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潘建偉。Credit：潘建偉

撰文 | Philip Ball

翻譯 | 李麗旻

校譯 | 段兆晨

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自二十世紀(jì)初誕生以來，量子力學(xué)似乎一直是一個(gè)獨(dú)特的、不可直接感知的物理分支，它從最微觀的尺度解釋物質(zhì)（例如原子、光子與亞原子粒子）的運(yùn)行規(guī)律。然而在人類社會(huì)所有的工程實(shí)踐中，經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律都發(fā)揮著主導(dǎo)作用，其中所有物體都有其確定的位置、軌跡和屬性。

然而，在過去幾十年中，科學(xué)家們開始將量子規(guī)律應(yīng)用于實(shí)用科技領(lǐng)域。1985年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出，使用量子規(guī)律的計(jì)算機(jī)可能具有超出現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。幾乎同時(shí)，也有研究者表明，利用量子態(tài)編碼的信息能夠以一種加密的方式從傳送者送達(dá)接收者，中途不能在不被察覺的情況下被攔截或讀取?，F(xiàn)在，量子計(jì)算機(jī)和量子密碼學(xué)已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)世界中量子信息科技的核心部分，可能很快就能應(yīng)用到科學(xué)、工業(yè)和社會(huì)領(lǐng)域中。

隨著具有量子信息處理能力的全球信息互聯(lián)網(wǎng)，也就是量子互聯(lián)網(wǎng)的啟動(dòng)，這些應(yīng)用將越來越可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在這一領(lǐng)域的研究中，中國位居前列，而中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉院士正是其中一位重要的科學(xué)引領(lǐng)者。潘建偉師從量子信息領(lǐng)域的開拓者安東·塞林格（Anton Zeilinger），在維也納獲得博士學(xué)位，之后便將這一新興技術(shù)帶回了中國。2012年，潘建偉獲得國際量子通信獎(jiǎng)；2017年，他入選《自然》年度“十大科學(xué)人物”；同年7月，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道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(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）近日對(duì)潘建偉院士進(jìn)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。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了一個(gè)流行的概念，它的含義是什么？

潘：眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲(chǔ)存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對(duì)量子信息進(jìn)行同樣的傳遞、處理和存儲(chǔ)。量子互聯(lián)網(wǎng)首要的實(shí)際任務(wù)是以一種無條件安全的方式進(jìn)行全球性的密鑰共享（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。這一系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)眾多量子信息任務(wù)，包括任意節(jié)點(diǎn)之間的量子隱形傳態(tài)、分布式量子計(jì)算和高精度量子測(cè)量。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)將用到量子物理中的哪些原理？

潘：建立量子信息理論的基礎(chǔ)原理是量子疊加。量子疊加讓一個(gè)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)。傳統(tǒng)意義上，一個(gè)比特要么處于0要么處于1的狀態(tài)，但在量子世界，量子比特可以處于0+1的疊加態(tài)，或者同時(shí)處于0和1的其他不同組合狀態(tài)。一個(gè)基本的原理是說，沒有一個(gè)單一的測(cè)量方法能夠揭示一個(gè)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，這一定理表明一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制。當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)量子比特組成時(shí)，量子疊加就成為了量子糾纏，這使得態(tài)空間呈指數(shù)增加。不確定原理和不可克隆原理是量子通信、量子計(jì)算和量子互聯(lián)網(wǎng)的基石。

量子隱形傳態(tài)是從一個(gè)粒子向另一個(gè)粒子遠(yuǎn)距離傳遞未知量子態(tài)的方式，這一過程不需要傳遞粒子本身。假設(shè)，有一對(duì)量子糾纏的粒子a和b，在A和B這兩個(gè)位置間進(jìn)行信息交換。接下來，有一個(gè)未知的量子比特c, 需要從A點(diǎn)傳遞到B點(diǎn)。要達(dá)到傳遞的目的，我們?cè)邳c(diǎn)A對(duì)粒子a和c進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，之后根據(jù)聯(lián)合測(cè)量的結(jié)果對(duì)粒子b進(jìn)行相應(yīng)操作。這樣一來，未知的信息在粒子c處就會(huì)被“銷毀”，并“傳遞”到粒子b。然而，要讀取在B點(diǎn)接收到的信息就需要首先獲取在A處粒子a和c測(cè)量后獲取的信息。這一量子信息只能通過傳統(tǒng)方式進(jìn)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上是立刻發(fā)生的，但量子隱形傳態(tài)不能以快過光速的速度傳遞信息。

NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)需要哪些主要技術(shù)？現(xiàn)有的光纖和衛(wèi)星建設(shè)是否能夠支持這一技術(shù)？還需要哪些其他基礎(chǔ)建設(shè)？

潘：通常情況下，量子互聯(lián)網(wǎng)將由可以處理和儲(chǔ)存量子信息的節(jié)點(diǎn)與傳遞量子信息的信道組成。這些節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，并且高度依賴于它們的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。比如說，量子密鑰分發(fā)（QKD）是量子信息的第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。在中國，量子京滬干線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成并投入使用。一個(gè)QKD終端必須能夠產(chǎn)生、操縱和測(cè)量單個(gè)光子。

最好傳遞量子比特的粒子（形成“飛行比特”）就是光子。光子最大的優(yōu)勢(shì)在于，現(xiàn)在的激光通信已經(jīng)相當(dāng)成熟并已有很多光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施能夠投入使用——因此你說的對(duì)，現(xiàn)有的光纖信道確實(shí)是可以使用的。然而，要應(yīng)用在量子互聯(lián)網(wǎng)上，還需要對(duì)這些線路進(jìn)行巨大的調(diào)整，尤其是針對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中衛(wèi)星是極其難被調(diào)整的，我們還需要發(fā)射新的衛(wèi)星 [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：短期內(nèi)的目標(biāo)確實(shí)是讓通信變得更加安全。但量子信息可以做更多事情。我們相信，一個(gè)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)能夠在未來幾十年內(nèi)建成。通過量子互聯(lián)網(wǎng)，量子云計(jì)算將成為未來的基本資源。

NSR：現(xiàn)在已經(jīng)取得了哪些成果？未來還有哪些重要目標(biāo)需要完成？

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安全通信線路，這條線路已經(jīng)在2017年9月投入使用。這條城際量子通信線路連接了北京、濟(jì)南、合肥和上海，長度超過2000千米，由32個(gè)中繼站組成。通過這一線路，數(shù)據(jù)能夠在保證信息理論安全的情況下進(jìn)行傳輸。更多的骨干網(wǎng)絡(luò)和城域網(wǎng)正在計(jì)劃建設(shè)。我們還在2016年8月16日發(fā)射了第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。我們已經(jīng)在墨子號(hào)和多個(gè)地面站之間進(jìn)行了量子密鑰分發(fā)，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(fèi)等。我們還同時(shí)借助京滬干線和墨子號(hào)，實(shí)現(xiàn)了洲際量子密鑰分發(fā)。越來越多的衛(wèi)星將發(fā)射并組成一個(gè)全球性網(wǎng)絡(luò)。

NSR：目前，我們是否已經(jīng)對(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)背后的原理有完整的認(rèn)識(shí)？量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)還需要更多量子物理領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)，還是已經(jīng)只是一個(gè)工程問題？

潘：我們甚至對(duì)基本的量子疊加現(xiàn)象都沒有完整的認(rèn)識(shí)。然而，這并不會(huì)阻礙人們將現(xiàn)有量子力學(xué)領(lǐng)域知識(shí)投入實(shí)際應(yīng)用。量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已經(jīng)接近于工程問題，但是盡管如此，在這個(gè)相對(duì)成熟的領(lǐng)域中也會(huì)不斷有新概念出現(xiàn)。至于未來的技術(shù)，比如量子計(jì)算等，我們?nèi)匀恢跎?。未來的量子互?lián)網(wǎng)可能和我們現(xiàn)在想象的完全不一樣。我認(rèn)為這就是科學(xué)的魔力。

NSR：量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)之間存在關(guān)聯(lián)嗎，還是說它們是完全分開的？比如說，會(huì)有一個(gè)基于量子的通信系統(tǒng)讓分布式量子計(jì)算變成現(xiàn)實(shí)嗎？

