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，有的培訓機構推出“量子波動速讀法”，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，中國科技大學教授、中國科學院院士潘建偉。
量子科技的基礎是量子力學，不治糖尿病、癌癥等疑難雜癥
記者：量子科技的基礎是量子力學，您能否介紹一下量子力學是什么?量子革命是怎么回事?
潘建偉：量子力學誕生于20世紀初。從1900年普朗克提出量子論的百余年來，眾多物理學家通過對量子規(guī)律的觀測，已經(jīng)成功構建起量子力學的理論大廈。通過量子力學，人們深入認識了微觀世界的規(guī)律，在此基礎上產(chǎn)生了半導體、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，這是人類的第一次量子革命。
與經(jīng)典力學相比，量子力學所描述的微觀粒子具有量子疊加的特性。如果把量子疊加擴展到多個粒子，就會產(chǎn)生“量子糾纏”現(xiàn)象。愛因斯坦就把量子糾纏稱為“遙遠地點之間的詭異互動”。科學家在對量子糾纏這一詭異互動展開大量實驗研究的過程中，發(fā)展起來了精細的量子調(diào)控技術，人類從對量子規(guī)律的被動觀測，發(fā)展到能夠對量子狀態(tài)進行主動操縱，這就類似于人類對生物學的認識，從孟德爾遺傳定律到DNA結構的偉大跨越。
結合量子調(diào)控和信息技術，產(chǎn)生了量子信息這一新興學科。量子信息包括量子通信、量子計算和量子精密測量三方面的應用，可以在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典技術的瓶頸。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)過學術界多年努力，目前量子保密通信和量子雷達進入了實用化階段，也有了相關產(chǎn)品，其他的量子技術離產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化還需要一定的時間。至于市場上出現(xiàn)的量子鞋墊、量子水杯、量子波動閱讀法等，都跟量子科技毫無關系，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用。
量子通信的兩種典型應用：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入實用化階段，能否詳細介紹一下?
潘建偉：國際學術界將量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)統(tǒng)稱為量子通信。量子通信其實包括兩種最典型的應用方式，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基本原理，和傳統(tǒng)的加密算法不一樣，它的安全性與計算復雜度無關，只要量子力學是正確的，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)從一個粒子傳送到另外一個粒子，而不用傳送信息載體本身。做一個形象的比喻，上海有一個微觀客體，可以由幾千、幾萬個原子組成。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行一種共同的測量;測量完以后，可以把測量結果通過無線電臺發(fā)送到北京，北京只要根據(jù)這些結果對手中粒子進行相應的操作，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建量子網(wǎng)絡，同時也是實現(xiàn)遠距離量子密鑰分發(fā)的重要環(huán)節(jié)。
量子計算機具有超強計算能力，人類大腦的運行機制可能和量子計算機有相通之處
記者：最近量子計算機也是一個熱門話題，請您介紹一下量子計算的原理和發(fā)展趨勢。
潘建偉：經(jīng)典計算機的一個比特只能處于0或者1兩種狀態(tài)之一，兩個比特就只能處于00，01，10，11四種狀態(tài)里的某一個。而對于量子計算機，一個量子比特不僅可以處于0或者1，還可以同時處于0和1兩種狀態(tài)的疊加，兩個量子比特就可以同時處于四種狀態(tài)的疊加，這就意味著量子計算機原理上可以對四個數(shù)據(jù)同時進行計算，因此量子計算的計算能力隨著量子比特數(shù)目呈指數(shù)增長，可以為人工智能、密碼分析、氣象預報、藥物設計等所需的大規(guī)模計算難題提供解決方案。比如說，有的量子計算機可以快速分解大數(shù)，而分解大數(shù)的計算復雜度是目前廣泛使用的公鑰加密算法安全性的基礎，如果量子計算機研制出來，傳統(tǒng)信息安全體系將受到很大威脅;量子計算機還可以快速求解線性方程組，在人工智能、大數(shù)據(jù)等領域將會有非常廣泛的用途。
量子計算的發(fā)展有三個階段：第一階段，針對某一些特殊問題，要造出一臺機器來，可以比目前最快的超級計算機要算得快，這被學術界稱為“量子優(yōu)越性”。達到這一目標需要能夠相干操縱大概50個量子比特。
第二階段，我們希望能夠操縱數(shù)百個量子比特，可以實現(xiàn)專用的量子模擬機，對有些復雜物理體系的機制，比如高溫超導等，目前的超級計算機算不了的問題，我們能夠來算，來解決實實在在的問題。
第三階段，實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，就像我們現(xiàn)在用的計算機一樣可以計算很多問題。達到這一目標的關鍵是量子糾錯。目前到底在哪個物理系統(tǒng)實現(xiàn)還沒有定論，所以需要各種體系，光、超導、超冷原子、離子、固態(tài)、拓撲態(tài)等等，來開展相關工作。實現(xiàn)可編程的通用量子計算機還需要20年甚至更長的時間。
我們在量子計算的研究主要集中在三個方向：第一，光量子計算，我們已經(jīng)做到了相當于48個量子比特的結果，今年有望實現(xiàn)50或者60個光子的相干操縱，也能夠達到量子優(yōu)越性。我們的技術途徑跟谷歌不一樣，谷歌是用隨機線路采樣，我們是用玻色取樣。玻色取樣的優(yōu)越性有嚴格證明，我們的系統(tǒng)按照目前最優(yōu)的算法估計，可以比頂點計算機快百萬億倍左右。第二，在超導量子計算方面，最近我們已經(jīng)達到了24個超導量子比特，希望在今年年底，我們能夠做到60個左右量子比特的相干操縱，也能夠達到量子優(yōu)越性。第三，我們還是希望能夠像費曼所說的，來真正解決一些物理、化學、材料等領域很重要的、經(jīng)典計算機解決不了的問題，大概需要操縱幾百個粒子系統(tǒng)，目前我們在超冷原子量子模擬方面已經(jīng)有比較好的進展了。
長遠來看，量子計算可能在人工智能方面有很重要的應用。這是由于，經(jīng)典計算機終究是決定論的，經(jīng)典的人工智能不管發(fā)展到什么程度，我們?nèi)匀挥X得這是一部機器，是一個機器人，它不可能完全像人類大腦一樣去思考。而量子力學第一次把觀測者的意識與物質(zhì)的演化結合起來，有的科學家因此猜測，人類大腦的運行機制可能和量子計算機有一些相通之處。隨著量子計算的發(fā)展，也許可以幫助我們更好地理解人類的智慧。
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