編者按：

《西游記》里的“千里眼”已亥、“順風(fēng)耳”熊赖，在某種意義上已經(jīng)被現(xiàn)在的電視和電話實(shí)現(xiàn)了。而“天上一日虑椎、地上一年”的神話也被相對(duì)論所證實(shí)震鹉，此外，孫悟空的分身術(shù)和筋斗云捆姜，我們現(xiàn)在能不能實(shí)現(xiàn)呢传趾？

1月16日，由北京聽(tīng)道與“知識(shí)分子”聯(lián)合舉辦的聽(tīng)道講壇－知識(shí)分子專(zhuān)場(chǎng)上泥技，剛剛獲得2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉浆兰，帶來(lái)了有關(guān)量子通訊與信息安全的精彩演講。

演講 | 潘建偉（中國(guó)科學(xué)院院士）

視頻制作 | 北京聽(tīng)道

視頻校對(duì) | 鄧志英

●　●　●

我今天報(bào)告的題目叫作“神話珊豹、哲學(xué)镊讼、互聯(lián)網(wǎng)與人類(lèi)未來(lái)”。前陣子平夜，我正好在烏鎮(zhèn)蝶棋，就參加了互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)。在大會(huì)中忽妒，我忽然有這么一個(gè)理解玩裙，其實(shí)在古時(shí)候同時(shí)期存在著兩種人屬兼贸，一種叫碩壯人，一種叫直立人吃溅，他們互相之間可能也會(huì)有些聯(lián)系溶诞。碩壯人已經(jīng)開(kāi)始使用工具了，而且他的腦容量也挺大决侈。直立人相對(duì)沒(méi)有碩壯人那么強(qiáng)壯螺垢，但是他們發(fā)明了符號(hào)與基本的語(yǔ)言，可以很好地交流赖歌，分享一些信息枉圃，正因?yàn)檫@個(gè)原因，經(jīng)過(guò)慢慢地進(jìn)化庐冯，他就成為了我們現(xiàn)代人的祖先孽亲。

所以某種意義上講，那個(gè)時(shí)候就已經(jīng)有一種信息的交互展父。如果我們不太較真的話返劲，可以把它叫做一種互聯(lián)網(wǎng)的雛形。按照我的理解栖茉，正是因?yàn)橛羞@樣的信息的交互篮绿、有互相協(xié)同，在直立人的進(jìn)化過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用吕漂。

關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)的將來(lái)搔耕，一直以來(lái)有一個(gè)非常重要的話題，就是所謂的隱私保護(hù)痰娱。有了隱私的保護(hù)弃榨，我們才能保證思想的自由和思想的多樣性，才能百家爭(zhēng)鳴梨睁，比如像雅典學(xué)院等等鲸睛，能夠形成各種各樣的創(chuàng)新。所以我覺(jué)得在人類(lèi)文明進(jìn)化的過(guò)程當(dāng)中坡贺，有兩方面信息的交互很重要：人類(lèi)互相交流想象變得越來(lái)越豐富官辈，同時(shí)每一個(gè)人都要作為一個(gè)主體，有獨(dú)立思考的能力遍坟。有這兩方面的原因拳亿，我們?nèi)瞬拍茏杂傻貏?chuàng)造。

神話傳說(shuō)的物理實(shí)現(xiàn)

《西游記》里面有很多很有趣的概念愿伴。第一個(gè)就是“天上一日肺魁、地上一年”，告訴我們隔节，天上的神仙時(shí)間會(huì)過(guò)得慢一點(diǎn)鹅经，他們活得時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一點(diǎn)寂呛，而地上的時(shí)間會(huì)過(guò)得比較快。有兩個(gè)很有名的神仙瘾晃，叫順風(fēng)耳贷痪、千里眼，發(fā)生在很遙遠(yuǎn)的地方的事情他們能夠聽(tīng)到蹦误，也能夠看到劫拢。

