學(xué)革命中，我們基本上把過(guò)去100年來(lái)量子力學(xué)的應用歸功于第一次量子革命。在第一次量子革命中，產(chǎn)生了許多有用的東西。從某種意義上說(shuō)，我們的第三次工業(yè)轉型或者說(shuō)第三次工業(yè)革命是以信息技術(shù)為基礎的。信息技術(shù)硬件的基礎是量子力學(xué)。沒(méi)有半導體晶體管的發(fā)明，就沒(méi)有今天的電腦和手機，沒(méi)有萬(wàn)維網(wǎng)的發(fā)明，就沒(méi)有萬(wàn)物互聯(lián)的概念。

所以從計算、網(wǎng)絡(luò )、感知來(lái)說(shuō)，其實(shí)就是量子力學(xué)帶來(lái)的這么大的變化。因此，從某種意義上說(shuō)，信息交互一直并將永遠伴隨著(zhù)我們人類(lèi)的進(jìn)化和社會(huì )的發(fā)展。在我們的過(guò)程中有兩件非常重要的事情，第一是信息交流的效率，第二是對我們隱私的保護。這是剛才說(shuō)的。

那么這兩件事怎么做呢？我們可以通過(guò)提高計算能力和網(wǎng)絡(luò )效率來(lái)提高信息交互的效率。通過(guò)信息安全和網(wǎng)絡(luò )安全，我們可以加強對我們個(gè)人和各種隱私的保護。事實(shí)上，為了實(shí)現信息安全，我們設計了各種非常復雜的加密系統，以確保信息的安全傳輸。有矛有盾。二戰時(shí)德軍有一個(gè)非常先進(jìn)的密碼，被圖靈破解了?，F在廣泛使用的公鑰系統，1999年破解了RSA 512位，2009年破解了RSA 768位。我行目前使用的u盾，頻率大概在1024位左右。有人建議，隨著(zhù)計算能力的發(fā)展，最好不要用(RSA 1024)。所以人類(lèi)歷史告訴我們的經(jīng)驗是，依賴(lài)計算復雜度的經(jīng)典加密算法，原則上會(huì )隨著(zhù)我們計算能力的增加而被破解。

因此，我們的信息技術(shù)面臨著(zhù)一個(gè)信息安全問(wèn)題，即如何實(shí)現信息的安全傳輸。早在100多年前，就有一位作家寫(xiě)過(guò)一段話(huà)，說(shuō)人們早就懷疑“人類(lèi)的智能無(wú)法構造出人類(lèi)自己牢不可破的密碼?！蹦敲从锌赡軉?？這是我們以后要回答的問(wèn)題。

此外，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，我們的信息交換效率提高了，對我們計算能力的需求也在快速增長(cháng)。第一臺計算機建于1943年。當時(shí)它的重量是一噸，耗電8.5千瓦左右，每秒可算5000次。當時(shí)好像很快，于是當時(shí)的IBM總裁托馬斯沃森(Thomas Watson)預測，世界上只需要5臺這樣的電腦。

力的總和已經(jīng)超過(guò)了整個(gè)阿波羅登月計劃的計算能力總和。因此，從這個(gè)角度來(lái)看，我們對計算能力的需求正在迅速增長(cháng)。

目前，我們面臨著(zhù)計算能力的瓶頸，即我們擁有的計算能力非常有限。如果把世界上所有計算機的計算能力加起來(lái)，一年之內不可能完成2到90次方數據的窮舉搜索，但是這種傳統的開(kāi)發(fā)模式目前已經(jīng)受到了嚴重的限制。摩爾定律正在逐漸接近極限，所以在不到十年的時(shí)間里，我們晶體管的尺寸很可能會(huì )達到——亞納米的原子尺寸。這時(shí)，晶體管的電路原理將不再適用。那么如何解決這些問(wèn)題呢？

量子力學(xué)，可以說(shuō)他的第一個(gè)孩子是現代信息技術(shù)。但在100多年的發(fā)展歷程中，他準備要二胎，準備解決計算能力不足和信息安全傳輸不足的問(wèn)題。

這里我需要簡(jiǎn)單介紹一下什么叫做量子。所謂量子，其實(shí)就是物質(zhì)最基本的單位，能量最基本的載體，它的基本特征就是不可分割性。比如我手里有一支激光筆。如果你能用放大鏡看一下這支激光筆發(fā)出的光的能量，光本身其實(shí)是由很多小粒子組成的，所以我們把這樣的小粒子稱(chēng)為光子或光量子。不能再用刀切開(kāi)，變成1/2光子之類(lèi)的。它有基本特性，叫做量子疊加。

那么量子疊加是什么意思呢？在我們的經(jīng)典物理中，一只貓，可以是死的，也可以是活的，可以代表一個(gè)信息傳輸單位0或1，這是裝載了一位的經(jīng)典信息。但說(shuō)到量子世界，微觀(guān)世界的貓不僅可以處于0或1的狀態(tài)，還可以處于死態(tài)和活態(tài)的相干疊加。對于這樣的狀態(tài)，我們稱(chēng)之為量子位。這在物理實(shí)現上非常簡(jiǎn)單。

