量子力学有何用？潘建伟：可初步回答宇宙和人类起源

　　潘建伟

　　2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。中国科学技术大学常务副校长，中国科学院院士，2017年未来科学大奖物质科学奖获奖者潘建伟作主题演讲。

　　潘建伟认为，从某种意义上来讲，量子力学和牛顿力学有相似和不同之处。牛顿力学或者是经典电动力学均属决定论，“预测所有的现象是决定的”，但是量子力学告诉世人，如果有观测者对这个客体进行观测，会对这个状态带来不可避免的影响。所以，人类本身的测量行为会对体系的演化发生根本的影响，这导致首次量子力学介入到了测量的范畴。

　　“概念的改变，必然会带来科技或者技术方面的进步”，潘建伟称，目前处于第三次产业变革，在很大程度上来讲都和量子力学紧密相连。例如物理检验相对论，这种技术又可用到GPS和导航方面，“所以其实在使用GPS时，我们不仅用到量子力学的技术，甚至把相对论和广义相对论的技术都用到了相关现实应用中”。

　　那么量子力学到底会给人们带来何等好处？

　　潘建伟称，从各个量子力学基础上根据观测数据，会发现宇宙可能来自于一个大爆炸的起点，大爆炸过程中，中子的碰撞会产生重金属，有了重金属才可能有了几十亿年前生命的出现，“所以说除了带来信息技术的革命外，量子力学已经能够初步回答宇宙和人类的起源问题”。

　　对于量子方面计算成果，潘建伟称，2012年，首次证明量子计算可以进行。到了2017年五六月份，首次成功实现了一台可编程的多光子量子计算原型机，首次超越了早前的计算机。此外也实现了十个超导比特的量子芯片。

　　对于未来，潘建伟提出了三个重点：第一，希望通过五到十年的努力，能够构成和地面的光纤网络，最后形成一个广域量子通讯网络。第二，发展新一代高效视频传输技术，有了这种技术可以反过来检验量子力学。第三，三到五年里，可以实现一百个量子比特的相关操纵。（韩大鹏）

　　以下为潘建伟演讲全文：

　　潘建伟：非常高兴能够得到这个肯定，刚才施一公讲得非常好，我发现大家做的很多事情都和物理联系在一起，在座的每一位对科学感兴趣的人有一个共同的动机，我想讨论一下探索的动机，这是我今天演讲的题目。其实所有的科学内容，某种意义上来讲，它都是跟这个话题紧密相连的。我们从哪里来，我们要到哪里去？所以这个问题延续了好多好多年，为了回答这个问题的第一种可能性，其实是来自于宗教。那么，我们知道最早试图，比较系统的来探索我们从哪里来，到哪里去的时候，其实圣经给出了一种可能性，说上帝创造了宇宙，创造了万物和人类，某种程度上来讲，这个圣经是目前为止营销最好的一个学说，如果叫做学说的话。因为像在圣经里所讲的那样，我们当时有很多种人，有贵族、平民、奴隶，圣经告诉我们，我们是上帝创造的，无论是贫富，贵贱，黄人，黑人，白种人，都是兄弟，都是上帝的子民。生活困苦的努力很容易接受这个学说，有了这个学说以后我们心理感觉比较幸福，我们都有上帝管着我们，比较安宁。非常不幸的是，随着我们的科学发展，我们带来了第一次科学革命。那么，从哥白尼开始，他写了天体行论，指出地球不是宇宙的中心后来伽利略用望远镜观测天文的现象，进一步证实了，试验和数学的方法研究自然的规律，进一步证明了哥白尼日新说的观点，最后在大量的数据的搜集获得了很多的规律，这个基础上，到了1686年，英国的一位科学家，牛顿写了一本巨著叫做自然哲学的数学原理，这里他告诉我们其实我们所看到的各种各样的力学现象，最后都可以统一成为一个简单的共识，F=FA，而且告诉我们有了这个公式以后，加上万有引力的公式，我们连星辰的都可以计算的。刚才来自于爱丁堡大学的教授也建立了麦斯威尔方程，告诉我们所有光、电磁的现象都可以统一为方程组，这就带来了人类历史上第一次科学革命。

