量子計算所帶來的技術變革
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- 發(fā)布時間:2017-12-26 14:15
隨著科技的發(fā)展,第一次工業(yè)革命,蒸汽機,鐵路的出現(xiàn),我們信息的傳遞效率和交互效率就變得越來越高了,整個世界也就慢慢變小了,我們就可以進行環(huán)球旅行。第二次工業(yè)革命是電動力學的應用,把整個世界都緊密地結合在一起。
到了現(xiàn)代,因為有計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),其實整個地球都變成一個村子了。所以說,我們整個人類進化的歷史,信息交互的進步是一直伴隨其中的。在這一過程中,我們有兩個基本的問題是需要解決的,一個信息交互的效率,一個是隱私的保護,也就是信息安全。
信息交互的未來挑戰(zhàn)
隨著信息科技的發(fā)展我們也慢慢面臨著相應的瓶頸,目前我們面臨著兩項重大的問題,第一個計算能力的瓶頸,隨著半導體晶體管的尺寸接近納米量級,電子的運動規(guī)律就不再遵守經(jīng)典物理學的規(guī)律。而且目前所謂的超級計算機或者說是數(shù)據(jù)中心,但是它們的能耗是巨大的,進一步發(fā)展是難以為繼的。所以隨著大數(shù)據(jù)和信息爆炸的到來,我們需要迫切解決的問題是未來計算機怎么發(fā)展。
第二個問題和我們更加相關,就是需要解決信息安全的問題,比如說芯片從國外進口進來,可能芯片會留有后門,這樣芯片本身可以把電腦里的信息主動往外泄露,一些存儲條也可以預設木馬,對信息進行截屏,往外發(fā)送,所以我們的終端因為種種原因是不安全的。
有一種解決方法,可以對超級計算機進行加密,但隨著計算能力的增加,原來那些非常有效的加密算法也都已經(jīng)被破解了。
這么一來,大家都希望能夠建立下一代的標準密碼。非常不幸的是,這些標準密碼還沒投入使用,又被發(fā)現(xiàn)是不安全的了。大家可能還沒有直接受到過損害,其實網(wǎng)絡犯罪每年給全球帶來了大量的經(jīng)濟損失。我可以引用美國戰(zhàn)略和國際問題研究中心的數(shù)據(jù),目前網(wǎng)絡犯罪每年給全球造成數(shù)千億元的經(jīng)濟損失,更加不用說因為種種可能的其他原因,對國防安全、政務安全方面造成的損失。所以信息安全問題也是無所不在的。隨著我們進入信息社會,信息安全的瓶頸也是必須要解決的。
量子世界的“分身術”和“筋斗云”
剛剛提到的種種問題,其實量子力學在近百年的發(fā)展過程當中已經(jīng)為之做好了準備。這其中正好要用到的兩個概念:分身術和筋斗云。
具體來說,第一個就是要適當利用量子世界的分身術。這得益于上個世紀的一些物理學家建立的量子力學。量子力學和我們?nèi)粘I钪械慕?jīng)驗有一個很大的區(qū)別,就是我們?nèi)粘I畹氖澜缋?,比如某個人在這兒聽報告,他就不可能在他的辦公室;我在這個地方,就不可能在上海或者合肥。這是經(jīng)典世界告訴我們的:我們某個時間只能在某個地方。但在量子世界,對于一個微觀的客體,它不僅在這里,也可以在那里,同時在好多個地方。這個在日常生活里是遇不到的。
在量子世界中,對于微觀的客體可以在好多個地方同時存在,這是什么意思?我舉個例子簡單解釋一下。比如我去德國法蘭克福訪問,完成工作后飛機落在北京。從法蘭克?;貋?,可以選擇兩條航線,一條從莫斯科過來,一條從新加坡過來。假設到了北京之后,朋友問我,你是從哪條航線過來的?因為坐飛機的時候我睡著了,沒看從哪一條航線過來,只記得當時睡著的時候,感到一冷一熱??纱蠹叶加X得不可能同時走兩條線路,一定是我工作太累了,發(fā)生了錯覺,最好下次出訪的時候睜大眼睛,看看到底是從哪條路線回國的。
剛剛講到的就是量子世界中很有意思的現(xiàn)象,那么它什么時候會存在呢?但凡是整個宇宙間沒有任何一個人知道我是從哪條航線過來的時候,我就處于同時存在兩個地方的狀態(tài),就是沒有任何人看到他,這是一個很重要的前提。這點就非常有意思,也就是說只要有人睜開眼睛稍看一眼,我就只處于某種狀態(tài),這就是量子世界里的分身術。
