潘建偉專訪：構(gòu)筑量子互聯(lián)網(wǎng) | NSR專欄
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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自二十世紀初誕生以來，量子力學似乎一直是一個獨特的、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）的運行規(guī)律。然而在人類社會所有的工程實踐中，經(jīng)典物理學規(guī)律都發(fā)揮著主導作用，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，科學家們開始將量子規(guī)律應用于實用科技領(lǐng)域。1985年，物理學家理查德·費曼提出，使用量子規(guī)律的計算機可能具有超出現(xiàn)有傳統(tǒng)計算機的計算能力。幾乎同時，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接收者，中途不能在不被察覺的情況下被攔截或讀取。現(xiàn)在，量子計算機和量子密碼學已經(jīng)成為了現(xiàn)實世界中量子信息科技的核心部分，可能很快就能應用到科學、工業(yè)和社會領(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，這些應用將越來越可能變?yōu)楝F(xiàn)實。在這一領(lǐng)域的研究中，中國位居前列，而中國科學技術(shù)大學教授潘建偉院士正是其中一位重要的科學引領(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；2017年，他入選《自然》年度“十大科學人物”；同年7月，潘建偉和他的團隊報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。
量子互聯(lián)網(wǎng)是什么？
“量子隱形傳態(tài)是從一個粒子向另一個粒子遠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?！?/span>
NSR：量子互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了一個流行的概念，它的含義是什么？
潘：眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)是用于傳遞、處理和儲存經(jīng)典信息的全球性系統(tǒng)。量子互聯(lián)網(wǎng)則可以對量子信息進行同樣的傳遞、處理和存儲。量子互聯(lián)網(wǎng)首要的實際任務是以一種無條件安全的方式進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)將實現(xiàn)眾多量子信息任務，包括任意節(jié)點之間的量子隱形傳態(tài)、分布式量子計算和高精度量子測量。
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)，或者同時處于0和1的其他不同組合狀態(tài)。一個基本的原理是說，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，這一定理表明一個未知的量子態(tài)不能夠被精確地復制。當一個量子系統(tǒng)由兩個或多個量子比特組成時，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、量子計算和量子互聯(lián)網(wǎng)的基石。
量子隱形傳態(tài)是從一個粒子向另一個粒子遠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)，有一對量子糾纏的粒子a和b，在A和B這兩個位置間進行信息交換。接下來，有一個未知的量子比特c, 需要從A點傳遞到B點。要達到傳遞的目的，我們在點A對粒子a和c進行聯(lián)合測量，之后根據(jù)聯(lián)合測量的結(jié)果對粒子b進行相應操作。這樣一來，未知的信息在粒子c處就會被“銷毀”，并“傳遞”到粒子b。然而，要讀取在B點接收到的信息就需要首先獲取在A處粒子a和c測量后獲取的信息。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。
量子互聯(lián)網(wǎng)的組成要素
“我們相信，一個實用的量子計算機能夠在未來幾十年內(nèi)建成?！?/span>
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)將由可以處理和儲存量子信息的節(jié)點與傳遞量子信息的信道組成。這些節(jié)點十分復雜，并且高度依賴于它們的實際應用場景。比如說，量子密鑰分發(fā)（QKD）是量子信息的第一個實際應用。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QKD終端必須能夠產(chǎn)生、操縱和測量單個光子。
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，現(xiàn)有的光纖信道確實是可以使用的。然而，要應用在量子互聯(lián)網(wǎng)上，還需要對這些線路進行巨大的調(diào)整，尤其是針對各個節(jié)點。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)的目標確實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，一個實用的量子計算機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、濟南、合肥和上海，長度超過2000千米，由32個中繼站組成。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行傳輸。更多的骨干網(wǎng)絡(luò)和城域網(wǎng)正在計劃建設(shè)。我們還在2016年8月16日發(fā)射了第一顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”。我們已經(jīng)在墨子號和多個地面站之間進行了量子密鑰分發(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)。越來越多的衛(wèi)星將發(fā)射并組成一個全球性網(wǎng)絡(luò)。
量子互聯(lián)網(wǎng)是個工程問題嗎？
“我們甚至對基本的量子疊加現(xiàn)象都沒有完整的認識。”
NSR：目前，我們是否已經(jīng)對量子互聯(lián)網(wǎng)背后的原理有完整的認識？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)只是一個工程問題？
潘：我們甚至對基本的量子疊加現(xiàn)象都沒有完整的認識。然而，這并不會阻礙人們將現(xiàn)有量子力學領(lǐng)域知識投入實際應用。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，在這個相對成熟的領(lǐng)域中也會不斷有新概念出現(xiàn)。至于未來的技術(shù)，比如量子計算等，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。我認為這就是科學的魔力。
NSR：量子網(wǎng)絡(luò)和量子計算機之間存在關(guān)聯(lián)嗎，還是說它們是完全分開的？比如說，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，會這樣。我相信量子計算機會成為量子互聯(lián)網(wǎng)的重要部分。量子計算機建造成本高昂，至少在早期，它將僅通過量子互聯(lián)網(wǎng)提供公共服務。在這個場景中，用戶能夠通過量子互聯(lián)網(wǎng)接入到量子計算機，通過傳遞量子比特上傳任務并下載結(jié)果。這也就是量子云計算的概念。
量子互聯(lián)網(wǎng)的國際競賽
“我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學者進入這一領(lǐng)域。”
NSR：國際范圍內(nèi)對量子互聯(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。從短期目標來看建立一個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接受這些挑戰(zhàn)。我們在中國有一個很棒的團隊，也有很多優(yōu)秀的團隊分布在全世界?，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、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)視作一項尤為重要的科技？
潘：是的，我們從中國政府獲得了很強勁的支持。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、保險等實用領(lǐng)域進行試用。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：您認為這一領(lǐng)域在20年以后會發(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，也將適合個人使用。量子密鑰分發(fā)將成為一個用于加密的通用技術(shù)，在日常生活中廣泛使用。量子計算機和量子模擬器將建立，并作為公共服務用于特定的任務，就像現(xiàn)在的超級計算機一樣。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：有哪些人或者事引領(lǐng)你進入了這一研究領(lǐng)域？您會推薦年輕學者進入這一領(lǐng)域嗎？
潘：量子力學相關(guān)的基礎(chǔ)研究，以及可能出現(xiàn)的實際應用都是十分重要的課題。我進入這一領(lǐng)域的最初的動機在于，作為一名實驗科學家，我希望對量子力學規(guī)律做基礎(chǔ)檢驗，去理解量子力學如何及為什么與經(jīng)典物理不同。然而，可能的量子力學實際應用也深深吸引了我，這些應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。它能夠帶來一場科技革命。我將不遺余力地推薦聰慧的年輕學者進入這一領(lǐng)域。 
版權(quán)聲明
本文英文原文已在線發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR ），原標題為"Jian-Wei Pan: building the quantum internet"，本文小標題為編者所加。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯(lián)合出版?！吨R分子》獲NSR和牛津大學出版社授權(quán)刊發(fā)該文中文翻譯。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwy102
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