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郭光灿:量子信息技术将是人类发展的重要一环

政府采购信息网  作者:  发布于:2016-05-20 09:49:06  来源:政府采购信息网
  5月20日,第八届中国云计算大会进入了最后一个日程,但参会人员热情依然不减。在最后一日的全体大会上,中国科学院院士郭光灿首先带来了关于量子信息与量子计算未来发展的主题分享。
 
中科院院士郭光灿
中科院院士郭光灿
 
  郭光灿表示,“传感器利用量子的信息,可以很容易的传感到各种物理量,这个比现在经典的传感器,不管是灵敏度、精度也好都有大幅度提高,这是未来这几年可能面临的应用。量子信息将是人类一个很重要的发展。” 
 
  以下是郭光灿演讲实录:(以下内容根据现场速记整理,未经发言嘉宾确认,仅供参考。)
 
  很高兴能够在这样一个大会上作一个报告,所以我感谢会议主持人的邀请。量子信息技术,最近大家听的越来越多,所以我今天报告的题目就是要量子信息技术发展的状况。把量子信息技术到现在究竟发展到什么样的程度?主要的报告内容有几点:第一个量子信息技术的物理基础。后面就是现在量子信息技术到目前为止包含的这几个方面,量子计算、量子模拟、量子通信、量子密码、量子传感。这是现在量子信息技术发展几个方面。我们知道量子力学诞生了一百多年,这是人类最成功的理论。因为有量子力学诞生了,我们才可能有极光、才可能有半导体,才可能有现在社会的好多先进技术。所以实际上量子力学已经在人类生活当中发挥了很重要的作用。但是以前有量子原理产生的器件,包括极光、包括半导体都是经典器件。我们现在谈的量子信息技术,它是直接利用量子的性质研制出量子器件,而不是经典器件。这个量子器件呢,它的功能要远远超越经典器件的物理极限,这就是量子信息技术带来新时代的新技术。所以量子信息技术是什么?就是量子力学的基本性质。主要包含了下面这三个方面:
 
  1、量子的力学的叠加态,量子非局域性,量子不可克克隆性。
 
  什么叫量子叠加态这大家在学量子学都知道,所以经典物理没有办法描述微观量子体系的动力学过程,于是诞生了量子学。量子和经典最大不同是不确定性,而我们经典就是确定的概率。量子式的不确定、状态不确定,所以就导致一个新的原理,这原理呢就叫叠加原理。叠加原理告诉我们说,如果这个量子学允许的状态,是它允许的另一个状态,因为它状态是不确定的,它就处在一个零这态和一这态叠加以后的态,这就是量子叠加的原理。经典式的状态是确定,它不会有叠加原理,所以叠加原理是区别于经典式量子最重要的一个特征。这叠加的我们叫它比特。所以实际上量子信息它处理的单元,量子信息的单元,就是量子态叠加以后那个量子比特,所以从信息本身开始,就是量子化的。就是量子遵从量子力学,这是第一个特点。
 
  2、就是量子非局域性,这个非局域性来源于爱因斯坦跟量子力学为代表的争论。因为量子力学很奇怪,它是概率性,但是它不确定,所以特别讨厌量子力学怎么会不确定,所以他一生当中对量子力学耿耿于怀,提出很多的挑战,所以他提出了EPR的效应,他是从量子力学基本原理出发,推出一个实验的结果,这结果非常荒谬,所以他认为这个结果是不可能实现、不可能存在,那量子力学出毛病了,他争论的思路是这样。时间关系我简单说一下,比如说两个粒子就是两个可能要么向上就是向下,A和B都是这样。如果我量子力学知道两个粒子的状态,使得它的总值等于零,意味着它们相反的。但是哪个粒子是向上向下不确定,一旦制造了这样中两个粒子的EPR的A和B,我就把A留在地球,我把B送到非常远的月球上去。就从量子力学的基本出发,它证明了在这情况下,如果我对A进行测量,在地球上测量A,我发现它的向下,月球上那个力子你不需要测量,它就自动的向上。如果地球上A不测量,月球上的粒子一般概率是向下一般概率向上。这意味着说月球上那个粒子怎么会受到地球上A的作用,这是损失的发生变化,损失什么意思呢?不需要时间,你既要A作用,往下它一定往上,所以这种结果是不可能出现的。他把它当成是叫幽灵般的超级作用。所以安德里会处在幽灵的作用,他认为幽灵是不存在,这就是安德里(音)挑战量子力学。
 