當(dāng)然可能大家都讀過(guò)這本書(shū)，其中最吸引人的就是美猴王强胰。孫悟空有一個(gè)功能就是分身術(shù)舱沧，毫毛一拔，到處一扔哪廓，就變出好多個(gè)孫悟空狗唉。他還有另外一種非常強(qiáng)大的功能——筋斗云初烘。翻一個(gè)筋斗涡真，就可以從一個(gè)地方消失，在另一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)肾筐。這有點(diǎn)像我們前陣子看到的科幻電影《星際穿越》里面的場(chǎng)景哆料。

所以大家就問(wèn)了，這些東西在我們現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中到底能不能實(shí)現(xiàn)吗铐？大家都知道东亦，得益于電動(dòng)力學(xué)的建立，我們能進(jìn)行無(wú)線電的通信唬渗。在1888年典阵，赫茲在卡爾斯魯厄——德國(guó)的小鎮(zhèn)，做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電磁波是不是存在镊逝。在圖的右邊壮啊，有一個(gè)小線圈在抖動(dòng)，當(dāng)線圈通電之后撑蒜，在很遙遠(yuǎn)的地方歹啼，按道理應(yīng)該發(fā)生電火花。但因?yàn)樗@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室本來(lái)是在兩個(gè)不同的房間座菠，所以他搖完以后趕緊跑到隔壁房間看狸眼，什么也沒(méi)有看到。好多年前我到這個(gè)地方去看過(guò)浴滴。赫茲后來(lái)把這個(gè)墻拆掉了拓萌，這邊一抖，那邊即時(shí)的電火花就發(fā)生了升略，因?yàn)闊o(wú)線電波以光速傳遞司志，跑得太快了甜紫，他怎么跑還是跑不過(guò)這個(gè)無(wú)線電。正因?yàn)橛羞@些發(fā)明骂远，后來(lái)有了電話囚霸，有了電視機(jī)，到現(xiàn)在我們用的手機(jī)激才，都可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)千里眼拓型、順風(fēng)耳這么神奇的功能了。所以我說(shuō)瘸恼，物理學(xué)真的非常有意思劣挫，它可以保證信息的有效傳輸。

剛才雙南教授已經(jīng)講到相對(duì)論东帅。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論都告訴了我們確實(shí)存在某種特殊的情況压固，有些地方時(shí)間過(guò)得慢一點(diǎn)，有的地方時(shí)間就過(guò)得快一點(diǎn)靠闭。比如在一個(gè)引力特別強(qiáng)的地方帐我，一個(gè)小時(shí)甚至等于一個(gè)好遠(yuǎn)的地方的七年等等。這里可以舉個(gè)例子愧膀，雙生子佯謬的問(wèn)題拦键。如果說(shuō)有對(duì)雙胞胎兄弟，有一個(gè)是宇航員檩淋，坐著宇宙飛船在宇宙中進(jìn)行快速的旅行芬为。等他回來(lái)之后，他這個(gè)雙生的兄弟蟀悦，已經(jīng)變得很老了媚朦。這樣的現(xiàn)象，在物理世界日戈、在高速飛行的粒子里面询张，已經(jīng)能看到了。所以說(shuō)確實(shí)也是可以實(shí)現(xiàn)的涎拉。

信息交互的未來(lái)挑戰(zhàn)

因此我形成了這樣一種觀點(diǎn)：我們?cè)诠糯缧r(shí)候有語(yǔ)言瑞侮，通過(guò)口口相傳，進(jìn)行信息的傳遞鼓拧、交互和共享半火。隨后我們有了文字，也可以通過(guò)書(shū)本的傳遞季俩，千里傳書(shū)來(lái)傳遞信息钮糖。到了后來(lái)，隨著科技的發(fā)展，第一次工業(yè)革命熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)店归，隨后電動(dòng)力學(xué)的運(yùn)用阎抒，我們信息的傳遞效率和交互效率就變得越來(lái)越高了。到了現(xiàn)代消痛，因?yàn)橛杏?jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)且叁，其實(shí)整個(gè)地球都變成一個(gè)村子了。所以說(shuō)秩伞，信息的交互非常重要逞带。

