潘建偉：探討他的研究成果以及量子信息科技的發(fā)展前景

1985年，物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）認為，受量子力學規(guī)則支配的計算機可能能夠超越當今使用的經(jīng)典計算機。在同一時間，其他研究人員表明，量子態(tài)編碼的信息可以使用一種加密方式在發(fā)送方和接收方之間傳輸，這種加密如果沒有被檢測到就無法被截獲和讀取。

現(xiàn)在，量子計算機和量子密碼學已經(jīng)成為現(xiàn)實世界量子信息技術(shù)的核心組成部分，可能很快就會應(yīng)用到科學、工業(yè)和社會等領(lǐng)域之中。

隨著以量子為核心力量的的全球信息網(wǎng)絡(luò)——量子互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，這些應(yīng)用將越來越可能實現(xiàn)。中國處于該領(lǐng)域的最前沿，這些成就的鑄造者之一正是中國科技大學教授潘建偉。作為量子信息領(lǐng)域的引領(lǐng)者，潘建偉教授師從量子信息領(lǐng)域的開拓者安東·塞林格（Anton Zeilinger），在維也納大學獲得博士學位之后，將這一新興技術(shù)帶回了中國。并于2012年獲得國際量子通信獎；2017年入選《自然》年度“十大科學人物”；同年7月，潘建偉和他的團隊實現(xiàn)了從地面基站到距離1400千米的衛(wèi)星的“量子隱形傳態(tài)”。

《國家科學評論》（National Science Review, NSR）近日對潘建偉院士進行專訪，探討了他的研究成果以及量子信息科技的發(fā)展前景。

采訪全文如下：

量子互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)的概念正在走向大眾，但它究竟意味著什么？

潘：我們知道，互聯(lián)網(wǎng)是一個用于傳輸、處理和存儲經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)同樣如此，只是它處理的是量子信息。量子互聯(lián)網(wǎng)首先要面對的實際任務(wù)是在無條件安全的情況下實現(xiàn)全球性的密鑰共享（也就是說，量子信息是完全防篡改的）。量子比特和量子糾纏（量子比特互相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)）將是量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源。在該系統(tǒng)中可以實現(xiàn)各種量子信息任務(wù)，包括任一節(jié)點之間的信息量子隱形傳態(tài)，分布式量子計算和高精度量子計量。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)使用的量子物理學的基本原理是什么？

潘：量子信息理論建立的基本原理是量子疊加。量子疊加讓一個量子比特不僅能夠表現(xiàn)出0或1的傳統(tǒng)比特狀態(tài)，也能夠呈現(xiàn)出其他任意中間狀態(tài)。

經(jīng)典物理中，一個比特只能處于狀態(tài)0或1。但是在量子世界中，量子比特可以是0 + 1的疊加態(tài)，也可以是同時為0和1的其他不同組合狀態(tài)。

量子世界中一個基本原理是，沒有一個單一的測量方法能夠揭示一個未知量子比特的所有信息。這也就引出了量子不可克隆定理，它定義了一個未知量子態(tài)不能被精確復(fù)制。當量子系統(tǒng)由兩個或更多個量子比特組成時，量子疊加就成為了量子糾纏，并使得狀態(tài)空間呈指數(shù)級增長。不確定性原理和不可克隆定理是量子通信和量子計算的基石，也是量子互聯(lián)網(wǎng)的基石。

而量子隱形傳態(tài)是一種將未知量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一個粒子的方法，而這一過程并不需要發(fā)送原始粒子本身。假設(shè)存在一對糾纏的粒子，a和b，在位置A和B之間交換信息。接著，一個未知的量子比特c需要從A轉(zhuǎn)移到B。為了實現(xiàn)遠距傳送，在A處我們對a和c進行集體測量，并根據(jù)測量的結(jié)果對粒子b進行相應(yīng)操作。