  那么量子力学在物理界产生了很多的争论,幽灵学就是量子力学的矛盾,不应该出来。贝尔就说幽灵一定存在,你不能单看A和B,你要A和B一块看,这就是他们争论。最后的结果是用一个不等式,所以量子世界里幽灵是存在,为什么出来幽灵呢?证明量子世界是非局域,A和B只要有广联,不管空间分的多开,都有一个内在关联,这种关联是无论如何断不开,所以对某一个子系统作用,另一个一定发生变化,这叫非局域性。非局域性是一个叠加原理。两个粒子总是相等于零,只有两种可能,一个A向上B向下。我们把这个叫纠缠态,纠缠就是非局域性的体现,如果两个粒子纠缠它们会有内在的关系,这个纠缠态在量子信息里非常重要的应用。
 
  3、基础就是不可克隆成为两个一模一样的。经典可以克隆,量子不可克隆,因为这样一些性子,我们就开始了量子信息的应用。
 
  首先我介绍了一下量子计算机,量子计算机跟电子计算机不同,电子计算机要么零要么一。所以它的状态就确定了要么一要么零。我刚才量子不确定,比如说一个电子,我们自旋向上代表一,向下代表零。但是它不处在确定状态,它是零和一叠加的状态,就像箭头来回转,我要让它处在哪个状态,我有办法调控它,这就是量子比特,这是量子处理信息的单元。
 
  这样有什么好处呢?首先如果一个储存器,电子计算机储存器就存零或者一一个数,但是量子储存器呢它把零和一叠加了,所以它可以同时存零和一两个数。如果这两个储存器,电子计算机还是一个数,零零、一一、一零、一一,四个数当中另一个数都可以存,但是它一个数。量子储存器可以存四个数,所以你可以想像,我有N个储存器,电子计算机N个储存器存一个数,而量子储存器可以存2的N个数。这是指数上升不得了,这个量子储存器能存的数据,比现在原始数目还要多,所以量子的叠加原理带来的好处,就量子储存器的储存数据的能力指数上升。计算是什么意思呢?计算就是我们一个函数编程,我一段一段遭到,电子计算机操作一次储存器,因为里面就一个数,我遭到一次变成另一个数,然后一步一步操作,最后把问题解了,所以它的运行过程叫串行运算,而量子计算机它既然有那么大的储存能力,我遭到一次就把里面的2的N次方数据,同时变成另外新的N次方数据,所以它是一个CPU就可以做大的平行处理,于是它的运算速度就能提高,这就是量子计算机的优点,就在它有一种叠加性,而叠加性来源于它不确定性。这就是量子力学上的并行能力,这有什么用处?后来SHor就提出一个算法,就是我们信息安全里最敏感的两个大数乘以数,这数学问题是公开使用的量子密码安全性基础,如果你把任何一个大数分成两个数中分了,这密码就破了,我们看看这个问题实际上是一个数学问题。比如说127×129等于多少计算器一秒钟就知道,但是反过来29083是哪两个数相乘这就难,这就计算机解可以解出来,但是随着数拉长,所时间的就是指数上升,所以指数上升的计算复杂度就是没办法解,所以曾经有人做过这个实验,129位的数你要分成两个数数相乘,用了1600台的工作站,做硬件并行,花了8个月把它分出来。
 
