中國科技大學(xué)潘建偉：神話、哲學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)與人類未來｜視頻
編者按：
《西游記》里的“千里眼”、“順風(fēng)耳”，在某種意義上已經(jīng)被現(xiàn)在的電視和電話實(shí)現(xiàn)了。而“天上一日、地上一年”的神話也被相對論所證實(shí)，此外，孫悟空的分身術(shù)和筋斗云，我們現(xiàn)在能不能實(shí)現(xiàn)呢？
1月16日，由北京聽道與“知識(shí)分子”聯(lián)合舉辦的聽道講壇－知識(shí)分子專場上，剛剛獲得2015年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉，帶來了有關(guān)量子通訊與信息安全的精彩演講。
演講 | 潘建偉（中國科學(xué)院院士）
視頻制作 | 北京聽道
視頻校對 | 鄧志英
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我今天報(bào)告的題目叫作“神話、哲學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)與人類未來”。前陣子，我正好在烏鎮(zhèn)，就參加了互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)。在大會(huì)中，我忽然有這么一個(gè)理解，其實(shí)在古時(shí)候同時(shí)期存在著兩種人屬，一種叫碩壯人，一種叫直立人，他們互相之間可能也會(huì)有些聯(lián)系。碩壯人已經(jīng)開始使用工具了，而且他的腦容量也挺大。直立人相對沒有碩壯人那么強(qiáng)壯，但是他們發(fā)明了符號(hào)與基本的語言，可以很好地交流，分享一些信息，正因?yàn)檫@個(gè)原因，經(jīng)過慢慢地進(jìn)化，他就成為了我們現(xiàn)代人的祖先。
所以某種意義上講，那個(gè)時(shí)候就已經(jīng)有一種信息的交互。如果我們不太較真的話，可以把它叫做一種互聯(lián)網(wǎng)的雛形。按照我的理解，正是因?yàn)橛羞@樣的信息的交互、有互相協(xié)同，在直立人的進(jìn)化過程中起到了關(guān)鍵的作用。
關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)的將來，一直以來有一個(gè)非常重要的話題，就是所謂的隱私保護(hù)。有了隱私的保護(hù)，我們才能保證思想的自由和思想的多樣性，才能百家爭鳴，比如像雅典學(xué)院等等，能夠形成各種各樣的創(chuàng)新。所以我覺得在人類文明進(jìn)化的過程當(dāng)中，有兩方面信息的交互很重要：人類互相交流想象變得越來越豐富，同時(shí)每一個(gè)人都要作為一個(gè)主體，有獨(dú)立思考的能力。有這兩方面的原因，我們?nèi)瞬拍茏杂傻貏?chuàng)造。
神話傳說的物理實(shí)現(xiàn)
《西游記》里面有很多很有趣的概念。第一個(gè)就是“天上一日、地上一年”，告訴我們，天上的神仙時(shí)間會(huì)過得慢一點(diǎn)，他們活得時(shí)間會(huì)長一點(diǎn)，而地上的時(shí)間會(huì)過得比較快。有兩個(gè)很有名的神仙，叫順風(fēng)耳、千里眼，發(fā)生在很遙遠(yuǎn)的地方的事情他們能夠聽到，也能夠看到。
當(dāng)然可能大家都讀過這本書，其中最吸引人的就是美猴王。孫悟空有一個(gè)功能就是分身術(shù)，毫毛一拔，到處一扔，就變出好多個(gè)孫悟空。他還有另外一種非常強(qiáng)大的功能——筋斗云。翻一個(gè)筋斗，就可以從一個(gè)地方消失，在另一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)。這有點(diǎn)像我們前陣子看到的科幻電影《星際穿越》里面的場景。
所以大家就問了，這些東西在我們現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中到底能不能實(shí)現(xiàn)？大家都知道，得益于電動(dòng)力學(xué)的建立，我們能進(jìn)行無線電的通信。在1888年，赫茲在卡爾斯魯厄——德國的小鎮(zhèn)，做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證電磁波是不是存在。在圖的右邊，有一個(gè)小線圈在抖動(dòng)，當(dāng)線圈通電之后，在很遙遠(yuǎn)的地方，按道理應(yīng)該發(fā)生電火花。但因?yàn)樗@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室本來是在兩個(gè)不同的房間，所以他搖完以后趕緊跑到隔壁房間看，什么也沒有看到。好多年前我到這個(gè)地方去看過。赫茲后來把這個(gè)墻拆掉了，這邊一抖，那邊即時(shí)的電火花就發(fā)生了，因?yàn)闊o線電波以光速傳遞，跑得太快了，他怎么跑還是跑不過這個(gè)無線電。正因?yàn)橛羞@些發(fā)明，后來有了電話，有了電視機(jī)，到現(xiàn)在我們用的手機(jī)，都可以現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)千里眼、順風(fēng)耳這么神奇的功能了。所以我說，物理學(xué)真的非常有意思，它可以保證信息的有效傳輸。