有兩個(gè)永恒主題將一直伴隨著我們?nèi)祟?lèi)進(jìn)化和社會(huì)發(fā)展：首先，怎樣來(lái)加強(qiáng)信息交互的效率纱新，把信息中有用的知識(shí)提取出來(lái)展氓，進(jìn)行傳播、共享脸爱？這是非常重要的遇汞。同時(shí)，要加強(qiáng)隱私的保護(hù)簿废，來(lái)保證每個(gè)人思想的自由空入。比如說(shuō)，如果我現(xiàn)在可以非常方便地看到饒毅現(xiàn)在在想什么捏鱼，我可以控制他的思想的話执庐，我們每個(gè)人都不可能進(jìn)行自由的創(chuàng)造了酪耕。所以我覺(jué)得导梆，信息有效的交互和隱私的保護(hù)是我們?nèi)祟?lèi)未來(lái)的一個(gè)基本保證。如果這兩者都沒(méi)有的話迂烁，那我們就沒(méi)辦法繼續(xù)進(jìn)化下去了看尼。

信息科技的進(jìn)一步發(fā)展，目前面臨很多重大的問(wèn)題：隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米量級(jí)盟步，電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不再遵守經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律了藏斩。而且目前所謂的超級(jí)計(jì)算機(jī)能耗是巨大的，所以大家經(jīng)常問(wèn)：我們?cè)鯓觼?lái)發(fā)展未來(lái)的計(jì)算機(jī)却盘，能很好地解決人類(lèi)對(duì)計(jì)算能力的無(wú)限需求狰域？這是第一個(gè)問(wèn)題。與此同時(shí)黄橘，我們確實(shí)因?yàn)槊媾R各種各樣的問(wèn)題：信息終端兆览、服務(wù)器、傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)都有各種各樣的安全問(wèn)題塞关，存在著竊聽(tīng)和種種的黑客攻擊抬探。

有一種解決方法，就是可以對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行加密帆赢，但隨著計(jì)算能力的增加小压，原來(lái)那些非常有效的加密算法也都已經(jīng)被破解了线梗。這么一來(lái)，大家都希望能夠建立下一代的標(biāo)準(zhǔn)密碼怠益。但非常不幸的是仪搔，這些標(biāo)準(zhǔn)密碼還沒(méi)投入使用，又被發(fā)現(xiàn)是不安全的了蜻牢。大家可能還沒(méi)有直接受到過(guò)損害僻造，其實(shí)網(wǎng)絡(luò)犯罪每年給全球帶來(lái)了大量的經(jīng)濟(jì)損失，更加不用說(shuō)因?yàn)榉N種可能的其他原因孩饼，另外造成一些損失髓削。

量子世界的“分身術(shù)”和“筋斗云”

我今天想跟大家分享的第二個(gè)觀點(diǎn)，就是量子力學(xué)在近百年的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中已經(jīng)為解決這些重大的問(wèn)題做好了準(zhǔn)備镀娶。

具體來(lái)說(shuō)立膛，第一個(gè)就是要適當(dāng)利用量子世界的分身術(shù)。這得益于上個(gè)世紀(jì)的一些物理學(xué)家建立的量子力學(xué)梯码。在日常生活當(dāng)中宝泵，我要么在上海作報(bào)告，要么在北京作報(bào)告轩娶，我不可能同時(shí)在兩個(gè)地方講儿奶。這是經(jīng)典世界告訴我們的：我們某個(gè)時(shí)間只能在某個(gè)地方。但在量子世界鳄抒，它是非常有意思的闯捎，比如作為一個(gè)微觀的客體，它不僅在這里许溅，也可以在那里瓤鼻，同時(shí)在好多個(gè)地方。