為了解釋這樣的現(xiàn)象,在量子力學里面就說,第一,在某些特殊的情況下,如果說你沒在看這個客體到底是處于哪個位置的時候,在某些特定情況它可以同時處在兩個位置。第二個又告訴我們,就是量子客體的狀態(tài),你只要輕輕地去觀測一下,對它的影響就不可逆轉了,而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。
這套理論在哲學上講是非常積極的,整個世界是唯物的,但只要“人睜開眼睛看看”又是對世界能產(chǎn)生影響的,所以量子客體的狀態(tài)是會被測量所影響的。所以平常一個人不會同時出現(xiàn)在兩個地方,因為哪怕一個人睡著了,日光燈一照也知道他在哪個地方,或者說別人看你一眼就知道你在何處了。但是到了微觀世界的某種特定條件下,如果說沒有任何信息告訴你是從哪里來的,你就會處于這種不確定的狀態(tài),利用這種狀態(tài)就可以做很多事情。
這里還要提出一個量子糾纏態(tài)和糾纏粒子的概念。這是什么概念?比如說我今年春節(jié)回老家,正好見到了某個朋友,我就想著送他一個骰子作為禮物,我就把兩個糾纏粒子的其中一個送給了他,我事先做好了,他的這個骰子跟我這個骰子是糾纏態(tài)?;氐胶戏实霓k公室后,我就給他打電話,要求他把手中的骰子扔一下,結果每次都是六分之一的概率,每次都能得到1到6其中的一個數(shù)。于是他就扔了幾百次,并把每次的結果寫下來,每次都是隨機得到1到6里面的某一個點數(shù)。我就跟他說你第一次是多少,第二次是多少,每次我都可以猜得出來。為什么呢?因為他的骰子一扔6,我這邊的骰子也變成6了,所以一旦處于兩個粒子的疊加態(tài),就會有這樣一種神奇的互動。
就在2015年,這么一種對普通人來說不可思議的現(xiàn)象基本在物理角度上被確證了。有了這些基礎后,就誕生了一個新的學科——量子信息科學。量子信息科學我們國家參與的比較早,目前我們與國外是處于并跑,甚至在某些方面處于領跑狀態(tài)。這其中量子通信和量子計算及模擬是比較重要的,可以為計算能力和信息安全提供一個變革性的解決途徑。
具體來說,比如說量子通信,我們可以將其用于保密通信,也就是量子密鑰分發(fā)。因為它是不可復制的,所以不管你是竊取還是拍照復制,只要你去測密鑰就會不一樣。所以如果我從合肥給朋友發(fā)送一份電子郵件,最后只要拿出密鑰比對一下,如果兩者的錯誤率很低,我們就能肯定這組密鑰沒被人偷看過。這就是一種絕對安全的通信方式。那么“筋斗云”又是什么意思呢?
比如說我從北京到金華給朋友帶了一個裝在箱子里的禮物,但是我忘了把鑰匙給帶來了。如果這是更高級的鎖和鑰匙,它是量子態(tài)的,而我們知道量子態(tài)又是不能被測量的,一測量它的狀態(tài)就會改變,這該怎么辦呢?1994年的時候,一群美國科學家提出利用量子糾纏的概念我可以對上海的這個潘建偉和旁邊這種糾纏物質進行一種測量,把它都變成一個個糾纏粒子,我們可以實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的操作,把那把鑰匙以光的速度傳到金華。
怎么做呢?具體來講就是讓北京和金華之間有很多的糾纏物質,并把他們組成糾纏對,把糾纏對的信息,通過無線電臺可以把它發(fā)射到金華。到了金華之后,可以對這團物質再做一種所謂的變換,用同樣多的物質把它重構出來。這樣一種過程,就叫作量子世界的筋斗云。
當然,要傳送人、傳送比較復雜的客體,估計還需要100年甚至更長的時間。但是,這樣一種能力就保證了量子信息可以在網(wǎng)絡里面走來走去了,這就是多體、多終端、多自由度的量子隱形傳態(tài),它能夠構成一種分布式的量子信息處理的單元。
?。ǜ鶕?jù)潘建偉院士在2017金華發(fā)展大會開幕式及發(fā)展論壇上的演講整理而成,未經(jīng)本人確認。)
中國科學院院士 潘建偉