剛才雙南教授已經(jīng)講到相對論。狹義相對論和廣義相對論都告訴了我們確實(shí)存在某種特殊的情況，有些地方時(shí)間過得慢一點(diǎn)，有的地方時(shí)間就過得快一點(diǎn)。比如在一個(gè)引力特別強(qiáng)的地方，一個(gè)小時(shí)甚至等于一個(gè)好遠(yuǎn)的地方的七年等等。這里可以舉個(gè)例子，雙生子佯謬的問題。如果說有對雙胞胎兄弟，有一個(gè)是宇航員，坐著宇宙飛船在宇宙中進(jìn)行快速的旅行。等他回來之后，他這個(gè)雙生的兄弟，已經(jīng)變得很老了。這樣的現(xiàn)象，在物理世界、在高速飛行的粒子里面，已經(jīng)能看到了。所以說確實(shí)也是可以實(shí)現(xiàn)的。
信息交互的未來挑戰(zhàn)
因此我形成了這樣一種觀點(diǎn)：我們在古代早些時(shí)候有語言，通過口口相傳，進(jìn)行信息的傳遞、交互和共享。隨后我們有了文字，也可以通過書本的傳遞，千里傳書來傳遞信息。到了后來，隨著科技的發(fā)展，第一次工業(yè)革命熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，隨后電動(dòng)力學(xué)的運(yùn)用，我們信息的傳遞效率和交互效率就變得越來越高了。到了現(xiàn)代，因?yàn)橛杏?jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，其實(shí)整個(gè)地球都變成一個(gè)村子了。所以說，信息的交互非常重要。
有兩個(gè)永恒主題將一直伴隨著我們?nèi)祟愡M(jìn)化和社會(huì)發(fā)展：首先，怎樣來加強(qiáng)信息交互的效率，把信息中有用的知識(shí)提取出來，進(jìn)行傳播、共享？這是非常重要的。同時(shí)，要加強(qiáng)隱私的保護(hù)，來保證每個(gè)人思想的自由。比如說，如果我現(xiàn)在可以非常方便地看到饒毅現(xiàn)在在想什么，我可以控制他的思想的話，我們每個(gè)人都不可能進(jìn)行自由的創(chuàng)造了。所以我覺得，信息有效的交互和隱私的保護(hù)是我們?nèi)祟愇磥淼囊粋€(gè)基本保證。如果這兩者都沒有的話，那我們就沒辦法繼續(xù)進(jìn)化下去了。
信息科技的進(jìn)一步發(fā)展，目前面臨很多重大的問題：隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米量級(jí)，電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不再遵守經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律了。而且目前所謂的超級(jí)計(jì)算機(jī)能耗是巨大的，所以大家經(jīng)常問：我們怎樣來發(fā)展未來的計(jì)算機(jī)，能很好地解決人類對計(jì)算能力的無限需求？這是第一個(gè)問題。與此同時(shí)，我們確實(shí)因?yàn)槊媾R各種各樣的問題：信息終端、服務(wù)器、傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)都有各種各樣的安全問題，存在著竊聽和種種的黑客攻擊。
有一種解決方法，就是可以對超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行加密，但隨著計(jì)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(biāo)準(zhǔn)密碼。但非常不幸的是，這些標(biāo)準(zhǔn)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(shí)網(wǎng)絡(luò)犯罪每年給全球帶來了大量的經(jīng)濟(jì)損失，更加不用說因?yàn)榉N種可能的其他原因，另外造成一些損失。
量子世界的“分身術(shù)”和“筋斗云”
我今天想跟大家分享的第二個(gè)觀點(diǎn)，就是量子力學(xué)在近百年的發(fā)展過程當(dāng)中已經(jīng)為解決這些重大的問題做好了準(zhǔn)備。
