量子物理帶給未來無限可能

“我們希望通過五年的努力，能夠在量子計(jì)算領(lǐng)域達(dá)到目前商用計(jì)算機(jī)的最好水平。

我們希望通過十年的努力超越目前世界排名第一的超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

通過十五年的努力，能夠達(dá)到天河二號百億億倍的能力。”

冷門的量子物理學(xué)和我們高大上的計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)有什么關(guān)系？

首先，當(dāng)我們回顧物理學(xué)的歷史，幾百年來，物理學(xué)不斷催生一些創(chuàng)新技術(shù)，比如，為了計(jì)算導(dǎo)彈和核武器，需要有大量的計(jì)算，所以催生出了計(jì)算機(jī)。此外，歐洲的科學(xué)家為了在全世界分享數(shù)據(jù)，直接發(fā)明了萬維網(wǎng)。我們可以做更大的開發(fā)。比如《西游記》里孫悟空的分身術(shù)、順風(fēng)耳。隨著近代物理學(xué)的發(fā)展，曾經(jīng)這些我們覺得很荒謬的想象變成了現(xiàn)實(shí)，千里眼和順風(fēng)耳已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。有人說，現(xiàn)在的蘋果手機(jī)足夠好用，不需要量子物理來改變生活。但實(shí)際上，隨著社會的不斷進(jìn)步，我們已經(jīng)遇到了不少瓶頸問題。未來的計(jì)算機(jī)應(yīng)該是什么樣的？我們要持續(xù)地增長我們的計(jì)算能力怎么辦？阿里巴巴集團(tuán)首席技術(shù)官王堅(jiān)博士曾說，我們現(xiàn)在每個人所消耗的晶體管數(shù)量和消耗的大米數(shù)量是一樣的，這就說明了人類對于計(jì)算的需求是迫切的。

其二，是我們的密碼學(xué)。基于數(shù)學(xué)上的安全性，大家淘寶賬戶上的密碼，目前的計(jì)算機(jī)需要幾百年才能破解，即使它不是絕對安全，你依然會很放心地使用。但是，隨著數(shù)學(xué)計(jì)算能力的不斷提高，量子計(jì)算機(jī)的方式使得這種依賴于數(shù)學(xué)的安全不斷受到挑戰(zhàn)。近期頻發(fā)的網(wǎng)絡(luò)安全事故，進(jìn)一步證實(shí)了這些安全瓶頸成為一個非常嚴(yán)重的問題。

量子力學(xué)在一百多年的發(fā)展過程中已經(jīng)為解決一些當(dāng)代前沿問題做了準(zhǔn)備。那究竟什么是量子呢？它有什么樣的表現(xiàn)形式？量子是構(gòu)成物質(zhì)和能量的基本單位。我們的手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品的一些量子狀態(tài)可以處于0和1，而且可以同時處于0和1，這就出現(xiàn)了兼明的現(xiàn)象。人也可以具備這種現(xiàn)象——既可以身處上海又能夠在杭州，但實(shí)際上在我們的兼明里是一種或者的狀態(tài)，而在微觀領(lǐng)域，這是一種類似于孫悟空的分身術(shù)。如果我有兩個電子或者說兩個光子，我們就可以讓它處于另外一種狀態(tài)。一般置備了兩個量子之后，不管距離多遠(yuǎn)，中間有任何阻隔，它們一直會保持心有靈犀的關(guān)系。當(dāng)測量某一個粒子時，另外一個粒子會收到相應(yīng)的影響。

這樣一種奇妙的現(xiàn)象能夠給我們帶來哪些新東西呢？第一個變化是量子通信，它背后的物理原理正如我之前所闡釋的，實(shí)現(xiàn)上相對比較簡單。我們在2007年的時候開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化方面的研究，國慶閱兵的時候建立了城市范圍之內(nèi)的量子光纖網(wǎng)。“十八大”會議期間也用到了量子通信的技術(shù)。目前，在北京、上海、濟(jì)南等城市建立了多個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)之后，我們正在進(jìn)行的一個項(xiàng)目是連接北京到上海的量子通信主干網(wǎng)，預(yù)計(jì)在2016年能夠建成并投入使用。為了實(shí)現(xiàn)更加遠(yuǎn)距離的通信，我們目前正在進(jìn)行的另外一個中科院的量子衛(wèi)星項(xiàng)目投入6至7個億，通過衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的通信，例如，通過衛(wèi)星的方式中轉(zhuǎn)與國外大使館之間的通信。我們首先實(shí)現(xiàn)城市范圍之內(nèi)的量子通信網(wǎng)，通過量子通信實(shí)現(xiàn)城市間的網(wǎng)絡(luò)，再利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)。目前，從事該領(lǐng)域工作的公司主要包括科大、國盾，以及阿里在量子通信基礎(chǔ)設(shè)施之上開發(fā)的各種各樣的用戶應(yīng)用。

以上是關(guān)于量子通信的內(nèi)容，能否更加給力一點(diǎn)，做一些更有想象力的事？比如在星球大戰(zhàn)的時候，我們能否實(shí)現(xiàn)當(dāng)時科幻電影里面所描繪的瞬間轉(zhuǎn)移的事。量子物理學(xué)告訴我們這是可以實(shí)現(xiàn)的。

量子計(jì)算目前還處于比較基礎(chǔ)的研究階段，因?yàn)榱孔涌梢酝瑫r處于多種狀態(tài)。比如，有三個量子，它們可以同時存在01234567這八種狀態(tài)。我只要把它做一次運(yùn)算，它就提供了一種原理上真正的并行計(jì)算，這樣一種并行計(jì)算會帶來一個非常大的提速或者說加速。分解這個數(shù)是之前提到的密碼學(xué)的基礎(chǔ)，是配套的。量子計(jì)算機(jī)真正造出來后，現(xiàn)在所謂的密碼都不堪一擊了。量子物理學(xué)給大家關(guān)了一扇門，但是也打開了一扇窗。

在量子計(jì)算方面，在光量子的操作領(lǐng)域方面，我們國家的研究水平一直處于世界領(lǐng)先地位。國際上，目前量子領(lǐng)域的投入也非常大，IBM投入了30億美元，美國歐洲也紛紛組成了很多聯(lián)合的量子實(shí)驗(yàn)室，還有更多的人積極地介入量子通信產(chǎn)業(yè)。從2014年年終開始，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和國家有關(guān)部門探討，希望聯(lián)合高校和國家的通信部門進(jìn)行合作和研發(fā)。7月底中科院和阿里巴巴在上海建立了一個聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，這是我們國家私營企業(yè)第一次大規(guī)模介入基礎(chǔ)研究，這對我國的科學(xué)研究試驗(yàn)是具有里程碑意義的試驗(yàn)。

我們希望通過五年的努力，能夠在量子計(jì)算領(lǐng)域達(dá)到目前商用計(jì)算機(jī)的最好水平。我們希望通過十年的努力超越目前世界排名第一的超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。通過十五年的努力，能夠達(dá)到天河二號百億億倍的能力。雖然量子的數(shù)目并沒有增加很多，但量子計(jì)算的能力是隨著數(shù)目指數(shù)上升的，所以幾十個比特的提升就能帶來計(jì)算能力爆炸性的增長。

回顧量子物理的發(fā)展史，量子物理通過信息技術(shù)、生物技術(shù)極大地改變了我們的社會面貌和生活水平。希望在大家的共同努力下，在未來的50年到100年，量子學(xué)能夠給我們帶來更多的驚喜。