（本文由潘建伟院士在北航的讲座改写，原讲稿见《科普中国——科学大咖面对面》第一辑，整理人陈鑫、杨国青、董申）
智慧时代，未来已来。随着量子物理等领域不断取得新的突破，我们正在迎来新一轮的科技和产业革命，世界各国对量子物理都做出了国家级的战略布局。例如，2015年初，英国启动了国家量子技术专项；2018年，欧盟启动了量子科技旗舰计划；2018年底，德国启动了量子技术从基础到市场的国家计划；2019年，美国的《国家量子行动法案》把量子技术与5G、人工智能同列为国家战略……
量子这个曾经在教科书中虚无缥缈的概念，似乎马上就要走进人们的生活了。那么，量子究竟是怎么一回事？它和信息技术又能擦出怎样的火花呢？
一、经典物理学与“注定”的世界
1687年，“站在巨人肩膀上”的牛顿写了本书，叫做《自然哲学的数学原理》，提出了力学三大定律和万有引力定律。比如我们在中学阶段就熟知的F=ma，就是著名的牛顿第二定律的表达式。在牛顿建立的经典力学根基之上，人类历史上的第一次产业变革到来了。瓦特在爱丁堡大学发明了蒸汽机，人类进入了蒸汽时代。正因为抓住了这个机会，英国在18世纪末成为了世界的头号强国。
法拉第在1831年发现电磁感应现象，此后几十年，发电机突飞猛进，第二次产业变革随着电力技术的进步而来。德国和美国先后抓住了机会，成为了工业强国。可以看到，技术变革和产业变革，常常是和科学突破紧密地联系在一起的。
在一脉相承的科学框架下，麦克斯韦1864年在名著《电磁场的动力学理论》中写出了麦克斯韦方程，将电学、磁学和光学统一起来，并指出了光也是一种电磁波。人们发现，原来身边的事情，都可以通过简洁的牛顿定律和麦克斯韦方程来表述，这真是一种美好的现象。比如，牛顿定律再加上万有引力定律，航天工程师们就可以借助电脑，计算出行星、卫星的运行轨迹。
牛顿力学、电动力学，这些经典物理的美妙公式也带来了人们的思考：一旦力是确定的，而我们又知道物体所有粒子的初始状态的话，那么是不是所有物体未来的运动状态都可以通过公式提前计算出来？难道这个世界都是“决定论”的吗？谁是牛顿、法拉第、麦克斯韦，谁在写这篇文章，谁在读这篇文章，难道都是这个世界早就注定好的吗？如果这样想，科学似乎就要出大问题了。这不得不说是个有趣的思考。霍金曾经写道：“即使是相信一切都由上天注定的人，在过马路的时候也会左右看一看，以免被汽车给撞到。”在我们内心深处，是否愿意相信一切都是由这样一个科学所决定好的？
二、量子物理与“不确定”的世界
那么，真正的科学是如此吗？其实直到上世纪初量子力学的建立，才给我们带来一种全新的观念。很多聪明的大脑，比如普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克等等，在上一个世纪的共同努力之下建立了量子力学体系。
量子力学的特别之处在哪里呢？在朴素的观念里面，人们可能觉得某个物体是无限可分的——比如庄子的“一尺之棰，日取其半，万世不竭”——空间和时间都是连续的、可以无限分割的。但学了化学以后就知道，其实所有的物质都是由非常小的、基本的颗粒，也就是分子、原子组成的。比如我们喝的水，在微观尺度上就是一个个的水分子，但是水分子还是可分的，一个水分子又可以分成两个氢原子和一个氧原子。这样分到什么时候是尽头呢？
所谓的量子，就是构成物质的最基本单元，或者能量的最基本单位。一个电灯泡，会以一定的功率辐射出能量。如果我们能够在微观世界里看这个能量的话，最后会看到一个个很小的颗粒，这种颗粒就是光量子，是最小的单元，它的能量是一个“普朗克常数”乘以光的频率。量子的基本特征就是不可分割，我们把物质分到最基本单元之后，就不能再切成1/2个电子、1/2个中子了。有可能在加了很多能量之后，一个电子会变成两个电子再加一个正电子，但不会变成半个电子。所以这是量子世界跟我们生活中的直觉的一个最大不同：物质在量子层面不是无限可分的。