　　当时这样一个经典物理学，经常会给我们带来困惑，这个里面告诉我们，一旦我们体系的初始状态是事先确定的话，所有的离子的未来运动状态，都是可以精确预言的，比如说一切事件，包括今天的会议，我到底能不能这个未来科学大奖，其实老早就可以计算出来，已经确定好的，其实个人的努力是毫无意义的。而且牛顿又告诉我们时间是均匀流逝的，无始无终，空间也是均匀的，无限大。这个过程中我们宇宙到底有没有起源，是不是永远都是这样呢？是不是一直这样下去呢？我们都说不知道，所以经典物理学本身解决了很多的问题，但是，它也带来了这么一个困惑。

　　非常有意思的，到了上一个世纪初，随着普朗克提出了量子论，统一的微观世界的规律，爱因斯坦提出了相对论，告诉我们时间和空间相对，这个基础上我们带来了第二次科学革命，其中一个最主要的内容是量子力学，量子力学主要是研究微观世界的科学规律。其实所谓的量子，我们刚刚所讲到的，原子、分子、光子都是属于量子的范畴。什么是量子呢？量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，但是有一个基本的特征，是不可分割的。什么不可分割呢？比如说我们一瓶水，喝到最后剩下成分之一，四分之一，八分之一，最后变成一个一个水分子了，没有办法拿刀切一下，变成二分之一，原来的化学就不可成立了，这样构成物质世界的基本单元和每天的生活有不一样的性质，我们日常生活中有一只猫，死或者是活两个状态，我可以用这两个状态加载一个比特的信息，微观世界里面量子力学告诉我们微观世界的猫同时可以处于死和活状态的叠加，不仅仅是处于0或者是1，可以0和1状态的相关叠加，这是量子力学的基本原理，死和活的叠加什么意思呢，比如说我去法兰克服旅行，然后来北京获奖，我中间睡着了，我不知道沿着哪一条路回来的，到了北京以后我在机场醒来了以后我发现我又冷一个热，这是非常奇怪的状态，我为什么这个人处于两个状态呢？下一次我飞行过程中一直观测这个路线，我发现我有一半的概率是感到浑身寒冷，从莫斯科回来的，还有一半的概率从新加坡过来的，一万次的话，五万次新加坡过来，五万次莫斯科过来，我不看的话是两种状态的叠加，再看它的话是沿着某一种确定的状态，这种简单的分析告诉我们，量子客体的状态会被我们测量所影响，当然大家可能会认为我是胡说八道，我们每天生活中大家经常坐飞机，经常睡觉，从来没有遇到过这种现象，你这样讲就不对了吗？子力学什么时候会出现这种现象呢？因为平时你在飞机上睡着了，你旁边的这个人没有睡着，你旁边人睡着了，飞行员没有睡着，飞行员睡着可能空姐没有睡着，只有宇宙中每一个机器，每一个客体都没有办法告诉你你在什么地方的时候，量子力学告诉我在某一些特定的条件下，他是可以处于这样的相关叠加的状态，这个地方的分析告诉我们，量子客体的状态会被我们的测量所影响，你去看了它，它和原来的状态不一样了。

　　那么某种意义上来讲，量子力学和牛顿力学相比，他们俩有一个非常积极的地方，因为牛顿力学或者是我们经典的电动力学是决定论的，预测所有的现象是决定的，但是量子力学告诉我们，如果有观测者对这个客体进行观测的话，会对这个状态带来不可避免的影响。所以，我们人类本身的测量行为会对体系的演化发生根本的影响，所以首次量子力学介入到了测量的范畴。

　　当然，这样的概念的改变，必然会带来科技或者技术方面的进步。所以其实我们现在科技为代表的第三次产业变革，在很大程度上来讲，都是和量子力学联系在一起的。比如说在原子弹过程中为了计算方便发明了现代意义上的通用计算机，把数据很方便的向全世界的学者分发，我们又发明了互联网的雏形，物理检验相对论我们又发展原子的技术，这种技术随着后来我们又可以用到GPS和导航方面，所以其实在GPS的时候我们不仅用到量子力学的技术，甚至把相对论和广义相对论的技术都用到了相关现实应用中。

