原标题：著名量子科学家潘建伟特邀报告：打破量子工程的壁垒
潘建伟（摄影：慕梁）新浪科技讯 北京时间12月19日上午消息，2017“复旦-中植科学奖”颁奖典礼暨第三届复旦科技创新论坛近日在上海举行，今年诺贝尔物理学奖得主雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什（Barry Clark Barish）是2017“复旦-中植科学奖”的获奖人，以表彰他们在引力波方面的研究。
在颁发“复旦-中植科学奖”以及三位获奖者为大家做了联合报告“LIGO与引力波的发现”之后，第三届复旦科技创新论坛的议程开始，论坛特邀1985年诺奖得主克劳斯·冯·克里青教授和著名科学家潘建伟院士做两场报告。其中潘建伟院士做第二场特邀报告，主题是打破量子工程的壁垒。
以下为潘建伟报告全文（速记根据同传录音整理，未经审定）：
首先感谢组委会，为我提供这样一个机会，跟大家分享一下我的观点。我今天发言的主题是打破量子工程的壁垒。人类学告诉我们差不多十万年以前，尼安德特人和智人在欧洲同时存在。尼安德特人比智人更加强壮，他们大脑比现代人类还要更大一些。为什么后智人取得进化战争当中的成功，成为我们的祖先，其中一个非常重要的原因就是因为智人发明了初步的文字和符号，使得智人可以有效地进行信息交互，从而可以形成一个相互协作的群体。因此对于人类的进化而言，信息的交互是极其重要的。
对隐私的保护是信息交互中非常重要的内容。只有对于隐私加以保护，人们才可以进行自由的思考、交流、书写、对话等等。所以可以说如果没有对隐私加以保护，人类的文明是不可能进步的。反过来，社会的进步使得我们信息的交互变得更加具有效率。
所以最终得出的结论，是信息的交互已经并且将一直伴随着人类的进化以及社会的发展。在这其中，有两个人类一直追寻解答的问题。首先是如何确保信息交互更为有效；第二，如何对于我们的隐私进行有效保护。从信息科学的角度，答案其实就是计算能力和信息安全。
对信息的安全传送是自古以来人类的梦想。比如，在公元前400多年的斯巴达人，就已经使用一种密码棒。文字写在缠绕在木棒上的布带上，如果没有同样直径的木棒，那么这些文字看起来就是一堆乱码。凯撒大帝在公元前50年左右，发明了错位密码。但是这种古老的加密术，其实可以通过字母出现的频率来进行破解。历史上，加密术的每一次进步，都被破解技术的进步所击败。到了二战时，图灵破解了德军的Enigma密码机；现代的密码，比如广泛使用的公钥密码体系中，RSA 512在1999年被破解，RSA 768在2009年被破解，而RSA 1024也被认为已经不安全了。
所以可以这么说，所有依赖于计算复杂度的经典加密方法，原则上都是可以被破解的。人们甚至早已怀疑，如同小说家爱伦·坡所说的那样，以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码。
另一方面，人类拥有的计算能力还很有限，目前全世界的计算能力总和无法在一年内完成对2的80次方个数据的穷举搜索。然而，计算能力的传统发展模式却受到严重制约。根据摩尔定律，单位面积集成电路上可容纳的半导体晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍。按照这个趋势，晶体管的尺寸将很快达到原子尺度，电子的隧穿效应将体现，电路的“0”和“1”两种状态将无法区分，摩尔定律正在逐渐失效。
幸运的是，量子力学经过百余年的发展，已经为解决经典信息科技中的重大问题提供了解决方案。