  如果同样的计算能力,我把这数拉长了500位,需要多长时间?需要的时间是宇宙年还要长,所以你把大数破了宇宙不存在这就没有意思。所以大数可以分解,但是电子计算是难分要很长时间。
 
  当然你计算机的速度越来越快,你速度快没有关系,我把数再拉长一点你根本就跟不上我。但是SHOR做法,我一秒钟就可以把这分开,你是要8个月,我一秒钟,那你说把数拉长没有关系,我不会指数上升,我需要的时间是多项值上升,所以一旦量子力学出来了,所有现在的不可解的问题都破了。所以量子力学不仅仅是破密码,大数据更显示它的威力,所以量子计算机一旦出来它的运算能力和现在的电子计算相比,相当于电子计算机的能力和算盘的能力相比。所以当我们算盘到了电子计算机,我们社会发生了天翻地覆的变化,如果真的从现在电子计算机到了量子计算机,我们社会将来面临另外一次天翻地覆的变化。这就是量子计算机会引起大家很关注的原因。
 
  量子计算机实际上它跟电子计算机一样,就是要解函数,所以需要一个数据的输出,这两端是相同,所不同的它的处理操作的是用量子芯片。电子计算机用电子芯片它去串行运算,用量子芯片替代它就会并行运算,所以它的速度就是在量子性,叫叠加性导致的并行运算能力,当然相应的软件、编程都要做相应的变化,这产生量子的硬件芯片的研制,软件的开发,这一系列的过程就来了。
 
  因为一台真有用的量子计算机要多少处理器?应该是一万个以上量子处理器作为芯片才可以。很多物理体系在这里面可以演示,但是扩展成成千上万很难,但是用固态可能。比如说半导体可以用半导体微电子的集成电路的办法来做量子芯片能做成的话,我可以在电子计算机来搞量子芯片。但是它有很大的缺点,就是它相干性很差,相干性是量子性很脆弱很容易破坏掉,我量子学做出来,我还没有完成计算的任务你就破坏,破坏以后并行处理就没了,然后就串行处理,所以这是长期没办法做出来的原因。但是最近这几年相干性有大幅度的提高,多少量子的提高,已经接近可以用的地步,所以用固态做量子芯片又引起大家非常大的关注。其中半导体这是它的相干时间。半导体的量子芯片它的单元就是量子比特,它是一个量子点,里面有一个电子我可以操作这电子的电荷,或者是自旋来做一个Q比特,这是资本原理。国际上大概是2002年就开始做,做到现在一个芯片的两个量子比特,能做成。我们现在到三个量子比特,这就是我们国内现在的现状,这是五年已经过去了。这是我们做单个量子比特。它的原理实际上是用两个量子点,两个量子点只有一个电子,就保留一个电子尺度里,然后这电子如果是在左边我代表一,在右边代表零。但是它的位置是不确定的,所以它是零,左边右边的叠加态,我可以操控这电子在左边右边的前奏,操控量子比特,所以这是现状。
 
  我们又采用一种办法能把量子信息提出来,做成两个,两个就要四个量子点,上面一个比特,下面一个比特,然后中间有一个相互作用,我还能调控,这是量子两比特的受控,所以一台量子的复杂计算机它的复杂遭到,可以分解成为单比特的操作和两比特的操作所以这是基础研究。
 
  我们三个比特也做成了还没发表,四个比特也做了。两个比较远的路程也可以做成,这是我们现在半导体量子芯片发展的状况,所以现在马上要到第三个五年计划,我们正在做。
 
  另外一是半导体,超导要比半导体要快。它已经做九个量子比特已经做成了。到9个以后呢,美国军方就下达命令,如果比特超过10个,不允许他们发表文章,要对世界保密,要把这技术变他们自己所有。整个团队加倍,23个都加深一倍,(英文)成立量子终身,要用量子解决大数据的问题,所以美国IBM公司等等,就是用量子用上去,所以整个量子计算机怎么样呢?就处于再一个晶体管理道向集成电路过渡的发展阶段,这我讲的多一点是量子计算机。
 