微觀的客體在好多個(gè)地方同時(shí)存在贤重，這是什么意思茬祷？我舉個(gè)例子。比如我從法蘭克福到北京講學(xué)并蝗，當(dāng)時(shí)太累就睡著了祭犯。假設(shè)有兩條航線，一條從莫斯科過(guò)來(lái)滚停，一條從新加坡過(guò)來(lái)沃粗。新加坡還非常溫暖，莫斯科已經(jīng)非常寒冷了铐刘。到了北京之后陪每，我見(jiàn)到饒毅，他剛好到機(jī)場(chǎng)來(lái)接我。他說(shuō)建偉檩禾，你是從哪條航線過(guò)來(lái)的挂签？因?yàn)樽w機(jī)的時(shí)候我睡著了，沒(méi)看我從哪一條航線過(guò)來(lái)盼产，記得我當(dāng)時(shí)醒來(lái)的時(shí)候饵婆，渾身是冷熱交加∠肥郏可他說(shuō)你肯定是發(fā)生了錯(cuò)覺(jué)侨核，你最好以后坐飛機(jī)的時(shí)候睜大眼睛，不要睡覺(jué)灌灾。那我就很老實(shí)地坐1萬(wàn)次飛機(jī)搓译，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)的5000次我是渾身寒冷锋喜，5000次我是非常地溫暖些己。我就覺(jué)得非常放心了，就可以又睡覺(jué)了嘿般。但是我又做了1萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)段标，我發(fā)現(xiàn)非常不幸的是，每次只要我睡著了炉奴，醒來(lái)的時(shí)候總是在打擺子逼庞，就是冷熱交加。

那為了解釋這樣的現(xiàn)象瞻赶，在量子力學(xué)里面就說(shuō)赛糟，第一，在某些特殊的情況下共耍，如果說(shuō)你沒(méi)在看這個(gè)客體到底是處于哪個(gè)位置的時(shí)候虑灰，在某些特定情況它可以同時(shí)處在兩個(gè)位置吨瞎。第二個(gè)又告訴我們痹兜，就是量子客體的狀態(tài)，你只要輕輕地去觀測(cè)一下颤诀，對(duì)它的影響就不可逆轉(zhuǎn)了字旭，而且是永久的、不可避免的崖叫、不可忽略的遗淳。

剛才雙南也講到，牛頓力學(xué)是一個(gè)非常美的理論心傀。它告訴我們一旦一個(gè)粒子和這個(gè)體系的初始狀態(tài)是決定的話屈暗，那么所有粒子未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)F=ma這個(gè)方程我就可以預(yù)測(cè)出來(lái)了。如果我們?nèi)说乃械牧Ｗ佣际怯膳ｎD力學(xué)在控制的話养叛，那么我們今天在這個(gè)地方開(kāi)會(huì)种呐、我們什么時(shí)候死、誰(shuí)做生命學(xué)家弃甥、誰(shuí)做物理學(xué)家爽室，在宇宙大爆炸這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)確定了。所以個(gè)人的努力是毫無(wú)意義的淆攻。

從這個(gè)角度上講阔墩，量子力學(xué)比我們經(jīng)典牛頓力學(xué)哲學(xué)，要更加積極一些瓶珊。量子力學(xué)告訴我們個(gè)人的行為啸箫、我這個(gè)體系的測(cè)量是可以影響世界的。所以從哲學(xué)上講是非常積極的伞芹。具體來(lái)說(shuō)筐高，我們可以用粒子的狀態(tài)來(lái)加載0和1的信息。在一個(gè)經(jīng)典的世界丑瞧，它只能處于上焊掏粒或者北京，只能處于0或者1绊汹。到了微觀世界之后稽屏，我們可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)相干疊加。正因?yàn)橛辛诉@個(gè)相干疊加之后西乖，新的定理就發(fā)生了狐榔。你若對(duì)這種狀態(tài)去測(cè)量，就會(huì)對(duì)這種狀態(tài)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響获雕。它本來(lái)是處于冷熱交加的薄腻，你一測(cè)它就變得冷或者熱了。這么一來(lái)届案，量子力學(xué)告訴我們庵楷，未知的狀態(tài)你是測(cè)不準(zhǔn)的，這是量子不可克隆定理楣颠。

