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量子信息被称为第二次量子革命，为什么叫第二次？
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本视频发布于2022年1月21日，观看量已达4.1万
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本文是作者在2021年12月26日由共青团、国资委等机构主办的第六届中国制造日活动上的第二场演讲文稿。
袁岚峰：谢谢。谢谢前面这三位老师的精彩演讲，现在我再来给大家做我今天的第二个演讲《量子信息：第二次量子革命》。今天上午我讲了《中国科技的领跑、并跑与跟跑》，今天下午我向大家具体介绍一下我其中特别提到的量子信息。
其实以前每次提到量子信息，有个最最基础的问题，就是这个东西到底是真科技还是假科技？以前有很多民科他们写了很多文章，说这个东西是伪科技，然后我也写过很多文章来驳斥他们的谬论。但是最近忽然发现有个新的情况，就是美国政府出来为我们证明这是个真科技。
在11月24日，就是一个月之前，美国商务部发了一个实体清单，把很多新的机构加进去了，其中包括中国的12个机构。为什么把他们贸易禁运呢？回答是说要防止美国新兴技术被用于中国支持军事应用的量子计算技术，例如反隐形和反潜的应用，以及破解密码或者发展不可破解密码的能力。
实际上它说的这三个都是属于量子信息。量子信息是分成三大块：量子通信、量子计算和量子精密测量。它其中提到的反隐形、反潜就属于量子精密测量，破解密码是属于量子计算，不可破解的密码是属于量子通信。当然其中最好玩的就是说，为什么不可破解的密码这个会威胁美国的国家安全？这个是值得大家好好思考一下的。
量子这个词究竟是怎么来的？实际上它有一个基础的物理学理论，叫做量子力学。如果大家想知道这个量子信息真正的原理，我这儿只能做非常简单的介绍。但如果大家想对它有一个真正深入的了解，欢迎去看我的书，不久之前我出版的这本书《量子信息简话》。大家如果有什么问题，欢迎看我这个书。
最基本的，量子这个词怎么来的？它是在1900年，由这位德国物理学家普朗克首先提出来的。他是发现有个现象叫做黑体辐射，黑体辐射发射的能量，他需要假定它是一份一份的。就是说你可以发一份、两份、三份，但是不可能发半份，这个现象叫做量子化。从此以后，就出现整个一大门类叫做量子力学。在普朗克之后又有很多科学家，比如爱因斯坦、玻尔、狄拉克等等，都对量子力学做出了很大的贡献。
有了量子力学之后，我们就把那个传统的力学，就是牛顿力学，又把它称为经典力学。所以现在量子和经典这两个词往往是成对出现的，它们是作为形容词。所以当我们说某个东西是量子的，某个东西是经典的，隐含的意思就是说这个量子的总是要比那个经典的高明。
当你知道量子力学的历史之后，你会发现一个问题：量子根本不是一个新词而是老词，1900年就有，为什么到现在突然变得火热？回答是因为现在出现一个新的科技，叫做量子信息，它是在20世纪80年代由量子力学和信息科学这两个学科交叉产生的新的交叉学科。这个量子信息是干什么的？顾名思义，你就知道它就要利用量子力学的方法来实现那些传统的信息科学所无法达到的效果。比如说，其中最具有科幻色彩之一的就是传送术。很多科幻电影里把一个人从这边传到那边，我可以告诉大家现在这是个真实的技术，它对应的真实技术叫做量子隐形传态。但是我必须立刻提醒一下，现在我们并不能传一个人，量子隐形传态可以传一个粒子。这是一个真实的技术，所以这是一个巨大的进步。
还有其他哪些应用呢？比如说有一个是量子雷达，它是属于量子精密测量的部分。说到这个量子雷达，它是干什么的？大家首先想到探测隐形飞机，但实际上有很多单位在发展不同原理的量子雷达。我熟悉的这个量子雷达是用来探测大气风场的。大气风场就是说，探测大气当中有没有在刮风？如果有的话，这个风向哪刮？它的速度有多少？就是探测这个。
实际上探测这个大气风场早就有个传统技术，就是激光雷达。它唯一的问题就是它白天不能用，为什么？因为白天最大的干扰就是太阳，太阳它的强度太高了，是个巨大的背景噪音。你要避开这个太阳光，最好就采用红外波段，因为太阳光主要就在可见波段。但是以前为什么不用这个红外波段？因为它那个探测效率太低了，我们对它没有很好的探测器。
他们就发明了一种新的单光子频率转换技术，就是把你发出去那个光是红外光，但回来之后你把它转换成863纳米的光。对于这个863纳米我们有非常高的探测效率。这样你就把探测的距离从原来的2.6公里提高到了8公里，这是典型的应用了。
下面我们来非常简单的介绍一下量子信息的原理。量子力学本身有非常非常丰富的内容，我们好几天都讲不完，但是在信息科学当中用的有这么三大部分：叠加、测量和纠缠。这三个词究竟具体是什么意思？你还是得看我那个书。
