中国科学院院士潘建伟在数博会上的精彩演讲-人民数字联播网贵州
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中国科学院院士潘建伟在数博会上的精彩演讲

2019/8/15 14:56:24



新量子革命

  中国科学院院士潘建伟

  非常高兴能来参加数博会,也非常感谢组委会的邀请。前面三位演讲者主要是给我们展望了在大数据发展下非常美好的未来。作为科学家来说,我想考虑的是,我们要实现这样一个梦想,让正在发生或者即将发生的一切能成为现实或者得到更好支撑。从科学家角度我们能做一些什么事情呢?所以我主要想给大家介绍正在发生的技术革命,我演讲的题目是《新量子革命》。

  人类历史上有两次科学革命,牛顿力学的建立给我们带来第一次产业变革和第二次产业变革;上世纪初随着量子力学的建立,催生了以信息技术为代表的第三次产业变革,X射线、能源科学、信息科学、生命科学、材料科学都是跟量子科学紧密相关的。某种意义上,我们可以说,正是因为量子科学才催生了现代信息技术发展,比如说原子弹研究过程当中,催生了现代意义上的电子计算机。在物理学家把数据传往全世界各地的时候,发展了互联网的概念。通过用原子钟来检验相对论,最后发展成为目前GPS导航技术。

  随着技术发展,目前遇到两个问题。第一个问题,刚才大家讲大数据,数据以及互联网的安全性是非常重要的。其实为了实现信息的安全,几千年之前我们就开始采取措施,比如中国用的虎符,罗马帝国的凯撒大帝发明的移动的加密方法等。但是所有传统的经典加密方法被后来的一位阿拉伯数学家发现,比如说英文里面A出现的频率是8%左右,不管把秩序怎么加密,收到一封英文后,8%的频率就是A,这样就可以破解。后来人们设计了更复杂的加密算法,二战的时候德军官方使用了密码系统,但又被图灵给破解了。目前广泛使用的公钥体系,是对区块链非常重要的非对称加密算法,是1024位的,几年之前大家就建议不要使用了。利用中国学者王晓云教授提供的一些理论,在2007年2月谷歌破解了广泛应用于文件数字证书当中的加密算法。所以,历史经验告诉我们,依赖于计算复杂度的经典加密算法,随着我们计算能力的提高,都是会被破解的。所以,将近一百多年之前人们就开始怀疑了,以我们人的智力到底能不能构造出一种加密数使得人的智力也无法破解掉?

  第二个问题,随着大数据和人工智能的发展,我们对计算能力的需求日益增加,而且增加的需求量非常大,比如说AlphaGO跟人类下一盘围棋所要用的电是十吨煤,但是人只需要一碗饭就可以了。但是我们的计算能力还是非常受限的,因为要把大数据里面的有效信息提取出来需要做大量的计算。

  我们目前发展计算能力的传统手段就是把计算机集成度提高,生产更好的软件。但是,目前摩尔定律已经面临终结。尽管摩尔定律告诉我们,单位面积集成电路上可容纳的半导体晶体管数目每18个月就会增加一倍,但是不到十年左右的时间,这个规律就会停止,会达到原子的尺寸。当达到原子的尺寸后,数据就不能很好地定义什么是0,什么是1。我刚才也讲到,经典超级计算机能耗巨大,所以我们面临这样的计算能力和信息安全瓶颈。非常有意思的是,量子科技的发展催生了信息技术的发展,它经过自身近一百年的发展,已经为解决这样的问题做好了初步的准备。