　　量子力学给我们带来了好处，比如说信息技术的革命，初步给我们回答了我们宇宙有没有起源，各个量子力学基础上我们根据观测的数据，我们发现我们宇宙可能来自于一个大爆炸的起点，某种意义上，按照目前的力量，宇宙诞生基点的爆炸或者是量子掌握，也就是说我们当时延续的几千年，几万年的问题，终于慢慢的可能加以解答了。这个里面，大爆炸过程中一秒钟发生什么事，三分钟什么事，三十万年有原子的形成，中子的碰撞会产生重金属，有了重金属可能才可能到几十亿年之前生命才能出现，所以它已经可以有量子力学的进展以后，除了带来信息技术的革命之外，已经能够初步回答一下我们宇宙和人类的起源问题了。当然，就是说有了这些成就以后，我们做量子物理的人，并不是完全满足于前面的这些成就，爱因斯坦对这只猫又做了进一步的研究，一只猫处于这样一个非常奇怪的，又死又活的状态，同时的。如果两只猫的话，如果是处于活活加死死的状态的话，会进入一种什么样的概念呢？量子纠察自然产生了，有这么两只猫之后，比如说两个骰子相聚非常遥远，一个河北一个北京，我们做试验的时候，每次实验中会产生相同的结果，这样的结果我们把它叫做量子纠察，或者是说爱因斯坦的观点来讲，就是在遥远地点之间存在着这样一种唯一的互动。

　　所以爱因斯坦非常不喜欢这样的一种上帝扔骰子的行为，他认为物质状态你没有测量之前就存在，而且把测量的影响减低到无穷小，所以他说上帝是不玩骰子的，但是过而告诉他不要他上帝能做什么，不能做什么，这个争论引出了爱因斯坦1935年非常有名的文章，量子文学对物理世界的存在是完备的吗，29年之后大家对爱因斯坦的观点和量子非率性的矛盾做出检验，什么是量子非率性，什么是量子实在论呢，如果有这样两朵花，本来是花朵，根据爱因斯坦的定义，这个花的颜色和气味在测量前就已经确定好的。跟你是不是去测量是没有关系的，你去测量它就可以测量出来影响，降低到无穷小。那么，但是量子力学告诉我们花的颜色和气味，因为它们处于这样一种纠察态的，测量之前完全不确定，一朵花的颜色和结果，会损害另外一朵花的颜色和气味，我眼睛看每次看第一朵花是红色的，再看第二朵花这是蓝色的，这是基本的性质，同时我可以用鼻子闻一下，两边都闻到了玫瑰花的香味，然后又进一步闻到了蓝花的香味，这两种观点没有办法证明谁的观点是对的，你不知道测量之前的状态是什么，最后看到的结果，大家都一样，你也可以认为没有确定，你也可以认为事先是确定的，1964年的时候，（英文）提出了波尔不等式，尽管这样的前面的统计情况下，量子力学和定域实在论的预言是一样的，我们这边看花的颜色，这里闻一下花的香水，我也做一个物理量的话，我们可以非常方便的构建这种所谓的波尔不等式，这个不等式告诉我们定域实在论小于等于2，量子力学的最大值对于这个测量可以到2，所以有了这个问题之后我们可以对定域实在论是对的，还是量子力学非定论是对的，做一个检验。70年代开始，到80年代，90年代，2015年，大家围绕着这个方向做大量的检验。所有的试验都证明了量子力学是正确的，但是还存在着一些漏洞。

　　尽管我们目前为止量子力学的非定性检验还没有结束，但是已经为第二次量子革命的诞生奠定的基础。我们可以说什么为了便于大家理解，什么是第二次量子革命我们做一个对比，从前的遗传学规律被动观测，种瓜得瓜，种豆得豆，到后面我们知道所有的遗传的规律是由DNA双链结构来控制的，对分子结构可以控制分子的现状，我们量子信息也是这样的，从前的信息技术都是基于对量子的被动观测，目前我们能够对量子状态进行主动操纵的，利用它可以来做所谓的量子信息了，他的几个主要的应用，就是说刚才丁洪教授已经介绍的，一个我们可以用量子通讯来实现一种原理上无条件的，安全的通讯方式，量子计算可以实现一种超快的计算能力来解释各种各样的复杂系统的规律。