當光子在真空中傳播時(shí)，它可以被水平和垂直極化。這兩個(gè)狀態(tài)代表0或1。當它沿45度偏振時(shí)，其實(shí)就是所謂的量子疊加態(tài)|0 |1。然后愛(ài)因斯坦對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入思考。他說(shuō)，如果一只貓可以處于死與活的疊加狀態(tài)，兩只貓可以處于活與死的疊加狀態(tài)嗎？這就相當于兩個(gè)骰子糾纏在一起，即使相隔很遠，一個(gè)在合肥科技大學(xué)，一個(gè)在深圳騰訊總部。我們擲骰子的時(shí)候，單邊結果是完全隨機的，但是雙方的結果在當時(shí)的實(shí)驗中是完全一樣的。

愛(ài)因斯坦稱(chēng)這種現象為：遙遠地方的奇怪相互作用。這樣的現象叫做量子糾纏。我們如何通過(guò)實(shí)驗創(chuàng )造這種量子糾纏？你需要這個(gè)單一的量子控制。舉個(gè)例子，我有一杯水，你喝了很容易，但是如果你能把里面的一個(gè)水分子拿出來(lái)，技術(shù)上就變成一件很困難的事情了。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，科學(xué)家們慢慢掌握了取出一個(gè)光子和一個(gè)原子，根據你的需要進(jìn)行操控，并主動(dòng)操控的能力。

然后，有了這樣的能力，你就可以根據自己的需要控制每個(gè)量子位。然后這個(gè)時(shí)候一門(mén)新的學(xué)科誕生了，我們稱(chēng)之為量子信息科學(xué)，直接導致了第二次量子革命。那么量子通信原則上可以提供一種無(wú)條件安全的通信方式，量子計算可以提供非常強大的計算能力，可以用于各種復雜系統的研究。

量子通信的第一個(gè)應用是所謂的量子密鑰分發(fā)。比如有張三，李四。為了安全通信，他們可以發(fā)出一系列單光子，處于各種狀態(tài)，張三會(huì )發(fā)給李四。所以如果中間有竊聽(tīng)者，我剛才說(shuō)這個(gè)光子的能量不再可分，不能分一半，那么如果竊聽(tīng)者想把這個(gè)光子帶走，接收器李四是收不到的，所以你收不到這個(gè)秘鑰。

那么另一種可能，比如竊聽(tīng)者測量這個(gè)光子，就是量子力學(xué)中有一個(gè)原理——測不準原理。如果測量光子，會(huì )影響光子的疊加態(tài)，所以偷聽(tīng)的話(huà)會(huì )被發(fā)現。第一，不能分成半個(gè)光子，光子是不可分的；第二，這個(gè)光的狀態(tài)是測量的，會(huì )被干擾。然后這個(gè)通信的雙方，張三和李四，把別人干擾的或者別人帶走的光子扔掉，就可以形成一個(gè)安全的密鑰分發(fā)。通過(guò)使用安全密鑰分發(fā)，可以實(shí)現加密內容不可破譯的安全量子通信。

所以除此之外，我們可以利用量子糾纏將一個(gè)粒子的量子信息從一個(gè)地方轉移到另一個(gè)地方，而不需要傳輸物體本身。這里我舉個(gè)形象比喻。比如我要去深圳騰訊在合肥開(kāi)會(huì )，但是坐飛機來(lái)不及了。如果合肥的一個(gè)實(shí)驗室和騰訊總部的一個(gè)實(shí)驗室恰好有一團糾纏的物質(zhì)，那么我們就可以用這樣的糾纏物質(zhì)操縱合肥的潘建偉，纏住他。糾纏過(guò)后，你會(huì )得到一個(gè)信息。然后這種信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到騰訊深圳總部，也就是說(shuō)，如果我們對這些物質(zhì)做一些操縱，就可以構建出深圳的潘劍偉，我們稱(chēng)這個(gè)過(guò)程為量子隱形傳態(tài)。

那么，當然，在很長(cháng)的將來(lái)，我們可能無(wú)法傳輸一個(gè)復雜的物體，但是目前的技術(shù)已經(jīng)允許我們進(jìn)行多體、多終端、多自由度的量子隱形傳態(tài)。例如，由幾十個(gè)粒子、幾百個(gè)粒子甚至幾百萬(wàn)個(gè)粒子組成的系統的狀態(tài)可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中走來(lái)走去。所以這個(gè)東西其實(shí)是建造量子計算機的基本單位。那么量子計算機，因為它(量子位)可以處于量子疊加，它的計算能力隨著(zhù)可控量子位的數量呈指數增長(cháng)。所以我在這里舉個(gè)例子。舉個(gè)例子，用萬(wàn)億次經(jīng)典計算機分解一個(gè)300位的大數大約需要15萬(wàn)年，而你用萬(wàn)億次量子計算機只需要1秒。