我首先检验介绍一下量子叠加的基本概念。大家都知道，在我们的日常生活中，一只猫要么是死，要么是活。然而，根据量子叠加原理，一只在量子世界的猫，甚至可以同时处于“活”和“死”两种状态的相干叠加。物理上，任何两能级的量子系统都可以用来构造一个量子比特。比如，我们可以用光子的水平极化|H？和竖直极化|V？来编码0和1，那么根据量子叠加原理，光子的极化状态可以处于任意的水平和竖直极化成分的叠加α|H？+β|V？，其中两个复数α和β满足归一化条件|α|的二次方加|β|的二次方等于1。如果想要获取α和β的信息，一个简单的实验是把光子输入到一个极化分束器上。极化分束器会让水平极化透射，而反射竖直极化。因此，在单次实验中，光子会以|α|的二次方的概率被投影到水平极化状态，以|β|的二次方的概率被投影到竖直极化状态。这个简单的实验表明，对一个未知量子状态的单次测量无法获得关于α和β的完整信息，这就得到量子不可克隆定理，也即是，对未知的量子状态无法精确复制。
而当把量子叠加扩展到两个粒子时，就会出现量子纠缠的现象。比如，在量子世界中的两只猫，甚至可以处于“死死”和“活活”的相干叠加中。这意味着，如果对其中一只猫的状态进行测量，发现它处于“活”的状态，那么另外一只猫就会立即塌缩到“活”的状态，而不论它们相隔多么遥远。爱因斯坦将这种现象称为“遥远距离的诡异互动”。对于包含两个光子的系统，它们可以处于如下四个Bell态之一，也即是最大纠缠态。
爱因斯坦之所以把量子纠缠现象称为“遥远距离的诡异互动”，是因为他相信，对任意物理系统的测量结果，在测量之前应该是已经确定好的，与测量过程无关；并且，在类空间隔发生的两个测量事件应该是彼此无关的。这是在经典物理学里看起来非常合理的“定域实在论”假设。但是量子力学预言，处于量子纠缠状态的两个粒子，在测量之前两个粒子并不存在确定的个体状态，对粒子A的测量结果不仅会决定它自身的状态，也会同时决定粒子B的状态。
在1935年，爱因斯坦等发表了一篇著名的论文，认为量子力学的理论描述是不完备的，因为量子力学理论支持“诡异互动”存在。但是由于定域实在论和量子力学都可以对量子纠缠态中存在的状态关联进行解释，没有人知道如何通过实验来验证哪一种观点是正确的，因此在此后的30年间，定域实在论和量子力学的争论仅仅停留在哲学层面。
到了1964年，John Bell提出了Bell不等式。对于两粒子纠缠态，可以根据对两个粒子的测量结果来构建一个量。按照爱因斯坦所坚持的定域实在论，这个量的最大值为2；而根据量子力学，这个量的最大值将能够达到2的平方根。从此，对“诡异互动”的实验检验成为可能。数十年来，物理学家们开展了大量实验，都证实了量子力学的正确性。当然，这些实验还存在一些漏洞，有待进一步解决。
其中一个漏洞是自由基矢选择漏洞。在以往的Bell不等式实验中，是用随机数产生器来随机地决定对测量基的选择。然而，由于随机数产生器在实验开始前就已经存在，随机数产生器之间可能存在某种先验的关联，因此在实际的实验中对测量基的选择可能不是真正随机的。另一个漏洞是所谓的局域塌缩漏洞，或者称为薛定谔猫漏洞。在薛定谔猫的思想实验中，对一只关在黑盒子里的猫进行测量的结果，直到观测者实际看到这只猫的“死”或“活”状态之前，可能是并没有确定的。这意味着在以往的实验中，直到观测者的意识确定之前，测量结果可能并没有产生，使得对两个粒子的测量事件可能并不满足类空间隔条件。
因此，为了关闭这两个漏洞，如同诺贝尔物理学奖获得者Tony Leggett所建议的，需要进行人类观测者参与的Bell不等式检验实验。通过这种方式，测量基由观测者的自由意志随机选择，而测量结果能够在保持类空间隔的情况下通过观测者的意志确定。由于人类观测者参与的实验要求信号的传递时间超过人类的反应时间（~100ms），因此要求量子纠缠分发的距离要达到1光秒的量级。尽管对“遥远距离的诡异互动”的终极检验还没有完成，但在这一过程中，人们掌握了对量子状态进行主动调控的能力，可以用量子状态对信息进行编码和处理，从而产生了量子信息技术。具体来说，量子通信可以实现无条件安全的通信，量子计算可以带来计算能力的飞跃，而量子度量学可以使得测量精度超越经典极限。