量子信息基本的操作对象叫做量子比特，而不是像传统的信息科学，它那个操作对象系统叫比特。大家学过计算机科学都知道什么叫做比特，比特就是说你有且只有两个状态。但量子比特不一样，量子比特是连续可调的，它有无穷多个状态。
我们下面稍微简单介绍一下量子计算。很多人对它产生的印象是，量子计算机干什么事情都比传统计算机要快。但是这个印象是错的。我必须告诉大家比如画一个图，横轴是各种可计算的问题，纵轴是计算机处理它的性能。假如画一条黑线是表示那个经典计算机的性能，很多人的理解他以为量子计算机干什么事情都比经典计算机要快，就是红线整体在上方。这是错的！量子计算机是对于某些特定的事情比经典计算机要快得多，比如说破解密码。正确的是中间的图，即对于某些问题，量子计算机性能要高得多，那些尖刺就是脱颖而出。但是对于其他那些问题，比如最简单的问题，加减乘除的问题，经典计算机已经处理得很好了，量子计算机做它没有任何优势。因为它的做法跟经典计算机是一样的，而且它的成本肯定比经典计算机要高得多，如果你用量子计算机去做加减乘除没有任何意义，它的性能反而不如经典计算机。所以大家可以理解量子计算机的前景并不是要取代经典计算机，而是说两个联合使用。对于量子计算机有优势的就去用量子计算机，对于量子计算机没有优势的你就继续用经典计算机。
量子计算机到底现在做到什么样的程度？我可以告诉大家，在这个实验方面最大的进展就表现在最近，我们实现了量子优越性。量子优越性这个词最初提出来的时候叫量子霸权，后来大家觉得这个词听起来像霸权主义，听起来不太好听，所以现在更多把它改叫量子优越性。但实际意思都一样，都是说对于某个问题，量子计算机远远超过了现在的经典计算机。
为什么强调某个问题？你必须是对于某些特定的问题量子计算机才有优势，所以你要找到一个具体的问题，量子计算机实际的表现超过了现在最强的经典计算机。大家知道现在经典计算机很强，它一秒钟能够做上百亿亿次运算，超越这个才是实现量子计算机的优越性。
第一个里程碑是2019年，谷歌量子计算团队他们用超导的物理体系实现了，他们处理的那个问题叫做随机线路取样。但是它那个结果发表之后，立刻就有很多做经典计算机的团队出来改进这个经典算法。因为做经典计算的也是非常聪明的，经典计算的软件和硬件也都可以提高。很快就有很多人把经典计算提高，最近一个大的变化就是有人反超它了。也是一个月之前，2021年11月份由中国科学院理论物理研究所的张潘团队提出一个非常聪明的经典算法。他们说这个算法如果在最强的超级计算机上面执行的话，所需要的时间比悬铃木更短，它是正面的击败了悬铃木。所以悬铃木先实现了量子优越性，然后又被经典计算机反超了，所以它的量子优越性被取消了。
另外一个是2020年12月，科大的潘建伟、陆朝阳等人他们利用光学体系来实现了量子优越性，这台量子计算机叫做九章，它处理的那个问题是高斯玻色子取样。如果你想了解这个是什么意思，还是得看我那个书。
九章是什么样子？普通人看到的新闻报道里一般像中间那个图，一套光路看起来非常的不明觉厉。但是我看到的是右边的这个样子。2020年12月5日，九章的报道发出来之后，团中央请我拍一个宣传片，让我去宣传一下科大的量子信息研究。潘建伟研究组的苑震生教授非常热情带我们去实验室参观。在一个狭小的空间里，我也不知道那是什么地方，进去之后，他突然告诉我们，我们前面那个格子里那些东西就是九章的光学器件，我们背后那些格子里面就是九章的核心器件。所以我们就是在九章里面！我这才发现九章是个地理名词，我们是在九章里面向大家介绍九章。
所以有很多人说九章就是个光学实验，没错它是个光学实验，但是这个光学实验它可以等价于解一个数学问题，在这个意义上它是一个计算机。而且当你解这个数学问题的时候，它比现在的传统计算机要快得多，快多少呢？九章200秒取样了5千万次，当时那个最强的经典计算机做同样的任务需要6亿年，200秒对6亿年，这是100万亿倍也就是10的14次方。当然了经典计算机也可以进步，你追我赶，大家努力想要赶上它。但实际上在这个领域发生的事情是，越来越追不上。过了一年之后这个九章又升级了，它现在是九章二号，它有很多指标都提升了。
比如上面的那个图是态空间的维度，这个是从九章的10的30次方提高到了九章二号的10的42次方。下面那个图是用到的光子数，它最多能取样的光子数，九章最多76个，九章二号最多113个。有人问我那个光子数为什么不直接翻倍？我告诉它这个东西不是线性增长，这个东西是指数增长。你每增加一个光子，那个难度是指数增长，带来的计算量也是指数增长，所以你每增加一个光子都是非常困难的。
这个困难表现在什么地方呢？就是最初当人们提出高斯玻色子取样这个问题的时候，这个问题是在2013年作为理论问题提出来的。当时有很多人认为这个东西在实验上无法实现，你最多做5个光子的玻色子取样都已经非常困难了，10个是不可能的。结果他们一下子做到了76，所以你可以明白这是在技术上取得多么重大的突破了。