　　具体来说利用它我们可以比较好的解决目前信息技术的两个瓶颈问题，在量子通讯出来之前，我们知道所有的传统信息安全的算法都是依赖于技术复杂度。所谓加密算法，随着计算能力的提高，原则上都是可以被破解的，目前为止有RRA512被1999年破解了，有一些广泛应用的算术也被谷歌破解了，随着晶体管的尺寸逐渐接近纳米量级，我们的量子效应将起到主导作用，所以我们非常难以来继续定义什么是0，什么是1，随着接近纳米尺寸的时候，这个晶体管的电路原理将不再适用，但是利用所谓的量子通信，我们刚才讲到了，你去测量会改变它的状态，所以这是必然能够发现，利用它我可以实现不可统一的量子通信。

　　利用所谓的信息的传输，这里因为时间的关系我做只做一个科普图，我把一个许多粒子组成的科普状态，从合肥到北京，用最快的方式，让北京和上海之间先享有很多的纠缠物质，我可以在合肥得到测量，我得到信息以后，扫描完了以后传到北京，那么我可以对这番物质做一点超重，我可以把有很多粒子构成的物理系统的状态直接传送到北京，而不把物理系统传过来，当然要传非常复杂的物理系统要很多年时间，这个东西本身已经可以用来做分布式的量子信息处理了。这个东西，就直接的构成了量子计算的最基本的操作。

　　所以利用这样一个相干叠加的一种信息在一个网络里面走来走去我们可以构造一种计算能力随着可操纵的量子比特数呈指数成长的大数分解，比如量子计算机，利用大数分解的量子计算机可以比经典的计算机，这里举一个例子，利用三百位大数的话，量子计算机只需要一秒钟就可以了，万亿次的经典计算机需要15万年，这样的话在大数据，人工智能上也会非常有用。1984年量子分发手段提出来之后，第一个试验是1992年做的，IBM做的试验，大概30厘米左右，随后大家在光纤里把这个距离传输到一百多公里，但是所有的这些试验都存在着一个问题，在现实条件下，因为这个器件不完美存在着几个漏洞，比如说由于光源的不完美，窃听者可以利用多光子事件来窃听我们要的信息，由于我们接受端探测器的不完美，使用强光攻击改变探测性的状态，完全控制探测性的测量结果，2000年，2010年这两个工作告诉我们，我们如何才能够把这两个量子密钥分发的手段变成现实可能。到了2005的时候，有几位华裔科学家，有两位在清华大学工作，及他们提出一个方案，2007年的时候及我们在这个方案的基础上利用所谓的（右片太 音）的技术，把分发距离拓展到了一百公里，之后在（落开万 音）提出的理论基础上，我们2013年首次实现了和测量技术相关的分发，可以针对一切探测器的攻击，最近我们去年的结果，点对点的量子分发的距离已经达到了四百公里。所以可以很好的支撑我们在一个城域网里面的相关的应用。

　　所以这个技术的支持上，我们有一些系统在2012年已经在北京投入了永久性使用，今年的9月份，这个已经在北京做了更大范围的相关使用。一百公里很好，四百公里很好，当我们真正感兴趣是要做到全球化的，几千公里，或者是几万公里，这个时候我们遇到一个难点了，主要的难点是因为量子信息本身是不能被复制的，你去测量它会发生变化，所以光纤里面传递的时候，信号会变得越来越微弱，四百公里以后我就再也没有办法往下做了。所以如果说我们用新的手段，只是在一个长度为一千两百公里当中，北京传到上海的话，我即使每秒钟百亿发生率的理想光子源的话，这样一个距离远距离拓展中是没有什么用的。这样的话其实我们就开始被迫思考另外一种解决方案，我们说能不能利用所谓的卫星来做基于自由空间的这么一个量子通信。因为在自由空间的外层，外面是真空，所以对大气，对光没有什么吸收。然后外太空也没有什么大气本身五到十公里，光子穿破大气之后还能够存活的话，我们也许可以用这种手段做全球化的量子通讯。