潘：是的，會(huì)這樣。我相信量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為量子互聯(lián)網(wǎng)的重要部分。量子計(jì)算機(jī)建造成本高昂，至少在早期，它將僅通過量子互聯(lián)網(wǎng)提供公共服務(wù)。在這個(gè)場(chǎng)景中，用戶能夠通過量子互聯(lián)網(wǎng)接入到量子計(jì)算機(jī)，通過傳遞量子比特上傳任務(wù)并下載結(jié)果。這也就是量子云計(jì)算的概念。

NSR：國際范圍內(nèi)對(duì)量子互聯(lián)網(wǎng)的投入情況如何？是否需要國家間的合作？國際上有哪些主要的研究中心？

潘：量子互聯(lián)網(wǎng)包含很多理論和科技。從短期目標(biāo)來看建立一個(gè)保證全球安全通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，我們需要考慮現(xiàn)有實(shí)際設(shè)備的缺陷問題。我們需要更好的協(xié)議將工程上的缺陷降至最低。我們需要更加廉價(jià)和優(yōu)質(zhì)的設(shè)備，提升現(xiàn)有性能，并能夠在極端環(huán)境里使用。我們希望量子信道廣泛分布，而且易于使用，包括光纖和衛(wèi)星兩者。我很難想象有任何國家在沒有國際合作的情況下能夠單獨(dú)接受這些挑戰(zhàn)。我們?cè)谥袊幸粋€(gè)很棒的團(tuán)隊(duì)，也有很多優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)分布在全世界?，F(xiàn)在已經(jīng)有很好的國際合作來攻克這些問題了。

NSR：中國是這一領(lǐng)域中的領(lǐng)軍者。從未來經(jīng)濟(jì)、金融、商業(yè)等領(lǐng)域增長的角度看，現(xiàn)在中國政府是否將這一技術(shù)視作一項(xiàng)尤為重要的科技？

潘：是的，我們從中國政府獲得了很強(qiáng)勁的支持。就像我之前提到的，我們已經(jīng)建設(shè)并投入使用了京滬干線網(wǎng)絡(luò)，正在銀行、證券、保險(xiǎn)等實(shí)用領(lǐng)域進(jìn)行試用。超過150個(gè)用戶正在使用這一干線進(jìn)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(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。

NSR：您認(rèn)為這一領(lǐng)域在20年以后會(huì)發(fā)展到什么程度？

潘：未來，量子密鑰分發(fā)的成本將急劇降低。量子密鑰分發(fā)的設(shè)備將更加小型化，也將適合個(gè)人使用。量子密鑰分發(fā)將成為一個(gè)用于加密的通用技術(shù)，在日常生活中廣泛使用。量子計(jì)算機(jī)和量子模擬器將建立，并作為公共服務(wù)用于特定的任務(wù)，就像現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣。在那時(shí)，我認(rèn)為能對(duì)巨大數(shù)字，比如2048比特進(jìn)行因式分解的通用（多用途的）量子計(jì)算機(jī)可能仍不存在，但我們將知道這樣一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)會(huì)是什么樣的，而且也會(huì)知道為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要解決哪些問題。

NSR：有哪些人或者事引領(lǐng)你進(jìn)入了這一研究領(lǐng)域？您會(huì)推薦年輕學(xué)者進(jìn)入這一領(lǐng)域嗎？

潘：量子力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)研究，以及可能出現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用都是十分重要的課題。我進(jìn)入這一領(lǐng)域的最初的動(dòng)機(jī)在于，作為一名實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，我希望對(duì)量子力學(xué)規(guī)律做基礎(chǔ)檢驗(yàn)，去理解量子力學(xué)如何及為什么與經(jīng)典物理不同。然而，可能的量子力學(xué)實(shí)際應(yīng)用也深深吸引了我，這些應(yīng)用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(shí)代，量子互聯(lián)網(wǎng)則將提供另一個(gè)能夠真正改變世界的機(jī)會(huì)。它能夠帶來一場(chǎng)科技革命。我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學(xué)者進(jìn)入這一領(lǐng)域。 

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 原文鏈接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwy102 

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