解碼，天氣預報，金融分析，藥物設計，這是一個(gè)相關(guān)的應用。所以具體來(lái)說(shuō)，在量子通信中，我們可以非常方便地使用光纖將密鑰發(fā)送到城市中的成千上萬(wàn)個(gè)家庭。然后，在兩個(gè)城市之間，我們可以通過(guò)所謂的中繼器將它們連接起來(lái)，實(shí)現城市之間的量子通信。

在更廣的范圍內，我可以利用衛星中繼實(shí)現遠距離量子通信。在這方面，我國學(xué)者做得很好。在過(guò)去的十年里，城域網(wǎng)(MAN)的小規模應用開(kāi)始緩慢，然后逐漸擴展到我們的廣域網(wǎng)，比如一條從北京到上海的“京滬干線(xiàn)”，開(kāi)展一些相關(guān)的應用。

在此基礎上，為了實(shí)現廣域網(wǎng)。2016年8月，中國科學(xué)院又發(fā)射了一顆“墨子”量子科學(xué)衛星，該衛星有三大科學(xué)實(shí)驗任務(wù)。然后第一個(gè)科學(xué)實(shí)驗任務(wù)實(shí)現了衛星的量子密鑰分配，而這個(gè)，我們在這個(gè)實(shí)驗中成功完成了。

那么第二步就是實(shí)現幾千公里量子糾纏的分布。在1207公里范圍內，我們已經(jīng)證明了這兩個(gè)糾纏粒子具有愛(ài)因斯坦之前所說(shuō)的遙遠地方之間的奇怪相互作用的作用。除此之外，我們還實(shí)現了幾千公里量級的量子隱形傳態(tài)。所以這樣的技術(shù)在未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)中會(huì )非常有用。

除了在量子通信方面取得一些不錯的成果之外，世界上還有一個(gè)研究熱點(diǎn)，那就是量子計算。因此，目前國際學(xué)術(shù)界基本上將量子計算分為三個(gè)階段。在第一階段，我們希望構建一臺比目前最快的超級計算機更快地計算特定問(wèn)題的機器。那么，為了實(shí)現這個(gè)目標(也叫“量子優(yōu)勢”)，我們大概需要有50個(gè)量子比特的相干操控，這是我們當時(shí)學(xué)術(shù)界的一個(gè)目標。

隨著(zhù)這個(gè)目標的完成，在第二階段，我們希望有這樣一臺可以操縱數百個(gè)量子比特的量子計算機。我們稱(chēng)之為特殊的量子模擬器?？梢杂脕?lái)揭示一些經(jīng)典計算機做不到的計算任務(wù)。然后，通過(guò)更長(cháng)期的努力，我們希望實(shí)現一個(gè)可編程的通用量子計算機，這是我們從事量子計算頭腦中的一個(gè)發(fā)展歷程。

去年，美國谷歌公司(Google Inc .)利用世界上第一臺超導量子計算機，首次實(shí)現了量子優(yōu)勢。在它的工作中，它說(shuō)使用它的53位超導量子系統，花了200秒完成一次隨機線(xiàn)采樣。然后根據他們的理論，世界第一超級計算機Summit用了一萬(wàn)年才計算出同樣的東西。當然后來(lái)大家對算法做了一些改進(jìn)。也許Summit可以借助其他資源在幾天內完成，但無(wú)論如何，這是它第一次意識到量子的優(yōu)越性。

所以在這個(gè)方向上，中國學(xué)者也做的比較好。2017年，中國學(xué)者實(shí)現了光學(xué)量子計算的第一個(gè)原型，可以解決具體問(wèn)題，超越早期經(jīng)典計算機。最近有一些比較好的進(jìn)展。已經(jīng)進(jìn)行了50個(gè)光子左右的玻色采樣，應該也達到了這樣一個(gè)超越Google的量子優(yōu)勢。此外，中國學(xué)者最近在往年工作的基礎上對約60個(gè)超導量子比特進(jìn)行了相干操縱，估計有望在今年年底實(shí)現超導系統的量子優(yōu)勢。

最后，我將做一個(gè)總結，并簡(jiǎn)要展望我們領(lǐng)域未來(lái)可能的發(fā)展。然后經(jīng)過(guò)10到15年的努力，希望能全面發(fā)展天地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)體系。在此基礎上，應用于國防、政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域。為最終形成下一代國家信息安全生態(tài)系統奠定基礎，這是第一個(gè)方面。

第二個(gè)方面，我們希望在量子計算中，通過(guò)數百個(gè)量子比特的相干操控，可以解決一些實(shí)際問(wèn)題，超越目前的超級計算機，解決一些重要的科學(xué)問(wèn)題。

此外，我們也希望通過(guò)十到十五年的研究，能夠開(kāi)發(fā)出具有基本功能的通用量子計算原型，從而初步探索密碼學(xué)分析和大數據分析中的相關(guān)應用。

我的報告到此為止。非常感謝您抽出寶貴的時(shí)間來(lái)聽(tīng)我的報告！返回主頁(yè)查看更多信息