  量子信息可能对人类带来最大冲击新的技术,量子模拟实际上是一个专用机,因为固定使用的量子计算机,它不像我们说的那么难,那么复杂,只要有30个量子处理器,就足以推翻模拟计算机的功能,所以最早能用的模拟机,所以最近几年发展的非常快,因为有了模拟机以后我可以解很多的具体问题,就可以在模拟机上解。因为时间关系我就不再这上面多花时间说了,因为就半个小时的时间。 我们也做了很多模拟,世界上有模拟,在电子计算机没有模拟的问题。
 
  下面我们讲一个量子通信,从我们学术上来说,它是用一个量子网络,比如说量子信息什么?就是量子叠加的那个信息。那叠加态不同代表信息不同,然后要用量子通导,能够把量子信息传过去,这才叫做量子通信,我们报上所宣传的量子通信不是这意义上的,所以它的名字弄混乱,它实际上量子保密通信密钥分配而不是真正的量子通信,真正的量子通信就是这个,就是点对点的量子通信这个意思。
 
  点对点了以后,还不够,我们要做成网络的,我们说好多好多量子点,每一个都有量子产生操控,通过量子通导连到网络上任何一个点,这就构成了量子的网络、英特网。这英特网最大的功能可以分布计算,它可以实现普式量子计算能力,这叫分布计算。比如说我这一个有十个量子比特,就相当于一百个量子比特的芯片它的功能完成等价,所以这是一个提供制造量子计算机一个途径,这样量子网络是集中传输跟数据处理一体的一个功能。
 
  如果有两个网络,我中间有一个中继连起来,这就构成了联网,我把所有的网络全连起来,最后就实现了一个量子云计算,运算的重点是量子计算机做你这个点。然后通导就是一个量子网络,这种功能将会比我们现在电子计算机为基础的计算网络功能要强得多,这是未来的。这离实现还非常早,首先量子中继就没有做成,还有每一个网络储存器也没做成,其中最关键的就是量子储存器,这储存器有原子做的储存器,还有固态,我们实验室在固态储存器各种性能,比如说保真度,还有储存的模式等等,很多指标上都在国际上属于领先地位。我们现在正在做的是高纬储存等等都实现了,我们在这里发表了一系列的文章,就是我们很多指标上影响。
 
  一旦我们现在在追求另外一个指标者,储存时间,因为固态的储存时间比较短,但是澳大利亚去年做了一个好的东西,就是我们这体系可以储存到6个小时,但是它没有真正储存,它是相当时间保存6个小时,这在世界上引起了很大的轰动,我们利用同样的系统,我们做10个小时,甚至我们的目标做几天的储存时间,一旦一个固态储存器储存10个小时到几天,我们就可以开辟一个新的应用,叫量子U盘,我拿着量子U盘,可以像U盘储存信息,我把量子信息存在U盘里,我把U盘通过飞机、通过经典的通道到远方去,到目的地以后再把信息取出来,这就叫量子U盘,就不用现在通信网络,它可以用更保密的方式来进行,这可能是未来的方式。关键是要把长寿命的量子信息做成,这是我们奋斗的目标。当然我们的储存还有各种各样的手段,把图像做出来了。
 
  下面再讲一个量子密码,这量子计算机是比较遥远,但是量子密码是现在就可以用的。量子密码就是一个信息安全的问题,信息同时保密的问题。量子信息出来以后,对现在的保密系统有很大的挑战。首先现在的保密我刚才讲了是利用数学的复杂度来确保保密信息的安全性,一个数学的问题要被解了,它的安全就破了,比如说我们刚才讲量子计算机并行运算能力,能把公开密钥这体系,像大数分解单线函数能破了,所以这就是量子密码会被破的,这就很严重的威胁,如果量子计算机真的做出来以后。
 