具體來說，第一個(gè)就是要適當(dāng)利用量子世界的分身術(shù)。這得益于上個(gè)世紀(jì)的一些物理學(xué)家建立的量子力學(xué)。在日常生活當(dāng)中，我要么在上海作報(bào)告，要么在北京作報(bào)告，我不可能同時(shí)在兩個(gè)地方講。這是經(jīng)典世界告訴我們的：我們某個(gè)時(shí)間只能在某個(gè)地方。但在量子世界，它是非常有意思的，比如作為一個(gè)微觀的客體，它不僅在這里，也可以在那里，同時(shí)在好多個(gè)地方。
微觀的客體在好多個(gè)地方同時(shí)存在，這是什么意思？我舉個(gè)例子。比如我從法蘭克福到北京講學(xué)，當(dāng)時(shí)太累就睡著了。假設(shè)有兩條航線，一條從莫斯科過來，一條從新加坡過來。新加坡還非常溫暖，莫斯科已經(jīng)非常寒冷了。到了北京之后，我見到饒毅，他剛好到機(jī)場來接我。他說建偉，你是從哪條航線過來的？因?yàn)樽w機(jī)的時(shí)候我睡著了，沒看我從哪一條航線過來，記得我當(dāng)時(shí)醒來的時(shí)候，渾身是冷熱交加。可他說你肯定是發(fā)生了錯(cuò)覺，你最好以后坐飛機(jī)的時(shí)候睜大眼睛，不要睡覺。那我就很老實(shí)地坐1萬次飛機(jī)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)的5000次我是渾身寒冷，5000次我是非常地溫暖。我就覺得非常放心了，就可以又睡覺了。但是我又做了1萬次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)非常不幸的是，每次只要我睡著了，醒來的時(shí)候總是在打擺子，就是冷熱交加。
那為了解釋這樣的現(xiàn)象，在量子力學(xué)里面就說，第一，在某些特殊的情況下，如果說你沒在看這個(gè)客體到底是處于哪個(gè)位置的時(shí)候，在某些特定情況它可以同時(shí)處在兩個(gè)位置。第二個(gè)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(zhuǎn)了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。
剛才雙南也講到，牛頓力學(xué)是一個(gè)非常美的理論。它告訴我們一旦一個(gè)粒子和這個(gè)體系的初始狀態(tài)是決定的話，那么所有粒子未來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)F=ma這個(gè)方程我就可以預(yù)測出來了。如果我們?nèi)说乃械牧Ｗ佣际怯膳ｎD力學(xué)在控制的話，那么我們今天在這個(gè)地方開會(huì)、我們什么時(shí)候死、誰做生命學(xué)家、誰做物理學(xué)家，在宇宙大爆炸這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)確定了。所以個(gè)人的努力是毫無意義的。
從這個(gè)角度上講，量子力學(xué)比我們經(jīng)典牛頓力學(xué)哲學(xué)，要更加積極一些。量子力學(xué)告訴我們個(gè)人的行為、我這個(gè)體系的測量是可以影響世界的。所以從哲學(xué)上講是非常積極的。具體來說，我們可以用粒子的狀態(tài)來加載0和1的信息。在一個(gè)經(jīng)典的世界，它只能處于上?；蛘弑本荒芴幱?或者1。到了微觀世界之后，我們可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)相干疊加。正因?yàn)橛辛诉@個(gè)相干疊加之后，新的定理就發(fā)生了。你若對這種狀態(tài)去測量，就會(huì)對這種狀態(tài)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響。它本來是處于冷熱交加的，你一測它就變得冷或者熱了。這么一來，量子力學(xué)告訴我們，未知的狀態(tài)你是測不準(zhǔn)的，這是量子不可克隆定理。
愛因斯坦不僅是相對論的建立者，同時(shí)也是量子力學(xué)建立者之一。他就非常不喜歡這樣一種不客觀的理論。因?yàn)樗J(rèn)為客觀世界是獨(dú)立于我們的意識(shí)而存在的。他說怎么可能你去測一下，結(jié)果對這個(gè)狀態(tài)會(huì)發(fā)生影響？
我畫的這只貓，就是所謂活活加死死這種狀態(tài)，它就屬于量子糾纏態(tài)。這是什么概念？比如說我到北京來，送給饒毅一個(gè)骰子，我事先做好了，他的這個(gè)骰子跟我這個(gè)骰子是糾纏態(tài)。然后我回到上海去了，我就跟他說，饒毅，你扔手中的那個(gè)骰子。他扔了好多次，把結(jié)果寫下來，每次都是隨機(jī)得到1到6里面的某一個(gè)點(diǎn)數(shù)。我就跟他說你第一次是多少，第二次是多少，我都可以猜得出來。這樣的現(xiàn)象，我們把它叫作遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。在2015年，這么一種現(xiàn)象基本在物理角度上被確證了，只剩一個(gè)很小的漏洞。這個(gè)是我們正在做的一個(gè)研究。
