郭光灿：走近量子计算

很高兴有机会来为大家做一个科普报告，今天的主题是人工智能，人工智能和量子计算在未来，都是可能对我们人类社会产生重大影响的新技术。今天来听报告的大多都是人工智能的专家，都是同行。大家可能对量子听了很多，但是不太懂，所以我今天的报告将以科普的形式来讲讲量子信息。

我想讲这几个问题：

一是量子世界的奇异特性，什么是量子？量子水、量子眼镜的伪科学五花八门。真正量子是什么，它有一个科学的内涵，你要稍微懂一点基本知识就不会被人家忽悠。

二是量子计算机。量子现在传得太神奇了，神奇到量子好像是妖魔鬼怪什么都能做，一些学者不合适的宣传也会导致大家的误解，所以我第二个方面给大家介绍一下量子技术不能做什么。

三是量子密码，量子设计有可能会给人类带来什么新的技术。

因为时间关系，我先讲一个量子计算机，量子计算机是对人类社会有颠覆性作用的新技术，所以我讲讲它的基本原理，它到底发展到什么地步，什么时候能够用上去，我想这是大家最关心的。

什么是量子？大家中学上的都是物理叫经典物理，现在我们所知道的世界里面所有的运动规律都遵从经典物理的规律，这个世界我们叫它经典世界，这个世界很大的特点，大家都很熟的，什么物理量都是确定的，状态是确定的，你今天穿什么衣服、你的状态都是确定的，所以经典的一个共同特点是什么都是确定的。

如果这个世界小，分子是由分子、原子和什么什么组成的，如果小到原子那个尺度，微观世界所有的物体就不再遵从经典世界的方程，这一点科学家在一百多年前发现了——微观世界所有的粒子都有波动性、粒子性。那么什么理论能够描述这个微观粒子的运动规律呢？后来辛辛苦苦找到一个叫量子力学。

所以我们可以把世界分为，凡是遵从量子力学的世界叫做量子世界，遵从经典的叫做经典世界，我们现在最不熟的是量子世界，最大的特点是量子世界的粒子，它的位子、动量、能量所有物理量是不确定的，这也是最难理解的。我讲个例子：我们经典世界，一个人从合肥到北京你可以坐高铁，也可以坐飞机，一旦到北京了，人家问你是怎么来的？我是坐高铁来的，所以路径是确定的，经典世界的路径是确定的。同样如果是一个量子，它从合肥到北京也有几条路可以选择，它到北京以后问他是怎么到北京的？它不走一条路，它是几条路一起走，它是飞机和高铁一起走，你说它奇怪不奇怪？所以你要理解量子世界发生的事，你如果用经典世界思考完全想不通。所以你可以想像所有百货大楼的东西都是经典的，谁忽悠你是量子的全是骗人的，我告诉你量子到现在没有真正的产品出现。

一个粒子就已经很奇怪了，两个粒子的量子体系更奇怪，奇怪到跟幽灵联合到一块。这就是我要给大家解释的。我举个例子：一个母亲在合肥，她女儿到深圳打工，她在深圳的女儿结婚，生孩子那一瞬间，她在合肥的母亲自动变成外婆，这就是“幽灵”，她女儿也没有打电话告诉她我生孩子了，但是她就变成外婆了，这不需要时间，这是瞬时发生的，没有信息传递，原因在哪儿？因为她们有深刻的关联，不管她们走多远，这件事情一定会发生。所以，幽灵没有传递信息，幽灵就是一种关联，这个关联是怎么来的？是最开始产生AB的时候他们自身性质决定的，不管他们空间分得多远都会保持这个关联，本质就是这个本质。爱因斯坦本来想拿这个实验说量子力学不对，后来证明量子力学是证明的，这是量子力学最本质的一个性质。我得出一个结论，这里没有超光速的信息传递，这里没有幽灵，也没有妖魔鬼怪，幽灵就是关联，也叫纠缠态，纠缠就是这样来的。

那么这种量子纠缠有什么用？我讲一个简单的例子，量子的隐性传态，这个传态就是这个故事，Alice携带了一个量子信息，Alice想把这个粒子携带的信息传到她男朋友Bob那里去，但是信息的载体不送过去，大家能够听到我讲话的声音是因为声波通过空气传播过去，在家里看电视听广播的时候视频和音频信号要通过电磁波接收到，信息的传递一定需要载体。现在Alice说我不把载体送过去，我就把它送去行不行？用经典绝对不行，用量子也绝对不行，科学家想了一个办法，把量子和经典结合起来，结果就行了。Alice测量有四种可能的输出，一种概率是1/4，测量一次就有一个结果，Alice不管测量出什么结果，她把这个结果通过经典通道送给Bob，他知道信息的一部分，他知道这个信息就可以把这个粒子C做一个操控，这个粒子C就携带了C上面的信息，这个操控完了，这个过程里Alice的C的信息在Alice这里消失掉，在Bob的B那里出来了，所以就这么过去了。