此時，未知信息將在c中被“銷毀”并被“傳送”到b。但是如果要在B處接收到信息，則需要獲得A處a+c測量獲得的信息。這一量子信息只能通過傳統(tǒng)方式進行傳遞，速度不能超過光速。換句話說，盡管量子糾纏的坍縮，也就是將粒子c的狀態(tài)傳遞到粒子b上是即時發(fā)生的，但量子隱形傳態(tài)依然不能以超光速遞信息。

如何才能實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)（的構(gòu)建）需要哪些主要技術(shù)？現(xiàn)有的光纖和衛(wèi)星等基礎(chǔ)設(shè)施能否支持它，還是需要新的基礎(chǔ)設(shè)施？

潘：一般來說，量子互聯(lián)網(wǎng)將由處理和存儲量子信息的節(jié)點以及傳輸量子信息的信道組成。節(jié)點不僅復(fù)雜而且高度依賴于實際應(yīng)用場景。例如，量子密鑰分發(fā)（QKD）是量子信息的第一個實際應(yīng)用。在中國，京滬骨干網(wǎng)已經(jīng)建成并投入使用。一個QKD終端必須能夠產(chǎn)生，操縱和測量單個光子。

用于傳輸量子比特（飛行量子比特）的最佳粒子是光子。光子最大的優(yōu)勢在于，現(xiàn)在的激光通信已經(jīng)相當成熟并已有很多光學基礎(chǔ)設(shè)施能夠投入使用——因此你說的對，確實可以使用現(xiàn)有的光纖通道。然而，量子互聯(lián)網(wǎng)仍然需要進行大的修改，特別是在節(jié)點上。由于衛(wèi)星極難修改，我們認為新的衛(wèi)星是必要的（調(diào)試后用于量子通信和處理）。也有部分案例表明，量子載荷可以加入到現(xiàn)有已規(guī)劃的衛(wèi)星上，比如說GPS衛(wèi)星或歐洲伽利略衛(wèi)星等。

NSR：使用量子規(guī)則編碼信息，主要是為了讓互聯(lián)網(wǎng)通信更加安全，還是有其他的好處？

潘：近期目標確實是為了使電信網(wǎng)絡(luò)更加安全。但量子信息可以做得更多。我們相信實用的量子計算機可以在幾十年內(nèi)建成。而通過量子互聯(lián)網(wǎng)，量子云計算將成為未來的基本資源。

NSR：到目前為止取得了哪些成就，以及未來的里程碑是什么？

潘：我們已經(jīng)建成了量子安全通信京滬干線。作為世界上第一條長距離量子保障通信線路，它于2017年9月29日投入使用。這條城際量子通信線路長達2000公里，連接了北京、濟南、合肥和上海，由32個中繼站共同構(gòu)建而成。在京滬干線中，數(shù)據(jù)通過量子信息網(wǎng)絡(luò)在保證信息理論安全的情況下傳輸，目前（中國）正在規(guī)劃和建設(shè)更多的骨干和城域網(wǎng)絡(luò)。

我們還在2016年8月16日發(fā)射了第一顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”，并且在墨子號和多個地面站之間進行了QKD實驗。這些地面站位于中國的北京、德令哈、南山，以及奧地利的格拉茨和西班牙的特內(nèi)里費等。我們還同時借助京滬干線和墨子號，實現(xiàn)了洲際量子密鑰分發(fā)。（未來）越來越多的衛(wèi)星將發(fā)射并組成一個全球性網(wǎng)絡(luò)。

潘建偉：未來的量子互聯(lián)網(wǎng)可能與我們現(xiàn)在想象的完全不同

量子互聯(lián)網(wǎng)存在什么問題

NSR：我們是否已經(jīng)充分了解量子互聯(lián)網(wǎng)背后的原理，使其“只是”工程問題？或者您認為我們可能會發(fā)現(xiàn)量子物理學為信息技術(shù)帶來的新事物，就像我們已經(jīng)用于加密和計算的方式一樣？