量子密钥分发是最先实用化的量子通信技术。例如，可以利用BB84协议实现基于单光子的量子密钥分发。在BB84协议中，Alice随机地发射不同极化状态的光子序列，包括水平极化、竖直极化、以及正负45度极化，给Bob。Bob则随机地选择水平/竖直极化和正负45度极化测量基。一旦Bob对测量基的选择与Alice发送的光子状态一致，两人之间便生成了共享的密钥。双方广播共享密钥的一部分进行误码率比对，就可以发现是否有人对密钥进行了窃听。类似地，E91协议则基于纠缠态的关联实现量子密钥分发。
量子隐形传态是量子通信的另一个有趣的应用。为了便于理解量子隐形传态的概念，可以考虑下面这个例子。假如我从合肥到上海带了一件礼物放在箱子里，但不巧的是，我忘记带钥匙了。在经典物理学中，我可以打电话给我在合肥的同事，让他们把钥匙扫描一下发给我，也就是对钥匙进行测量，我就可以去另配一把钥匙把箱子打开。但是，如果这是一把“量子钥匙”，也就是说钥匙的信息是由未知的量子态α|H？+β|V？编码的，根据量子不可克隆定理，对单个未知的量子态进行测量，无法获得关于这个状态的完整信息，看起来就只能将钥匙的量子态本身从合肥传送到上海来了。但是我们知道，量子态是非常脆弱的，传输通道中各种不可避免的噪声都会摧毁这个量子态。那么该怎么办呢？根据Bennett等在1993年提出的方案，利用量子隐形传态，可以将粒子未知的量子态传送到遥远地点的另一个粒子上，而不用传送这个粒子本身。在量子隐形传态方案中，Alice手中有待传送的未知粒子态α|H？+β|V？。Alice和Bob可以先共享一对处于最大纠缠态的粒子，即：
这样 3 个粒子的整体状态可以按照如下形式将粒子1和2的状态用4个Bell态展开。Alice可以对粒子1和2执行Bell态测量，这样粒子1、2会以1/4的概率投影到4个Bell态之一，粒子3的状态则会塌缩到对应的量子态。下一步，根据粒子1、2的测量结果对粒子 3 进行相应的幺正操纵，则可以将粒子3的状态转化为粒子1的初始状态。这里需要强调的是，粒子3的 终状态并非对粒子1状态的拷贝，而是将粒子1的初始状态传送到粒子3上，粒子1的状态则被还原为不携带任何信息的完全混态。在量子隐形传态过程中，并没有执行可获得未知系数和信息的测量，这就是量子隐形传态可以不受限于量子不可克隆定理的原因。
有趣的是，纠缠粒子对中的一个粒子的量子态，也可以通过量子隐形传态来传送。假设有两对纠缠粒子对，4-1和2-3，如果按照量子隐形传态的方案，对粒子1和2执行Bell态测量，那么遥远两地从未相遇的粒子3和4就可以纠缠起来。这一过程也被称为量子纠缠交换，这在远距离量子通信中发挥着重要的作用。
量子计算可以解决若干大规模计算难题，并可以有效揭示复杂物理系统的规律。经典计算机处理的是比特，一次只能处理某一个数据，因此本质上是串行计算；而量子计算机处理量子比特，因此可以处于多个数据的相干叠加状态，具有强大的并行计算优势。具体来说，操纵N个量子比特的量子计算机，原理上可以对2的N次方个数据同时进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2的N次方次操作。 著名的量子算法是Shor大数分解算法，可以用来破解被广泛使用的RSA公钥密码系统。利用万亿次的经典计算机分解300位的大数，需要150000年，而利用万亿次的运行Shor算法的量子计算机，只需1秒。
另外，利用量子叠加性质可以实现高精度的量子度量。例如，利用多粒子纠缠，可以实现突破经典极限的相位测量。对于单粒子干涉的标准干涉方法，输入N个单粒子后对相位的测量精度是N的平方根分之一，这即是标准量子极限。而同样的干涉仪采用N粒子纠缠的N00N态干涉，对相位变化的敏感度将提高N倍，因此在同样的资源消耗下，N00N态干涉对相位的测量精度将达到N分之一，突破标准量子极限。最近，我们已经实现了18个光子比特的纠缠，并将相位变化敏感度提升了18倍。
为了实现量子密钥分发，首先需要实现单光子的产生和探测。由于目前还没有可实用化的理想单光子源，人们通常采用弱相干光源来代替。当激光的光强被衰减到每个脉冲存在一个光子的概率都远小于1时，就实现了一种准单光子源。另一方面，人们可以用商用单光子探测器，包括半导体雪崩光电二极管、超导纳米线、硅探测器等等，来探测单光子。