　　这样2003年提出这么一种自由空间量子通讯的该项，2004我们在合肥做了一个试验，我们验证了光子在穿透大气层后能有效的保证，也许我们可以继续的往前走。到2012年的时候我们验证了在衍射极限的情况下，光有衍射极限的影响，会慢慢的变大，变大以后损耗会越来越大，我们高损耗过程中我们也发现了损耗达到80个DB，我们也是可以做的，后来进行合作，进行地面的试验，各种运动状态可以被克服的，这个试验的基础上我们开始忠于发展（金子 音）技术。我们发明了超高灵敏的能量试验率的技术，大家在地球上划一个火柴，我利用这个机器可以清晰的看到。另外是超高灵敏的空间分辨技术，如果我们去看卫星上轨道上，如果悬浮一辆汽车，那么它的牌照也可以看得清清楚楚，利用这样的技术之后我们可以来研制卫星了。2003年，经过十多年的努力，我们的2016年的8月份，终于发射了首颗量子试验卫星，我们接下来开展我们相关的试验任务，第一项任务来实现利用卫星，实现乌鲁木齐到北京之间的千公里量级的分发，提高了20个数量级，随后我们又为了能够在空间尺度验证能够严格满足爱因斯坦地域性条件的量子非率性检验，我们发现1200公里的情况下，爱因斯坦的量子力学非率性还是很好的存在的。另外我们实现了千公里量级的试验，可以把地面的量子状态传到卫星上去，但是同时并没有把地面上的物质传到卫星上，验证这么一个相关的试验。那么到目前，我们在今年年底，在九月底已经实现了北京和维也纳之间洲际的量子通讯试验，通过国际的大科学计划，我们和新加坡等国家也在开展相关的合作，在进行洲际量子网络的相关试验。

　　最后简要讲一下我们量子计算方面的结果，除了量子通讯里面我们做了一些工作之后，2007年开始在过去的十年中我们几乎实现了所有重要量子算法的试验验证，2012年，为了图灵一百周年的时候，我们特刊上取得了比较好的结果，首次证明量子计算是可以进行的。所以到了今年的五六月份，我们已经首次的成功的实现了一台可编程的多光子量子计算原型机，首次超越了最早那几台计算机，比如说晶体管的计算机。当然了，我们还有很长的路要走。

　　同时，我们也实现了十个超导比特的量子芯片，这个方面也取得了一些比较好的结果。

　　量子计算，近期，我们可以优化我们的网络和交通，也可以理解复杂的环境，另外是量子玻尔兹曼机的衍生可以加速机器学习的训练速度，量子计算在近期会有一些比较好的应用。

　　最后做一个总结，我展望一下我们将来要做的事情。第一，我们希望能够通过五到十年的努力，能够构成一个和地面的光纤网络，最后形成一个广域的量子通讯网络，另外我们也可以来发展新一代的高效的视频传输技术，有了这种技术以后我们可以反过来检验一些量子力学非定性的终极检验，同时也能够对广义相对论和量子引力的模型做出一些相关的检验。那么量子计算方面，我们大概在三到五年里面能够实现一百个量子比特的相关操纵！达到这个时候，对于某一些特定问题的计算和求解，就能够达到全球计算能力组合的一百万。所以它的功能是非常好的。

　　那么，最后，我愿意作为一个总结，很多年前我看过一本书，这本书1609年的时候，开普勒给伽利略写了一封信，应该建造适合飞向神圣天空的船与帆等等，经过了三百多年，我们人类首次进入了太空，1969年我们首次登月了，不妨讲一讲，1997年首次实现了单个离子的传态，十年之后由经过了多个粒子的传态，再过了十年可以把量子态传输千公里以上了，也许几十年，几百年，几千年之后我们可以利用这种手段来做这样的星际履行，谁知道呢？当然，与此同时，我们说刚才我讲的，牛顿的经典力学是决定论的，我们用到计算机本身，也是决定论的。所以他们没有办法解释意志的起源，人有意识的问题，这个新科学家的观点，他说也许我们的大脑，通过对量子计算机和量子力学基础问题检验的研究，因为量子力学第一次把光测子的意识和演化解决起来了，通过这个研究我们来了解一下量子力学和意识产生可能是有关系的。量子计算也许在将来对我们的大脑的研究也能够做一些相关的事情。

　　所以，现代科学的诞生，经过几百年之后，其实我们已经到了这么一种境界了。我们本来是一个豪无生命的世界最后，慢慢的进化出眼睛，可以反过来回馈我们的光照世界，我觉得这可能是每一位科学者的最终要来做科学的一个目标，谢谢大家。

　　该奖项由北极光创投创始人兼董事总经理邓锋、龙湖集团董事长吴亚军、中泽嘉盟投资基金董事长吴鹰、真格基金创始人徐小平等捐赠。