我要讲容易误解的两点：第一点，这里需要经典，只要有经典就不需要超光速，所以信息消失掉到Bob那里出现这里没有超光速。第二点，她传递的是量子信息，不是载体，她没有把载体送过去。这个实验已经做成了，我要纠正一个，现在媒体还有的学者公开宣布，说量子技术可以使得人瞬时在地球上消失掉跑到别的星球去，或者从地球上一个地方瞬间转移到另一个地方，这是不可能发生的。

利用量子的性质我们开拓一种新的技术，这个技术是真的，量子计算机不是假的，都是真的。我们可以看到好多量子技术，量子密码、量子传感，所有这些量子器件的功能比经典器件要多，它的安全性也比经典器件安全得多，所以量子器件一旦出来了，我们整个社会就会发生很大的变化，从以前的经典世界跨越到量子世界，所有的水平会大大提高，所以量子信息的诞生是一个非常重要的时代。未来人类社会要走到量子技术的新时代，这是它的优点和潜力，但是这是未来的，为什么呢？因为量子的优越性在于量子性，而它的缺点和困难也在于量子性，量子性在宏观世界非常脆弱，很容易破坏掉，一个量子性消失掉了的器件，就变成经典器件了。量子计算机最大的难点，就在于保持住宏观量子体系的量子性，越大的宏观量子体系保持住量子性就越困难，这就是量子计算机做不出来的原因，人类已经找到好的解决办法可以解决这个问题，但是现在技术上还做不到。当下宣传的时候有人说量子马上走进千家万户，那是商人的忽悠，那是为了让股票上涨而已，现在还做不到，但是早晚一天会做到，这需要一个过程。

我们讲一个例子，我们确实能做到，它的优点很显著，但是难度很大。量子计算机是电子计算机演变出来的，它也不是从天上掉下来的，量子计算机有个定律叫摩尔定律，长期几十年摩尔定律不断翻，科学家就问摩尔定律永远翻下去，没有极限，会不会死掉？经过他们的研究，得出结论，摩尔定律早晚会死掉，原因有两点没有办法克服：一是能耗太高，二是再发展下去会碰到量子效应，量子效应会阻碍电子计算机发展的效应，所以人们指出摩尔定律一定会失败。

科学家就想摩尔定律失败以后，谁能替代计算，使计算效率能够提高，所以就提出来了量子计算机。操作一台量子计算机相当于把全世界所有的电脑加起来能力那么大，理论上可以这么大，这是量子计算机的优点，叫做天生的量子计算机运算能力，电子解不了的我能解。比如说大数因子分解，用电子计算机1600台分出两个数，但是如果用量子计算机一秒钟就可以分出来，这个问题为什么能够研究呢？这个问题是现在广泛研究的公开密钥的研究基础，所以量子计算机一旦做出来，现在所有的密钥都得破，所以现在美国已经消停了，就是因为量子计算机马上要来了。量子计算机跟电子计算机的运算能力相比，相当于电子计算机和算法的运算能力相比，当人类社会从算盘时代到现在量子计算机的时代，如果一旦量子计算机可以用了，那么从电子时代到量子计算机时代，人类社会将发生翻天覆地的变化，这就是为什么说它是颠覆性技术的原因，虽然它很困难，各个政府都要去做它的原因。

欧洲有一个“量子宣言”，他们用了10亿的欧元，其中有一个叫量子计算机，这是他们的计划。澳大利亚主攻硅基，跟我们一样，法国总统到他们那去，他们开始联合起来共同做硅基的量子计算。加拿大有一个公司叫D-Wave，2011年发布第一台128比特量子计算机，但是大家不承认，因为它不能关联、不能纠缠、不能操控，所以它不是真正的量子计算机。谷歌做到72位的量子比特，IBM做到20位量子比特，这个进展非常快，快到IBM已经宣布三年之内要把可以商品化的量子计算机做出来，它要卖，为什么呢？因为它是公司，公司就是以商业为目的，所以它要抢占市场，所以它有可能做出来第一台，第一台是功能很简单的量子处理器，先把量子处理器做出来卖给大家，但是到后来的量子输出、量子输入等等什么都有了，让你习惯。它现在让你用习惯，它是一个专用机，但是它要占领这个市场，所以最近几年有可能到了这个地步。

