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潘建伟:“天地一体化”量子通讯基础设施将在未来十年内形成

“互联网技术与标准论”论坛之万物互联驱动产业变革今日在浙江乌镇举行。中国科学院院士、中国科学技术大学教授 潘建伟在论坛上发表了精彩的演说,以下为他发言的文字实录:

主题:量子信息技术,让未来互联网更加安全高效

潘建伟:非常高兴能够到这个论坛给大家介绍我们的工作。我认真听了每一位演讲者的演讲,大家主要讲的:创新有两类。第一个,怎么更好的满足客户需求或者引起客户的需求,我觉得这是上午所有前面这些报告的主题。我们作为科学家,怎么样通过技术研究,怎么更好的让前面每一位主讲者讲到的,让他们更好服务于其他人的需求。

作为科学家,主要关心两个事情:第一个,关心这个宇宙的历史,看这个宇宙是从哪里来到哪里去。通过对这个东西的研究,牛顿力学、电动力学、相对论、量子力学构成了今天所有物联网的基础。同时,科学家也关注人类的命运。如果古人发现今天的人开大会讨论互联网的未来,他们会感到是非常欣慰。

因为我发现咱们古代其实有进化到今天的人从个体上讲,并不是性质最高的人,为什么我们这个个体智力比较差的会胜出呢?因为我们那个时候发明了符号,然后互相之间能够进行沟通和交流、协同。其实互联网的概念如果把它的意义放松一点的话,其实是信息的交流、互相协作,本质上就是互联网的概念。互联网的概念本质上是涉及到整个人类进化历史,也会决定我们的未来。在进化的过程当中,有两个事情非常重要。

1.我们要有一种技术可以很好的保证人类之间的沟通和交流。

古时候为什么进化比较慢?因为没有电动力学、无线电、网络,所以协同的网是区域网在一个村庄里面,在一个小镇里面,一个省、一个小的国家,所以知识的发展比较慢。有了电磁波之后就把整个世界联系成一体了,所以我们需要有效的手段能够让世界有效的连接在一起。

2.我们还要保证每个个体本身的隐私和自由思想。

大家如果觉得每个人的思想互相之间都可以沟通的话,不仅可以沟通,如果每个人都知道你想的完全是什么的话,那我们就没有秘密可言了,也没有创造的创造性了。所以我觉得在互联网里面,以后整个人类社会发展当中主要有两个永恒的课题:要有更有效的手段保证信息提取和信息交流,同时要保证我们的隐私更加安全,让我们自己能够发挥自己个体独立的能动性。这个就是人类发展的这么一个主题。量子信息技术正好能够保证这两方面的需求。

随着互联网的发展,我们的计算能力有无线的需求,可以说是贪得无厌的。我们目前的技术发展途径很快就会遇到瓶颈,也就是大概不到10年的时间。原来大家所期望的所谓“电子计算机”或者计算机的计算功能将不再可靠,而且耗能将是巨大的,所以我们对计算能力的需求已经没办法得到很好的满足了。所以大家经常在问:未来的计算机,也就是互联网里的终端应该是什么样子的。这就是我们目前,已经马上要面临的一个问题了。

除此之外,如果说没有隐私,每个人的思想都是完全透明的话。正像一部电影里讲的,人类尽管科技上是比较差的,但是为什么在三体世界里面最后还能够打败三体的外星文明?就是因为他们的思想是透明的,我们是有个人隐私的。问题是在现代社会里面,我们面临着各种各样的信息安全的瓶颈。

这里面包括:终端、服务器和传输的线路都存在着各种各样的信息安全问题。如果不能解决这个问题,以后很多的什么智能家具、智能的什么东西,都没有办法得到安全的保障。似乎我们可以利用加密的方法保障,问题是随着计算能力的增加,到目前为止我们还没有发现任何一种方法来保证信息本身绝对的安全性,这是我们目前面临的第二个问题。各种各样的网络犯罪给我们每年带来巨大的经济损失,更不要说涉及到国防安全、政府安全方面的这些事情了。