由此，我們說新的科學(xué)就誕生了?，F(xiàn)代的物理學(xué)為我們傳統(tǒng)的經(jīng)典信息科學(xué)已經(jīng)奠定了基礎(chǔ)。有了量子的0加1之后，一些新的東西就誕生了。例如，可以利用它來保證原理上的無條件的安全的通信。如果將來可以立法，我們可以利用這種手段，保證我們的隱私。利用這種量子計(jì)算手段，它可以算得非常地快，可以有效地揭示復(fù)雜物理體系的規(guī)律。就是說，可以把計(jì)算能力和信息安全的兩個(gè)問題都比較好地解決。
具體來說，比如說量子通信，我們可以用量子密鑰分發(fā)。因?yàn)樗遣豢蓮?fù)制的，你去測就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。所以我們就可以有一種絕對安全的通訊方式。其實(shí)還有另外一種比較有意思的、利用這樣的量子糾纏的概念。因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，就只用圖來表示了。
比如說我在上海的航班延誤了，但要在幾分鐘之內(nèi)到北京，怎么辦？我坐飛機(jī)肯定不行了，但是如果說北京和上海之間我有兩團(tuán)糾纏物質(zhì)的話，我可以對上海的這個(gè)潘建偉和旁邊這種糾纏物質(zhì)進(jìn)行一種測量，把它都變成一個(gè)個(gè)糾纏粒子，那么你會(huì)得到一組數(shù)，通過這無線電臺(tái)可以把它發(fā)射到北京。到了北京之后，可以對這團(tuán)物質(zhì)再做一種所謂的幺正變換，就可以用同樣多的物質(zhì)把它給重構(gòu)出來。這樣一種過程，我們就把它叫作量子世界的筋斗云。
當(dāng)然，要傳送人、傳送比較復(fù)雜的客體，還需要比較長的時(shí)間。但是，這樣一種能力就保證了量子信息可以在網(wǎng)絡(luò)里面走來走去了，這樣就是多體多終端多自由度的量子隱形傳態(tài)，它能夠構(gòu)成一種分布式的量子信息處理的單元。其實(shí)我們所謂的計(jì)算機(jī)，也就是信息在這跑來跑去、處理的過程。如果利用這種過程，我們就可以來構(gòu)建所謂的量子計(jì)算。
因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，我只舉一個(gè)例子。比如說要求解一個(gè)10的24次方的變量的線性方程組，用目前最快的天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)大概需要100年左右的時(shí)間。而利用萬億次的量子計(jì)算機(jī)，盡管計(jì)算的頻率比天河2號(hào)要慢1萬倍，但它只需要0.01秒就可以把這個(gè)方程給求解出來。所以它可以廣泛地應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)、金融分析、氣象預(yù)報(bào)、密碼分析等等，用途是比較大的。
當(dāng)然，也可以直接用于對一些物理問題的研究。因?yàn)槲锢韱栴}研究更加直接，它也需要有非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。有了這些理論之后我們就可以利用量子通訊，來構(gòu)建一個(gè)非常好的天地一體化的網(wǎng)絡(luò)，有城域網(wǎng)、城際網(wǎng)，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的這種廣域的量子通信，就可以比較好地來保證我們的網(wǎng)絡(luò)安全。
目前，我們正在做一些事情，比如說今年將開通北京到上海之間的一個(gè)量子保密通信“京滬干線”，今年還會(huì)發(fā)射一顆量子衛(wèi)星。量子衛(wèi)星除了做量子通訊之外，還可以來檢驗(yàn)一下剛才所講到的遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。這是我們在量子通訊方面準(zhǔn)備做的一些相關(guān)的事情。
另外在量子計(jì)算方面，其實(shí)我們覺得可能還需要一點(diǎn)路要走，但是已經(jīng)有一個(gè)比較好的目標(biāo)了，大概會(huì)用10年左右的時(shí)間，我們能夠?qū)崿F(xiàn)50個(gè)量子比特的操縱，它對某些問題的計(jì)算能力大概可以達(dá)到天河2號(hào)的數(shù)千倍左右。
我覺得，量子計(jì)算在不久的將來能夠成為現(xiàn)實(shí)，所以總體上來講，我們希望通過對量子通信、量子計(jì)算的研究，能夠?yàn)槲覀兾磥淼幕ヂ?lián)網(wǎng)，或者我們?nèi)祟惖陌l(fā)展，提供一種更加有效和更加安全的信息交互方式。
這就是我今天想給大家分享的一些想法。
本文根據(jù)作者在聽道-知識(shí)分子專場的演講整理，小標(biāo)題為編者所加。