还有另一个反直觉的地方，叫做量子叠加态。最著名的一个思想实验大概就是“薛定谔的猫”了。现实生活中的一只猫，要么是活的，要么是死的。但到了量子世界，一只猫在某些条件下可以同时处于活和死的状态，也就是叠加态。因为把微观世界的量子概念联系到了宏观的猫，这个玄妙的思想实验曾经让最顶尖的物理学家们争吵不休，我们就不展开了，不妨换一个生活化的例子来解释。小明坐飞机从德国法兰克福到北京，有两条航线：在莫斯科经停，或者在新加坡经停。如果他没有看过航班信息，而且飞行时间都在睡觉，那他在到达北京后就不知道自己经过了寒冷的莫斯科，还是炎热的新加坡——不过，飞行员总还是知道的，哪怕是自动驾驶飞机，仪器也是知道的。那么会不会有一种情况，谁都不知道小明到底是经停了哪里呢？我们只能假设这种情况：如果这个世界当中任何人或物都没办法告诉小明经停了哪里，他就处于这样两种状态的叠加。在我们生活的宏观世界里，这种情况似乎不会发生；但在微观世界中，处于叠加态的微观粒子在很多时候是逃脱我们的监控的。而一旦对微观粒子进行了某种测量，那么这个测量就会不可逆转地决定微观粒子的状态，从叠加态“坍缩”成确定状态。
虽然量子力学让人感到烧脑，但它却有哲学上积极的一面：它告诉我们这个世界里面充满了不确定性，很多东西不是0或者1，而是大多数时候都处于0+1的叠加状态。世界不是“注定”的。
有了观念上的突破之后，20世纪的大多数的技术进步，比如核物理的研究和原子钟的精确计时，都是在量子物理的基础之上建立起来的，很多成果证明了微观世界中叠加原理的正确性。而随着技术的推进，核武器的研究过程推动了现代通用计算机的诞生，粒子加速器的研制过程促成了互联网的兴起，原子钟的研制过程也引出了今天卫星导航非常重要的基本原理。例如现在的北斗导航，就要用到相对和量子力学的原理。
三、计算机技术的瓶颈
科学再次突破，以信息技术为代表的第三次产业变革也随之而来。计算机在近几十年的不断进步中给人们的生活提供了巨大的便利，但现在也遇到了两个瓶颈：信息安全和计算能力。
1.信息安全的挑战
比如我接到一个电话，里面传来了我熟悉的声音——我的同事，我们聊起来了。可是现在的计算机AI语音合成技术非常发达，我听到的声音到底是来自同事本人，还是骗子伪造的呢？所以，我可以用事先约定的密码，比如我说“天王盖地虎”，他答“宝塔镇河妖”。对上暗号，就是用“密钥”进行身份认证的过程。还有一个问题，我们通电话时，信息如果被窃听了怎么办？所以，还要想办法把语音信号再加密，让别人在窃听时只能听到加密后的噪音，只有通话双方才能把噪音恢复成原来的声音。只做到这些还不够，如果有人接入我的线路，虽然发现只能听到噪音，但是他还可以在线路里篡改我们的信息，或者掺入他自己的信息。这个时候就需要消息认证，保证数据传递的完整性。所以，我们需要应对的至少包括以上三种攻击：冒充、窃听、篡改。这些威胁可以用加密算法来防御。
加密的思维其实在古代就已经出现了。在中国春秋时代，信陵君围魏救赵，偷出虎符来调兵，这个虎符就是身份认证的手段，而由于虎符可以被盗窃或仿造，所以这个故事里是攻击者获胜了。古希腊的斯巴达人把布条缠绕在一根棒子上，在上面写下军事命令，再把布条取下来传递给将军。将军拿到布条后，只有用同样直径的棒子卷起布条才能读出原本的文字，这就起到了保密的作用。罗马的凯撒大帝用了一种更简便的替换密码，通信双方提前约定好字母的替换方式，比如把A换成D，把B换成E，这样写出来的书信就是乱的，收到信的人把它每个字母替换回来，才能读懂。这个方案也不够安全，因为有数学家发现，每种语言的字母出现频率都比较固定，比如英语里字母E的出现频率最高。那如果统计一下信中哪个字母最多，它很可能就是E了，其它字母也可以按频率来猜测。这样，密码学在上千年的攻防之间，产生了很多种方案。