  当然人们就提一个问题,一旦量子计算机真做出来了,我们还有没有保密通讯,还有没有可能保密,就是量子信息的专家,他们提出一个方案,就叫量子密码,所以量子密码能够抵抗量子计算机的工具。这量子计算机像一个锚,它能把现有的经典密码攻破,但是它不能量子密码的盾。它的安全性不靠数学的难度靠物理定律,靠不确定原理、不可克隆原理、量子力学的基本原理。量子力学对的量子密码绝对安全,现在没有看到量子学不对,所以量子密码是对的。所以它物理定律来保证它的安全性,它跟现在的密码体系靠数学的完全不同。
 
  实际上这做法是这样?这是保密通信基本图,通信内容可以用零一零一的明文表示出来,它要加密就是一个密钥,就是零一零一随机数,在一个加密器里面搅乱了变成一个密文,送到对方去。普京拿到这这密钥跟金正恩一样,他就把这密码滤掉,得到的原文。问题是安不安全,这是谁都可以拿到。万一奥巴马认为这一信息对他很重要,他就动员所有的支援来解读,如果他破不了就安全,如果破了就不安全。
 
  后来有一种办法是绝对不可破呢?如果我的密钥长度跟明文的长度一样长,用一次不再重复用,用一次就扔掉。这种叫一字一密的加密方式是破不了的,这个严格的证明这是不可破,它是要大量的密钥,密码本会送到美国大使馆,这叫密钥分配,无论如何是不安全,这密钥本可以在半路上拷贝一份放回去,这也是不安全,所以它的漏洞就在这儿。虽然一次一密是绝对安全,但是密钥是不安全。所以虽然很好没人用。据说莫斯科可以用。
 
  那么量子密码就针对这个缺点,堵住了量子密钥分配的不安全性,这是它的基本道理。怎么做的呢?它是靠量子,量子靠光子,这个光子是一一个传,每一个量子态代表零和一,用这协议能跟你双方建立一个相同的密钥,中间要有人窃听,我可以量子性能发现它,我一发现良药建立过程当中,有人窃听不安全我就没用了。
 
  在理论上没有问题,量子计算机没法破,我们在2004年曾经在北京、天津。2007年网络上演示了,2009年我们芜湖政务网试运行,把它的稳定性什么都解决了。现在基本问题都已经解决了,我们就要问一个实现全球的量子保密网络还有多远?想回答这问题。全修网络无疑是陆上有一个局域网、城市有一个局域网,远处我们靠天上来做连接。这个做成了就是全球网。全球网现在做到什么地步,第一个一百公里的城御网基本上可以用了,实际上已经在试用了,两个城市之间还不好用,它要有一个量子中继,量子中继现在还没有做出来,现在是可信中继,所以这种还不是绝对安全它是相对安全。所以只有量子中继做成才可以。然后到天空跟地面的这种要解决一个很关键的问题,一个光子在大气里传输在太阳光背景下传输是很难,所以你要有效的解决全天候的量子密钥的高速运行这个才行。所以这个量子密钥是保密通信,现在我们所说的量子通信实际上指的量子保密通信,指的是这种类型的密钥。
 
  我先用芯子的办法做一个安全的密钥,然后我用它去加密经典信息,用经典的办法传信息,这就是我们现在所做的工作。
 
  时间的关系我就不多谈了,传感器利用量子的信息,可以很容易的传感到各种物理量,这个比现在经典的传感器,不管是灵敏度、精度也好都有大幅度提高,这是未来这几年可能面临的应用。由于时间关系就不多谈了,现在有温度传感器有压力传感器,还有磁场传感器,还有磁场的传感器。我们现在做一个纳米级的显微镜,这都是现在量子传感的领域,所以这领域马上就来。
 
  所以最后讲一句话,这量子信息将是人类一个很重要的发展。
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