也是在10月26日，他们发布九章二号的同一天，他们又发布了另外一个东西叫做祖冲之二号。5月他们发布了祖冲之一号，过了5个月他们又发布了祖冲之二号。这个祖冲之二号跟悬铃木是同样的体系，都是超导体系。
它处理的问题是同样的问题，就是随机线路取样，但是它的规模比悬铃木要大得多，它的计算复杂度比悬铃木又高了6个数量级。所以非常有趣的是，张潘他们那个经典算法反超了悬铃木，但它能不能反超祖冲之二号？回答是不知道，我去问了张潘，张潘说我还没顾得上研究祖冲之二号。非常有趣，这是中国科学家内部在进行左右互博。
我们从量子计算的角度来总结一下，现在是什么图景？中国至少有一个体系实现了量子优越性，就是光学，超导也可能实现了。美国它本来在超导上实现了量子优越性，但是现在被经典反超了。所以中国实现量子优越性的体系是1或者2，美国从1变成了0，变成跟其他国家一样了。所以在这个意义上，中国在量子计算这个领域在这个指标上是领先的。
最后我们再来稍微介绍一下量子通信。量子通信也是个大的研究领域，比如前面的传送术。在实用当中真正使用的技术是量子密码，当你在媒体上看到他们报道量子通信如何如何的时候，十有八九是在特指量子密码。量子密码的效果是什么？量子密码的原理是非常复杂的，我无法在这儿三言两语说清楚，但是我可以告诉大家它的效果是无条件安全的保密传输。什么叫无条件安全？无条件安全是说，敌人即使有无限的计算能力，也不能破解你的密码。而我们现在绝大部分的密码都是有条件安全，就是你必须假定敌人计算能力是有限的，它不能在比较短的时间内破解，在这个意义上是安全的。所以无条件安全本质上就比有条件安全的多。
世界上怎么会存在无条件安全？可以告诉大家这是存在的，你需要看密码学的书，你才会明白这个东西为什么会存在。大家看我那个书就明白了。这里的关键词一个叫做一次性便笺密钥，另外一个是BB84协议，这个BB84就是量子密码的基础的技术。
可以告诉大家的是，中国在这个量子密码这方面毫无疑问是世界领先的。2016年我们发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，2017年我们开通世界上第一条量子保密通信骨干网“京沪干线”，从北京到上海2000公里的距离上都可以实现量子保密通信。而且两者连起来了，他们实现了天地一体化的量子通信网络。实际上我们曾经把它连到欧洲去，实现了中科院院长白春礼院士和奥地利科学院院长安东·塞林格之间的洲际量子保密通话。
但是这个天地一体化量子通信网络，它可干的事情不限于量子保密通信，它还可以用来做其他的事情。比如说，他们前年用天地一体化量子通信网络来检验量子力学跟广义相对论的统一。就是有些澳大利亚科学家提出了一套理论，叫做“事件形式”，说量子力学跟广义相对论也许可以按照这样的形式统一起来，然后它有明确的预言。他们做了实验检验，检验的结果是没有，至少说明他们现在的版本是不对的，你如果想让这个理论活起来得去修改那个理论参数。我们将来会发射更加高轨道的量子科学实验卫星，再去继续检验经过修正后的理论。
量子通信网络它不但是有实用价值，而且是全人类重要的基础研究的基础设施，这是我们对全人类科学界重大的贡献了。
最后总结一下。量子信息分为三大块。在量子通信方面我们毫无疑问是世界领先的，我们领先欧洲三到五年，领先美国五到八年。在量子计算方面，我们跟美国共同构成第一方阵，但是需要告诉大家一点，要注意量子计算机现在还没有实用价值。比如那些量子优越性的问题是专门为了实现量子优越性而设计出来的，它的那个问题本身目前还没有实用价值，而破解密码是它的远景。希望大家来努力加入到这个行业，帮助量子计算尽快有实用价值。
量子精密测量现在是使用价值最明确的，比如天上飞的卫星导航系统，GPS、北斗等它们的核心技术就是原子钟，原子钟就是属于量子精密测量。所以量子精密测量有些已经实用了，有些在快速投入实用。无论是哪个，实用前景都非常大。
量子信息被称为第二次量子革命，为什么叫第二次？因为在20世纪初的时候普朗克、爱因斯坦、玻尔他们提出了量子力学理论，这个是第一次量子革命。但是那个时候我们对微观世界的操作能力还不够强，所以你只能面对大量的粒子，你可干的事情很少。而现在我们能够操纵单个粒子，然后就可以充分挖掘它的量子特性，实现一些以前无法实现的效果，所以把它叫做第二次量子革命。
最后欢迎大家看我这个书，关注我的微博、微信公众号以及视频节目科技袁人等等，谢谢大家！
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背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
责任编辑：陈昕悦
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