第二次世界大战时，德军制造了一台复杂的密码机Enigma，后来被计算机之父图灵破解。这个故事被拍成了电影《模仿游戏》。计算机问世后，密码学也迎来了迅猛发展。人们逐渐转而认为，一个好的密码方案不在于对加密方法的隐藏，而应该由密码本身的复杂程度来保护。也就是说，即使我们公开了加密方法，但如果密码足够长、足够复杂，对方也很难攻破。RSA公开密钥密码体制就是这样的方案。破解RSA密码需要大量的计算，在计算机的迅速升级下，512位的RSA在1999年被破解，768位的RSA在2009年被破解，到现在，1024位的RSA加密也不见得安全了。理论上，只要计算机的能力足够，所有依赖计算的经典加密算法都能被破解。这成了一个“有矛必有盾”的问题。
2.计算能力的挑战
依赖计算机的领域当然不止密码学，人类对计算能力的需求几乎是无止境的。1946年的第一台现代电子计算机ENIAC，功耗大概是150千瓦，每秒钟能够计算5000次加法。而到了现在，一部功耗几瓦的智能手机，每秒运算次数已经数以亿计。即使这样，我们也还是在追求更强大的计算机。
几瓦的功耗、每秒上亿次的计算速度还不够高效吗？我们可以看看打败了人类围棋冠军的人工智能AlphaGo，它的几千个计算单元运行起来，下一盘棋消耗的电量大概相当于烧掉10吨煤，而人类棋手只需要吃一顿饭。可见，如果要发挥人工智能的优势，我们仍然需要更快的计算机，和更低的能耗。现代计算机的心脏是中央处理器（CPU），由大量的晶体管构成。工程师们把CPU越做越精密，现在晶体管的尺寸已经小到了几纳米的级别，估计在十年之内，就可以达到更小的亚纳米量级，进入微观世界。如果小到一定程度，按照量子力学的观点，我们可能就不知道晶体管里的电子处在哪一边了，计算机的0和1也就很难定义。所以，在充满不确定性的微观世界，晶体管可能不再适用，计算机技术也就走到了尽头。所以有人说“摩尔定律死了”。
计算能力的瓶颈必须要突破。历史上的几次科学进步，催生了三次产业变革。那么对量子力学进一步的基础科研，能不能带来技术突破，解决信息技术的新问题呢？
四、量子信息技术科学
量子信息技术科学，是随着我们对量子纠缠理解的加深而发展起来的。前面说的量子叠加态已经非常奇怪，量子纠缠也是如此：两个微观粒子在相互作用后，各个粒子的特性变成了一个总体特性，如果把相互纠缠的粒子分开，不管它们相距多远，只要其中一个状态发生了变化，另一个也会立即发生变化。这种超越距离的相互作用和纠缠，被爱因斯坦称为“幽灵般的远距效应”。我们现在可以操纵光子，把它们纠缠起来。量子叠加和纠缠，可以带来广泛的技术应用。
一个很重要的应用方向就是量子密钥分发。假设张三想发送一个保密信息给李四，就可以用一系列叠加态的光子来发送。如果李四在接收信息时发现光子不是叠加态，那么就知道中间被人窃听过了，刚才的通信不可靠，必须换一个线路重新进行。打个比方，如果张三用很多瓶水来传递信息，糖水代表0，盐水代表1，如果窃听者在中间尝过每瓶水，信息就泄露了。但如果每瓶水的量都非常少，就像光量子一样不可再分割，只要窃听者尝过，李四就没有了。所以，利用量子不可分割和量子叠加态两个原理，量子密钥分发就可以发现窃听。
另外一个应用方向是量子计算机。现在的电子计算机用晶体管来存储或处理数据，每个晶体管可以表示一个比特（0或者1），用这样二进制的比特来完成任务。而量子计算机使用量子力学状态下的粒子来存储或处理数据，比如光子的偏振方向、电子的自旋方向。而由于量子的叠加态，一个量子比特能够同时表示0和1，这就不仅是一个比特了。理论上，如果电子计算机的晶体管增加，计算能力是线性增长的；但如果量子计算机的量子比特增加，计算能力会呈指数式增长。目前的量子计算机都是解决特定问题的原型机，我们还不能造出通用型的量子计算机。再过几十年，也许量子计算机就可以用于经典密码的破译、气象预报、药物设计等等，在一瞬间完成传统计算机需要成千上万年才能完成的运算。