对量子密钥分发的第一个原理性演示实验是在1992年，当时的分发距离只有32cm。到2005年左右，已有多个国家的实验小组实现了100km量级的量子密钥分发。然而人们发现，由于现实中的器件，比如光源和探测器，并不完美，量子密钥分发可能存在严重的安全漏洞。因此，上述实验演示都不具备实用价值。
2005年，华人物理学家王向斌、罗开广等提出了诱骗态量子密钥分发方案，解决了非理想单光子源带来的安全隐患。2007年，我们和Los Alamos的实验小组同时利用诱骗态方案实现了在光纤中超过100km的量子密钥分发。2013年，基于罗开广提出的方案，我们发展了高精度的独立光子干涉技术，从而实现了测量器件无关的量子密钥分发，可以免疫于一切针对探测器的攻击。
在这两个安全性漏洞被解决后，量子密钥分发就具备了在现实条件下的实用价值。在过去的十年间，我们发展了规模化的城域量子通信网络技术，并且在金融等领域得以应用。
然而，要实现远距离的量子通信还存在很大的挑战。目前，点对点光纤量子密钥的最远距离是404km，而在近地面自由空间中的量子隐形传态的最远距离是100km量级。由于光纤和近地面自由空间信道的巨大损耗，要实现更远距离的量子通信已非常困难。例如，在1000km的商用光纤中，即使拥有10GHz发射频率的理想单光子源和理想探测器，每100年也才能传送一个光子。
远距离量子通信的解决方案是量子中继。量子中继可利用量子纠缠交换来解决光子损耗问题，并且利用量子纠缠纯化来解决信道噪声带来的消相干问题。纠缠纯化是指从大量纠缠度较低的纠缠态中提取出少量纠缠度较高的纠缠态。从实验的角度来看，实现量子中继有三个要求：高精度的量子纠缠交换、高精度的量子纠缠纯化，以及 重要的，高性能的量子存储。
初的量子纯化方案需要CNOT操作。CNOT操作要求粒子之间的强相互作用，然而光子之间的相互作用是非常微弱的，因此 初的量子纯化方案极难实现。2001年，我们提出利用线性光学也可以实现的纠缠纯化方案。在这一方案中，相互作用导致的非线性可以通过对光子状态的后选择来实现。
2003年，我们实现了高精度可容错的量子纠缠交换，以及对任意未知态的量子纠缠纯化。
量子存储是量子中继的核心单元。2001年段路明等提出基于原子系综的DLCZ量子中继方案。在这个方案中，需要利用单光子干涉来产生两地原子系综的纠缠。因此，该方案要求极高的远距离相位稳定度，即是在经过数百公里的传播后相位误差在10nm量级，这在当前的实验技术下是极难实现的。2007年，我们提出了基于双光子干涉的稳定的量子中继方案，对相位稳定度的要求降低了7个数量级，即仅要求相位误差在0.1米量级。2008年，我们实现了这一方案，利用300米光纤连接了两个原子系综。
然而，当时量子存储的性能还是非常低的。为实现远距离的量子中继，量子存储的存储寿命和读出效率两个指标需要同步提升。存储寿命需要足够长，以保证每个节点都能够产生纠缠；原子态也必须以足够高的效率转化为光子态以进行下一步的操作。2016年，我们实现了国际上综合性能 优的长寿命、高读出效率的冷原子量子存储，已可满足500km量子中继的需求。然而，实现实用化的量子中继还有很长的路要走，我们希望在10年内能够得以突破。
而实现全球化量子通信最有效的方法就是通过卫星中转的自由空间量子通信。这是由于，卫星平台可以克服地表曲率、没有障碍物的阻碍，整个竖直大气层只有5-10公里的水平大气等效厚度，而外太空则没有外太空无衰减和退相干。
我们在过去的十余年中开展了卫星量子通信的系列地面验证。在2004年和2010年实现了13km的自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态，验证了验证光子在穿透大气层后，其量子态能够有效保持；在2012年实现了100km量级的自由空间量子纠缠分发和量子隐形传态，验证在高损耗星地链路中进行量子通信的可行性；在2013年实现了实现星地量子通信的全方位地基验证，验证了各种卫星运动姿态下进行星地量子通信的可行性。