愛(ài)因斯坦不僅是相對(duì)論的建立者尽纽，同時(shí)也是量子力學(xué)建立者之一。他就非常不喜歡這樣一種不客觀的理論童漩。因?yàn)樗J(rèn)為客觀世界是獨(dú)立于我們的意識(shí)而存在的弄贿。他說(shuō)怎么可能你去測(cè)一下，結(jié)果對(duì)這個(gè)狀態(tài)會(huì)發(fā)生影響矫膨？

我畫(huà)的這只貓差凹，就是所謂活活加死死這種狀態(tài)期奔，它就屬于量子糾纏態(tài)。這是什么概念危尿？比如說(shuō)我到北京來(lái)能庆，送給饒毅一個(gè)骰子，我事先做好了脚线，他的這個(gè)骰子跟我這個(gè)骰子是糾纏態(tài)搁胆。然后我回到上海去了，我就跟他說(shuō)邮绿，饒毅渠旁，你扔手中的那個(gè)骰子。他扔了好多次船逮，把結(jié)果寫(xiě)下來(lái)顾腊，每次都是隨機(jī)得到1到6里面的某一個(gè)點(diǎn)數(shù)。我就跟他說(shuō)你第一次是多少挖胃，第二次是多少杂靶，我都可以猜得出來(lái)。這樣的現(xiàn)象酱鸭，我們把它叫作遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)吗垮。在2015年，這么一種現(xiàn)象基本在物理角度上被確證了凹髓，只剩一個(gè)很小的漏洞烁登。這個(gè)是我們正在做的一個(gè)研究。

由此蔚舀，我們說(shuō)新的科學(xué)就誕生了《祝現(xiàn)代的物理學(xué)為我們傳統(tǒng)的經(jīng)典信息科學(xué)已經(jīng)奠定了基礎(chǔ)。有了量子的0加1之后赌躺，一些新的東西就誕生了狼牺。例如，可以利用它來(lái)保證原理上的無(wú)條件的安全的通信礼患。如果將來(lái)可以立法是钥，我們可以利用這種手段，保證我們的隱私讶泰。利用這種量子計(jì)算手段咏瑟，它可以算得非常地快，可以有效地揭示復(fù)雜物理體系的規(guī)律痪署。就是說(shuō)，可以把計(jì)算能力和信息安全的兩個(gè)問(wèn)題都比較好地解決兄旬。

具體來(lái)說(shuō)狼犯，比如說(shuō)量子通信余寥，我們可以用量子密鑰分發(fā)。因?yàn)樗遣豢蓮?fù)制的悯森，你去測(cè)就會(huì)被發(fā)現(xiàn)宋舷。所以我們就可以有一種絕對(duì)安全的通訊方式。其實(shí)還有另外一種比較有意思的瓢姻、利用這樣的量子糾纏的概念祝蝠。因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，就只用圖來(lái)表示了幻碱。

比如說(shuō)我在上海的航班延誤了绎狭，但要在幾分鐘之內(nèi)到北京，怎么辦褥傍？我坐飛機(jī)肯定不行了儡嘶，但是如果說(shuō)北京和上海之間我有兩團(tuán)糾纏物質(zhì)的話，我可以對(duì)上海的這個(gè)潘建偉和旁邊這種糾纏物質(zhì)進(jìn)行一種測(cè)量恍风，把它都變成一個(gè)個(gè)糾纏粒子蹦狂，那么你會(huì)得到一組數(shù)，通過(guò)這無(wú)線電臺(tái)可以把它發(fā)射到北京朋贬。到了北京之后凯楔，可以對(duì)這團(tuán)物質(zhì)再做一種所謂的幺正變換，就可以用同樣多的物質(zhì)把它給重構(gòu)出來(lái)锦募。這樣一種過(guò)程啼辣，我們就把它叫作量子世界的筋斗云。