五、量子信息技术的中国实践
量子纠缠是超越距离的，但在实践上，直到2007年，国际上才首次把量子力学保密通信的安全的距离突破到一百公里左右。2012年，我们在济南建立了一个46个节点小规模的网络，来验证量子保密通信的可靠性，这个技术在城域网已经比较成熟。
但是，在更远的距离上，就遇到了一个很令人头疼的问题。到2016年，点对点量子保密通信的最远距离是400公里，似乎遇到了极限。因为光在光纤中的传输是有损耗的，在400公里这么远的距离上，信号几乎损失殆尽。比如，在相距1200公里的北京和上海之间用光纤传输量子信号，即使每秒发射100亿个信号，由于光的衰减，也要几百万年才能传输一个量子比特，还不如派个通讯员亲自跑一趟。所以，我们采用了折中的方案，也就是“寄钥”的方法，把密钥先从北京送到济南，然后再到合肥、上海，用这种方式来拓展可信中继的量子密钥分发。当然，我们必须保证每个节点都是安全的，但中间路径的窃听就不必担心了。这条京沪干线是2017年9月开通的，是一个技术验证和应用示范的项目。
用可信中继并不是完美的方案，如果想要更远距离的通信，又没有光纤怎么办呢？真空中的光不会被吸收，不会像光纤里那样损耗，那么就可以利用外太空把量子通信做得更远。我们在2002到2003年提出构想，做了一个13公里的实验，证明了光穿过大气层之后，量子纠缠的特性没有被破坏。2011年，我们又在青海湖做了一百公里的自由空间的双向纠缠分发。2012年，我们用高空气球模拟卫星的角速度等等，进一步验证了卫星运动姿态下远距离量子通信也是可行的。
有了这些基础之后，我们在2016年8月发射了墨子号量子科学实验卫星，完成了三个任务。第一，实验了北京到卫星、乌鲁木齐到卫星的量子密钥分发，距离达到千公里量级。第二，检验了量子纠缠的非定域性，即使在这么远的距离下，纠缠仍然存在。第三，在500公里到1400公里的距离上，利用卫星实验了量子态隐形传输。当然，还是有一些问题需要解决。比如墨子号的成码率还比较低，在1200公里的距离，大概只有0.4比特每秒。如果成码率提高到每轨产生一万个密钥，就可以达到密码学家们梦寐以求的效果。再比如，墨子号是一颗低轨科学卫星，只能在晚上工作，因为白天的太阳光太强了，完全淹没了实验装置的光信号。这就需要我们想办法滤掉太阳光的干扰，在白天也可以实现量子密钥分发。
在量子计算机方面，中国也有一些很好的进展。我们利用10量子比特的多光子可编程量子计算原型机，首次演示了超越经典计算机的量子计算能力。上世纪40年代，世界上最早的两台电子计算机大概每秒钟可以运算几万次，我们的原型机大概可以比它们快十倍到一百倍左右，赶上了电子计算机的尾巴。
在不远的将来，我们希望能够实现更多光子的相干操纵。如果量子计算机能够达到500个量子比特，在一些问题的求解就可能会比目前全世界计算能力的总和还要快上百万倍。在量子通信上，也希望能够在10到15年左右构建一个全球化的量子通信网络，为下一代的信息安全系统做出贡献。
除此之外，量子技术还有很多潜在的应用畅想，比如可以利用隐形传态，把全球所有望远镜的光子传递到一个接收站，等效构建一个跟地球一样大的望远镜，实现超高的空间分辨率；还可以在卫星上构建原子光钟，成为检验引力红移、引力波等物理现象的新手段，等等。科学的发展已经为我们带来了三次产业革命，未来，希望量子技术也能给我们带来越来越多的惊喜。
潘建伟，中国科学院院士、九三学社中央副主席、中国科学技术大学常务副校长。
以上。
年更的老狼