通过这些地面实验，我们掌握了低轨量子通信卫星的关键技术，获得了高灵敏的能量分辨率，相当于可以探测到在月球上点燃的一根火柴；获得了高灵敏的空间分辨率，相当于可以看到木星轨道上汽车牌照大小的物体。
基于这些技术突破，在2016年8月16日，首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射。墨子号的重量为635kg，运行在约500km的轨道上。
墨子号有三大科学实验任务。首先，实现了1200km距离下成码率达到kbps的星地量子密钥分发，这相比在同距离的商用光纤中的成码率提高了20个数量级。
在第二个实验任务中，实现了相距1200km两个地面站的星地双向量子纠缠分发，在此基础上首次实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。
第三个实验任务，墨子号实现了远达1400km的地面和卫星之间的量子隐形传态。
最近，利用墨子号作为中继，还实现了北京和奥地利维也纳之间相距7800km的洲际量子密钥分发。同时，与德国、意大利、俄罗斯和新加坡等国家的合作也在进行中。这些国际合作将共同探索全球化量子通信的可行性。
我们希望在未来可构建天地一体的全球化量子通信网络，在此基础上实现量子安全保障的互联网。
除了信息安全外，未来基于全球化量子通信网络的另一应用是全球化的高精度时频传递网络。相比目前广泛应用的微波时频网络，光频标传递可以将长时稳定度提升4个数量级。进一步，利用量子纠缠分发网络将各地原子钟的N个原子纠缠起来，再结合光频标传递，可以将短时稳定度相比目前的原子钟提升N的平方根倍。
利用全球化量子通信网络，我们还可以探索引力和量子力学的融合。例如，我们正在利用墨子号验证一个时间膨胀导致量子纠缠退关联的理论模型。
利用发展起来的量子技术，我们希望能够实现观测者意志参与的量子力学非定域性检验实验。为了关闭前面所说的自由基矢选择漏洞和局域塌缩漏洞，我们计划在地球和月球之间的一个拉格朗日点——地球和月球的引力刚好抵消，物体可以保持相对静止——（L5）放置一个量子纠缠源。这样就可以实现地球和月球之间的量子纠缠分发。由于地球和月球之间的距离大于1光秒，上述两个漏洞将可以被关闭。为了实现这一目标，首先需要克服地月之间量子纠缠分发的高损耗（约100dB）。 最近，我们实现了地面高达103dB损耗的量子纠缠分发，验证了地月量子纠缠分发的可行性。未来，我们希望结合中国在10至15年后的登月计划， 终实现观测者意志参与的Bell不等式检验实验。
从爱因斯坦提出引力波的概念到探测到引力波，用了整整100年时间。我们希望，同样是在爱因斯坦提出量子纠缠的概念后的100年内，我们将最终实现对量子力学非定域性的终极检验。
谢谢！
附：第三届复旦科技创新论坛特邀报告人潘建伟介绍：
- 中国科学院院士（2011）
- 世界科学院院士（2012）
- 国际量子通信奖得主（2012）
- 国家自然科学一等奖得主（2016）
- 中国科学技术大学常务副校长
潘建伟，1970年生于浙江东阳。1992年和1995年先后获中国科学技术大学获理论物理专业学士和硕士学位。1996年赴奥地利学习，1999年获维也纳大学实验物理博士学位。2001年起任中国科学技术大学教授，2011年当选为中国科学院院士，2012年当选为发展中国家科学院院士。主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域的先驱和开拓者之一，他是该领域有较重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段，他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果，尤其是他关于量子通信和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。