所以量子计算机处在什么状态呢？从晶体管到集成电路的过渡阶段，在摩尔定律的发展下量子计算机处在这个过渡阶段。我们搞了一个本源量子服务平台，大家可以上网搜一搜登录进去看一看，它里面有各种各样的丰富内容。

量子密码它是第一个可以实际应用的量子技术。量子计算机是最颠覆性的，但是很遥远，量子密码却很快就可以用，量子密码涉及到通信安全，如何把信息传过去也不让人听，比如说我们这里讲的是布什要跟他们两个谈话，拉登在中间偷听，他们通话的内容拉登听不了这就安全了。美国派潜艇到太平洋下面光纤通信，它潜驻旁边可以窃听，二百块钱就可以买个窃听器，美国二百块钱随便买，都可以买，因此必须加密，在古代都有加密。怎么加密呢？我要发一个信息，写在一张纸上，把这个纸在滚筒里转，我要写的信息就把它滚动转动，对方拿到这个纸条之后，先把白的纸绕到滚上，然后再写我要写的信息，拿到这个纸就乱了，可是对方知道这个纸的尺寸多大，所以就拿同样大尺寸的纸去找，这就是古代的加密。

现在是密文，密文什么也看不出来，密文传到对方，密文对方拿到也有一个密钥，它的密钥和你加密的密钥相同，拿到密钥就解密出来，这就是保密通讯的基本原理。所有国家在边界都有很多接受器，都是靠密文，收到密文之后就送到总部去，总部有专家，他不知道密钥，但是他可以进行破解，破了之后就会有奖励，这是能破的。这种是基本道理，如果这个Alice的密钥破不了，一次一密就无法破，一次密钥只能用一次，这样传过去，你不知道密钥，包括最聪明的专家都不能破出来，这是绝对安全的，不可破的，但是这里有一个缺点，什么缺点呢？它需要大量的密钥，比如说我们的驻美大使馆跟外交部一次一密，密码本用完以后就撕掉，不用，他密码本用完了，外交部把新的密码本更新传到大使馆，怎么传？这叫密钥分配，任何保密通道都不保密，最后怎么办呢？靠人，找一个可靠的人，祖宗八被都是老实人也不一定是可靠的人，因为他要睡觉，他睡觉的时候别人想办法把密码本拿走他也不知道，所以现在靠人是最安全的。量子密钥就解决一个问题，密钥分配不安全，它想办法让密钥分配安全，用量子的办法就可以安全，这是量子密码的诀窍。

现在媒体上操作量子通信，实际上不是量子通信，它其实是传密钥，所以所谓的量子通信就是一次一密的密钥分配，这个传输能够保证这个密钥是安全的，保证密钥分配是安全的。

我们看看它是怎么保证的？我们两个要保密通信了，先建一个密钥，密钥靠人保护是不安全的，我们马上要保密通信，我们先通过光纤用量子的办法产生密钥，密钥安全了我们再做一次一密的加密，这个密钥怎么给呢？我用一个光子一个光子的量子，然后用不同的量子态代表0，发100个光子，是圆的是线的不确定，每一个光子随机，一旦发出去之后，到了Bob之后，他要看这个密钥是0是1，这个光子是圆的还是线的，他也不知道，所以怎么检查它是圆的还是线的，Bob没有办法辨别，那就随机取，随机取有一半是对的，有一半是错的，艾丽斯知道100个光子有0和1，这时候Bob通过公开的渠道告诉艾丽斯说我测量的结果是什么，我第一个测量是圆的，艾丽斯知道Bob是对的，就把第一个测量的结果留下来。如果第二个测量还是圆的，艾丽斯知道你错了，但是她不告诉你，她说你把第二个扔掉，艾丽斯就告诉他你把哪些去掉，哪些留下来，去掉的是错的，留下的全是对的，两边一对，这两边是相同的，这就是密钥分配，密钥就传过去了，这就是量子的办法。

那量子通信有什么好处？那就是有没法窃听。如果有人窃听那就会破坏量子原来的状态，本来是圆偏光后来变成线偏光的，那就会知道中间有会窃听。这是量子密码的办法，要保证我的密钥有人窃听能发现，如果那个密钥有人窃听我发现不了，那还是不安全的，但是我们理论上绝对是安全的，所以这是量子密码有可能做到的，不可以窃听，窃听我就发现，不可以破译，我一次一密。

但是实际上有个问题，实际的物理体系不是你想的，理论上说窃听以后不被发现，但是如果你有漏洞我偷听了，这就不安全了，当所有的漏洞都堵了，所有的窃听技术都没有办法窃听，就是安全的。我们做了很多年了，现在已经达到实际应用的状况。