非常有意思的就是与电动力学一样,为我们现代的互联网构建了坚实的技术基础。量子力学在近百年的发展当中,也为了解决计算能力的有效性和安全性做好了准备。

量子世界里,到了微观世界不仅可以处于“0”和“1”的状态,甚至可以把这两者协同起来可以同时处于“0”和“1”相关叠加。它是有“0”和“1”的协同。当我们把这种概念推广到网络的时候,甚至可以处于叫“量子纠缠态的概念。咱们这两个色子是处于量子纠缠态,扔它们的过程当中,发现不管多遥远,两边结果都是一样。这么一来,整个网络就可以达成协同。利用叠加性和协同性,就可以在未来信息里面做很多的非常有益的事情。

从上世纪80年代开始一个非常小的婴儿诞生了,不管我们抗拒它、欢迎它也好,它肯定是在不久的将来要在我们生活里面起到非常重要的作用,这个就是“量子信息科学”。它有几方面的功能:利用量子通讯可以保证原理上是无条件安全的信息传输和沟通。利用量子计算,可以实现本质上的、真正意义上的并行计算,可以让量子计算的能力大大提高。利用量子力学的不可克隆定理和不可分割性,就可以构建一种量子密钥分发的方式,密钥分发完成以后就可以一次一密的安全互联网。

除此之外利用这样“0”和“1”的协同,就可以实现计算的并行性。在经典世界里面,“0”就是“0”,“1”就是“1”。到了量子世界里面,它同时可以处于“0”和“1”的状态。如果说N个比特就可以成为N的二次方状态同时都存在,所以计算的时候数率会大大快于其它的计算机。有了这个事情之后,我们要构建通用的量子计算机还需要比较长的时间,但是目前大家聚焦的热点是在量子模拟方面。

比如:最近谷歌,前一阵子他们发布了,某种特定的可以比传统的计算机快一倍。按照物理学家Feynman说:“如果模拟一个300个粒子构成的衍化,用经典的计算机拿来算,把整个宇宙当中所有的物质全拿来构成一个计算机都还没办法算这个300个粒子。但是用量子计算机或者特殊量子模拟器可以实现所谓的量子模拟。”

目前中国的学者在这方面做的比较好,比如:城域网的技术目前已经比较好了。当年我们在这方面的推广,也是得到了徐局长他们很好的支持。其实从2012年开始在北京城域网里面,已经在很多地方已经在进行使用了,包括:政务系统、金融系统和银行系统,也包括新华社等等。除此之外,目前我们在构建两个事情。

希望把这个范围扩展到大范围。

目前在国家的支持之下,中科院的相关团队也跟相关单位合作在构建一种北京-上海的这么一个广域网,有这个广域网之后,不仅可以金融部门、政务部门,各方面都可以到这方面,在密钥分配之下满足安全信息的传输。除此之外,因为你是要走向全球。

在国外,比如:你这个信息单元就不是怎么可控了,我们就可以利用量子卫星。这个卫星会在2016年7月初发射,在卫星的帮助之下,我们在每个终端都有卫星接收天线就可以实现广域全球化的量子通讯。除此之外,在量子计算方面目前也有一些相关的研究特点。通过提高量子计算可扩展性,实现量子计算基本功能,目前已经有线路图了。在国外像谷歌、微软、IBM、英特尔,都在这方面开展了相关的研究。

我们国内目前有一家唯一的企业跟中科院合作,就是阿里巴巴“阿里云”,我们是共同合作来开展量子计算方面的研究。我们期望能够在五年左右的时间里面实现50个量子比特相关操纵。它的计算能力,那么大概就可以超越天和2号了。在凝聚态等方面,也可以起到一些很好的作用。

最后我讲一下它可能的未来。我觉得你欢迎它也好,不欢迎它也好。在不到5年或者10年的时间里面,慢慢的我们就会形成一个“天地一体化”的全球量子通讯基础设施。在这个设施的支撑之下,就可以构建基于信息安全保障的未来互联网。

这是我的第一个,或者也是我们学界的预测。

除此之外,在量子计算和量子模拟方面的研究,我觉得大概会在5-10年里面量子模拟机会成为现实。但是通用的量子计算机我估计还要20年、30年,甚至更远的时间。但是我觉得在我们每一位生存时间里面,应该是可以看到以量子计算作为保障、以量子计算作为终端的这么一个未来互联网。

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编辑: 刁云娇标签: 量子 一体化
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