當(dāng)然御滩，要傳送人鸥拧、傳送比較復(fù)雜的客體，還需要比較長(zhǎng)的時(shí)間削解。但是富弦，這樣一種能力就保證了量子信息可以在網(wǎng)絡(luò)里面走來(lái)走去了，這樣就是多體多終端多自由度的量子隱形傳態(tài)氛驮，它能夠構(gòu)成一種分布式的量子信息處理的單元腕柜。其實(shí)我們所謂的計(jì)算機(jī)，也就是信息在這跑來(lái)跑去矫废、處理的過(guò)程盏缤。如果利用這種過(guò)程，我們就可以來(lái)構(gòu)建所謂的量子計(jì)算蓖扑。

因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系唉铜，我只舉一個(gè)例子。比如說(shuō)要求解一個(gè)10的24次方的變量的線性方程組律杠，用目前最快的天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)大概需要100年左右的時(shí)間潭流。而利用萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)竞惋，盡管計(jì)算的頻率比天河2號(hào)要慢1萬(wàn)倍，但它只需要0.01秒就可以把這個(gè)方程給求解出來(lái)灰嫉。所以它可以廣泛地應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)拆宛、金融分析、氣象預(yù)報(bào)讼撒、密碼分析等等浑厚，用途是比較大的。

當(dāng)然根盒，也可以直接用于對(duì)一些物理問(wèn)題的研究钳幅。因?yàn)槲锢韱?wèn)題研究更加直接，它也需要有非常強(qiáng)大的計(jì)算能力郑象。有了這些理論之后我們就可以利用量子通訊贡这，來(lái)構(gòu)建一個(gè)非常好的天地一體化的網(wǎng)絡(luò)，有城域網(wǎng)厂榛、城際網(wǎng)盖矫，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的這種廣域的量子通信，就可以比較好地來(lái)保證我們的網(wǎng)絡(luò)安全击奶。

目前辈双，我們正在做一些事情，比如說(shuō)今年將開(kāi)通北京到上海之間的一個(gè)量子保密通信“京滬干線”柜砾，今年還會(huì)發(fā)射一顆量子衛(wèi)星湃望。量子衛(wèi)星除了做量子通訊之外，還可以來(lái)檢驗(yàn)一下剛才所講到的遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)痰驱。這是我們?cè)诹孔油ㄓ嵎矫鏈?zhǔn)備做的一些相關(guān)的事情证芭。

另外在量子計(jì)算方面，其實(shí)我們覺(jué)得可能還需要一點(diǎn)路要走担映，但是已經(jīng)有一個(gè)比較好的目標(biāo)了废士，大概會(huì)用10年左右的時(shí)間，我們能夠?qū)崿F(xiàn)50個(gè)量子比特的操縱蝇完，它對(duì)某些問(wèn)題的計(jì)算能力大概可以達(dá)到天河2號(hào)的數(shù)千倍左右官硝。

我覺(jué)得，量子計(jì)算在不久的將來(lái)能夠成為現(xiàn)實(shí)短蜕，所以總體上來(lái)講氢架，我們希望通過(guò)對(duì)量子通信、量子計(jì)算的研究朋魔，能夠?yàn)槲覀兾磥?lái)的互聯(lián)網(wǎng)岖研，或者我們?nèi)祟?lèi)的發(fā)展，提供一種更加有效和更加安全的信息交互方式铺厨。

這就是我今天想給大家分享的一些想法缎玫。

本文根據(jù)作者在聽(tīng)道-知識(shí)分子專(zhuān)場(chǎng)的演講整理硬纤，小標(biāo)題為編者所加解滓。

知識(shí)分子赃磨，為更好的智趣生活。