潘：即使是量子疊加的基本現(xiàn)象背后的原理，我們也還沒有完全理解。然而，這并沒有妨礙我們將已有的量子力學只是投入到實際應(yīng)用中。這些努力使得構(gòu)建QKD網(wǎng)絡(luò)看起來像是一個工程項目。然而，即使在這個相對成熟的領(lǐng)域，新概念仍在不斷涌現(xiàn)。對于量子計算等未來技術(shù)，我們?nèi)匀恢跎?。未來的量子互?lián)網(wǎng)可能與我們現(xiàn)在想象的完全不同。我認為這是科學的魔力。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)是否必然與量子計算機的發(fā)展有任何聯(lián)系，還是完全分開？會有一個基于量子的通信系統(tǒng)讓分布式量子計算變成現(xiàn)實嗎？

潘：是的，它會的。我相信量子計算機將成為量子互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。由于其高昂的建設(shè)成本，至少在早期階段，量子計算機將是昂貴的資源，因此人們將僅通過量子互聯(lián)網(wǎng)提供公共服務(wù)。在這種情況下，用戶將通過量子互聯(lián)網(wǎng)訪問云量子計算機，上傳任務(wù)并通過傳輸量子比特下載結(jié)果，這就是量子云計算的概念。

量子互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀與未來

NSR：國際上在開發(fā)量子互聯(lián)網(wǎng)方面正在進行哪些投資？它需要跨國合作嗎？國際上主要的研究中心在哪里？

潘：量子互聯(lián)網(wǎng)涉及許多理論和技術(shù)。對于為全球安全通信建立量子互聯(lián)網(wǎng)的短期目標，我們將不得不考慮現(xiàn)實設(shè)備的不完善之處。不僅需要更好的協(xié)議來最小化工程缺陷的影響；還需要更便宜、更好的設(shè)備，以提高性能，使其在極端環(huán)境中保持工作；更需要廣泛分布且易于使用的包括光纖和衛(wèi)星鏈路在內(nèi)的量子信道。我無法想象沒有國際合作，任何國家應(yīng)當如何獨自應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。在中國，我們有一支優(yōu)秀的團隊，世界各地也都有各自很好的團隊。在一些問題上已經(jīng)形成了很好的國際合作。

NSR：中國一直是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。中國政府是否認為這項技術(shù)對于未來經(jīng)濟，金融，商業(yè)等方面的增長至關(guān)重要？

潘：是的，我們得到了中國政府的大力支持。正如我上面提到的，我們目前已經(jīng)建立了京滬主干網(wǎng)絡(luò)，并逐步投入使用，正在銀行、證券和保險等實際領(lǐng)域開展試用。超過150個用戶正在使用這一干線進行安全信息傳輸。也正如我之前說過的，我們已經(jīng)發(fā)射了第一顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”。

NSR：您認為這項技術(shù)在20年后會走到何種地步？

潘： 未來，QKD的成本將急劇降低。QKD設(shè)備將小型化，更適合個人使用。QKD也將作為一種常用的加密技術(shù)，廣泛應(yīng)用于日常生活中。量子計算機或量子模擬器將作為公共服務(wù)構(gòu)建和運行，就像今天的超級計算機一樣處理某些特定問題。在那時，我認為能對巨大數(shù)字，比如2048比特進行因式分解的通用（多用途的）量子計算機可能仍不存在，但我們將知道這樣一臺通用量子計算機會是什么樣的，而且也會知道為了實現(xiàn)這一目標需要解決哪些問題。

NSR：是誰或者什么激勵著您進入這個領(lǐng)域？您會推薦年輕的研究人員進入這樣一個領(lǐng)域嗎？

潘：我認為量子力學的基礎(chǔ)研究和可能的實際應(yīng)用都是非常重要的問題。就個人而言，我成為實驗物理學家的最初動機是對量子力學的基本定律進行測探究的渴望，我想要知道它與經(jīng)典物理學的區(qū)別以及背后的原因是什么。

然而，可能的量子力學實際應(yīng)用也深深吸引了我，因為它們將能夠極大地影響我們的生活?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)明將人類帶入信息時代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供另一個能夠真正改變世界的機會。它能夠帶來新的科技革命。而我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學者進入這一領(lǐng)域。