中国科学技术大学教授 陆朝阳

量子物理带给未来无限可能

中国科学技术大学教授 陆朝阳

“我们希望通过五年的努力，能够在量子计算领域达到目前商用计算机的最好水平。我们希望通过十年的努力超越目前世界排名第一的超级计算机的计算能力。通过十五年的努力，能够达到天河二号百亿亿倍的能力。”

冷门的量子物理学和我们高大上的计算机、互联网有什么关系？

首先，当我们回顾物理学的历史，几百年来，物理学不断催生一些创新技术，比如，为了计算导弹和核武器，需要有大量的计算，所以催生出了计算机。此外，欧洲的科学家为了在全世界分享数据，直接发明了万维网。我们可以做更大的开发。比如《西游记》里孙悟空的分身术、顺风耳。随着近代物理学的发展，曾经这些我们觉得很荒谬的想象变成了现实，千里眼和顺风耳已经实现。有人说，现在的苹果手机足够好用，不需要量子物理来改变生活。但实际上，随着社会的不断进步，我们已经遇到了不少瓶颈问题。未来的计算机应该是什么样的？我们要持续地增长我们的计算能力怎么办？阿里巴巴集团首席技术官王坚博士曾说，我们现在每个人所消耗的晶体管数量和消耗的大米数量是一样的，这就说明了人类对于计算的需求是迫切的。

其二，是我们的密码学。基于数学上的安全性，大家淘宝账户上的密码，目前的计算机需要几百年才能破解，即使它不是绝对安全，你依然会很放心地使用。但是，随着数学计算能力的不断提高，量子计算机的方式使得这种依赖于数学的安全不断受到挑战。近期频发的网络安全事故，进一步证实了这些安全瓶颈成为一个非常严重的问题。

量子力学在一百多年的发展过程中已经为解决一些当代前沿问题做了准备。那究竟什么是量子呢？它有什么样的表现形式？量子是构成物质和能量的基本单位。我们的手机、电脑等电子产品的一些量子状态可以处于0和1，而且可以同时处于0和1，这就出现了兼明的现象。人也可以具备这种现象——既可以身处上海又能够在杭州，但实际上在我们的兼明里是一种或者的状态，而在微观领域，这是一种类似于孙悟空的分身术。如果我有两个电子或者说两个光子，我们就可以让它处于另外一种状态。一般置备了两个量子之后，不管距离多远，中间有任何阻隔，它们一直会保持心有灵犀的关系。当测量某一个粒子时，另外一个粒子会收到相应的影响。

这样一种奇妙的现象能够给我们带来哪些新东西呢？第一个变化是量子通信，它背后的物理原理正如我之前所阐释的，实现上相对比较简单。我们在2007年的时候开始进行产业化方面的研究，国庆阅兵的时候建立了城市范围之内的量子光纤网。“十八大”会议期间也用到了量子通信的技术。目前，在北京、上海、济南等城市建立了多个节点的网络之后，我们正在进行的一个项目是连接北京到上海的量子通信主干网，预计在2016年能够建成并投入使用。为了实现更加远距离的通信，我们目前正在进行的另外一个中科院的量子卫星项目投入6至7个亿，通过卫星来实现超远距离的通信，例如，通过卫星的方式中转与国外大使馆之间的通信。我们首先实现城市范围之内的量子通信网，通过量子通信实现城市间的网络，再利用卫星实现超远距离的量子通信网络。目前，从事该领域工作的公司主要包括科大、国盾，以及阿里在量子通信基础设施之上开发的各种各样的用户应用。

以上是关于量子通信的内容，能否更加给力一点，做一些更有想象力的事？比如在星球大战的时候，我们能否实现当时科幻电影里面所描绘的瞬间转移的事。量子物理学告诉我们这是可以实现的。

量子计算目前还处于比较基础的研究阶段，因为量子可以同时处于多种状态。比如，有三个量子，它们可以同时存在01234567这八种状态。我只要把它做一次运算，它就提供了一种原理上真正的并行计算，这样一种并行计算会带来一个非常大的提速或者说加速。分解这个数是之前提到的密码学的基础，是配套的。量子计算机真正造出来后，现在所谓的密码都不堪一击了。量子物理学给大家关了一扇门，但是也打开了一扇窗。

在量子计算方面，在光量子的操作领域方面，我们国家的研究水平一直处于世界领先地位。国际上，目前量子领域的投入也非常大，IBM投入了30亿美元，美国欧洲也纷纷组成了很多联合的量子实验室，还有更多的人积极地介入量子通信产业。从2014年年终开始，中国科学技术大学和国家有关部门探讨，希望联合高校和国家的通信部门进行合作和研发。7月底中科院和阿里巴巴在上海建立了一个联合实验室，这是我们国家私营企业第一次大规模介入基础研究，这对我国的科学研究试验是具有里程碑意义的试验。

我们希望通过五年的努力，能够在量子计算领域达到目前商用计算机的最好水平。我们希望通过十年的努力超越目前世界排名第一的超级计算机的计算能力。通过十五年的努力，能够达到天河二号百亿亿倍的能力。虽然量子的数目并没有增加很多，但量子计算的能力是随着数目指数上升的，所以几十个比特的提升就能带来计算能力爆炸性的增长。

回顾量子物理的发展史，量子物理通过信息技术、生物技术极大地改变了我们的社会面貌和生活水平。希望在大家的共同努力下，在未来的50年到100年，量子学能够给我们带来更多的惊喜。