  具体来说,它与我们每天生活中的0和1唯一不同的是一个开关、一只猫可以处于0或者1的状态,这是经典比特;但是到微观状态,不仅可以处于0和1状态,甚至可以处于0+1的叠加状态,这是量子比特。当量子比特增加到两个比特会产生新的现象,这是量子纠缠。当时爱因斯坦把这种现象叫做“遥远地点之间的诡异的互动”。在我们这个领域的科学家,从1935年到上世纪90年代,经过将近六十多年的努力,终于慢慢地能对这么一种小小的颗粒进行操纵,让它产生异常,形成了目前大家所说量子信息科技。我在这里做一个类比,孟德尔遗传定律告诉我们种瓜得瓜,种豆得豆。为什么我长得比较矮,孩子生出来就比较矮?我们不知道原因,但分子基因学就知道这是由基因决定的。量子科技也是这样的,从前所有经典信息中的应用都是对量子规律被动观测所得到的规律加以应用,但目前能对一个一个颗粒进行可控的调控的话,那么一门新的学科——量子信息科学就诞生了。它主要包括两方面内容,利用量子保密通信可以提供一种原理上无条件安全的通信方式,它可以让我们网络和信息传输更安全;利用量子计算我们可以得到一种超快的计算能力来进行更快速的计算。比如说利用单位量子,我们可以在原理上实现一种无条件分发;利用没有窃听的密钥可以进行安全通信;除此之外,还可以利用一种非常有意思的方法,让几百个比特、几百个原子构成的状态在一个网络里面走来走去,构成一个量子计算机。量子计算机有一个比较好的功能,它可以用于大数据和人工智能,比如求解10的24次方变量构成方程组,用目前最快的超级计算机大概需要100年左右,但是利用万亿次量子计算机只需要0.01秒完成。某种意义上讲,它可以算是信息时代的核武器,所以它的发展是非常重要的。

  在这一过程当中,我们国家很早就布署了量子调控的重大科学研究计划。所以在国际上,我们在量子通讯方面走得比较前面,2012年这个系统已经在北京投入了永久使用,包括党的十八大、十九大、阅兵仪式等等,都运用了基于量子通讯高安全的保障系统。但是这里面有个问题,信号是安全的,但是不能被放大,所以在相隔100公里或者几百公里时就很难接收到了。如果要在一个商用的1千公里光纤中传输量子信息,即使每秒有100亿个发射信号,相当于10G的单光子源,但是在1200公里之外,数百年只能送一个密钥,这样的技术要在远距离发展上具有局限性。

  为了解决这个问题,我们需要开展基于自用空间的量子通信技术。在这个空间里,水平的1公里大概是立体大气的10公里左右,80%的信号可以穿破大气层到达地面,有这样的技术之后,我们从2003年开始研究,经过10多年的努力,在2016年发射了世界上首颗量子科学实验卫星,并在2017年获得了比较好的结果,比如点对点的量子密钥分发,2017年我们完成的结果每秒钟可以送1000个密钥,最近的结果已经达到了50万个密钥。也就是说在下一代量子通信卫星里面我们很快可以达到每秒钟1兆的点对点密钥分发量。除此之外,作为一个基础研究,我们也希望对爱因斯坦所说的“诡异的互动”做一些相关研究。结果我们发现,在青海的德宁哈和云南丽江相距1200公里的距长上确实有纠缠。我们已经与奥地利合作,在2017年9月实现了北京、乌鲁木齐、维也纳之间视频加密的量子通信。目前正在与德国、意大利、加拿大、俄罗斯、美国、新加坡合作,希望能在全球范围内探索构建一种州际量子通信的可行性。

  在量子计算方面,我们国家也取得了比较好的成果,一个典型的代表案例是在2012年的时候,为了纪念计算机之父图灵诞生一百周年,我们做了一项工作,让计算容错率由原来十负五次方降低到十负二次方,这个工作很好地推动了量子计算的发展。2017年我们在国际上首次实现了一台光量子计算的原型机,超越了最早的经典计算机。预计到2018年年底,用我们的光量子计算和超导计算的计算能力,在某些特定计算功能上就能达到我们目前最快的商用CPU,跟手提电脑速度差不多。从这种角度上讲,它可能在不久的将来就能较好地用于优化网络、优化治疗、理解图像。我们希望通过10到15年的努力,能构建全球化量子网络,与此同时,我们希望在量子计算方面能实现数百个量子比特相干操纵,这样对某些问题的求解大约能达到目前全球计算能力总和的100万倍。从这种角度上讲,能给信息科学方面开启无限的未来。

  在美国,通过国家实验室的建设,研制出第一颗原子弹,掌握了核威慑能力,改变了20世纪的政治格局。针对量子信息这一块,目前包括美国、欧洲、中国在内的世界各国都在一起努力,这个过程也给了我们变成引领者的机遇。我就介绍到这里,谢谢大家!


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