引言：
近日，中國發生的“大事”，就是近期成功被中國的科學家們送上太空的全世界首個“量子科學實驗衛星”——名曰：“墨子”。讓我們來聽聽首席科學家潘建偉的一篇講演。
《西游記》里的“千里眼”、“順風耳”，在某種意義上早已被現今的電視和電話實現了。而“天上一日、地上一年”的神話也被相對論所否認，再者，孫悟空的分身術和筋斗云，我們如今能不能實現呢？
1月16日，由上海聽道與“知識分子”聯合舉行的聽道講堂－知識分子專場上，剛才獲得2015年度國家自然科學獎銀獎的中國科學技術學院院長潘建偉，帶來了有關量子通信與信息安全的精彩講演。
講演|潘建偉（中國科大學教授）
視頻制做|天津聽道
視頻校對|鄧志英
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我明天報告的題目叫作“神話、哲學、互聯網與人類未來”。前陣子，我剛好在周莊，就出席了互聯網會議。在會議中，我突然有如此一個理解，或許在古時侯同時期存在著兩種人屬，一種叫碩壯人，一種叫直立人，她們相互之間可能也會有些聯系。碩壯人早已開始使用工具了，但是他的腦容量也挺大。直立人相對沒有碩壯人這么健壯，而且她們發明了符號與基本的語言，可以挺好地交流，分享一些信息，正由于這個緣由，經過漸漸地進化，他就成為了我們現代人的先祖。
所以某種意義上講，那種時侯就早已有一種信息的交互。假如我們不太較真的話，可以把它稱作一種互聯網的雛型。根據我的理解，正是由于有這樣的信息的交互、有相互協同，在直立人的進化過程中起到了關鍵的作用。
關于互聯網的將來，仍然以來有一個十分重要的話題，就是所謂的隱私保護。有了隱私的保護，我們就能保證思想的自由和思想的多樣性，能夠百家爭鳴，例如像雅典大學等等，才能產生各類各樣的創新。所以我認為在人類文明進化的過程當中，有兩方面信息的交互很重要：人類相互交流想像顯得越來越豐富量子通訊的原理，同時每一個人都要作為一個主體，有獨立思索的能力。有這兩方面的緣由，我們人才能自由地創造。
神話傳說的化學實現
《西游記》里面有好多很有趣的概念。第一個就是“天上一日、地上一年”，告訴我們，天上的神仙時間會過得慢一點，她們活得時間會長一點，而地上的時間會過得比較快。有兩個很有名的神仙，叫順風耳、千里眼，發生在很遙遠的地方的事情她們才能看到，也才能看見。
其實可能你們都讀過這本書，其中最吸引人的就是美猴王。孫悟空有一個功能就是分身術，毫毛一拔，四處一扔，就變出很多個孫悟空。他還有另外一種十分強悍的功能——筋斗云。翻一個筋斗，就可以從一個地方消失，在另一個極其遙遠的地方出現。這有點像我們前陣子見到的懸疑連續劇《星際穿越》里面的場景。
所以你們就問了，那些東西在我們現實生活當中究竟能不能實現？你們都曉得，得益于電動熱學的完善，我們能進行無線電的通訊。在1888年，赫茲在卡爾斯魯厄——德國的小鎮，做了一個實驗來驗證電磁波是不是存在。在圖的左邊，有一個小線圈在發抖，當線圈通電以后，在很遙遠的地方，按道理應當發生電火花。但由于他這兩個實驗室原本是在兩個不同的臥室，所以他搖完之后趕快挪到對門臥室看，哪些也沒有看見。好多年前我到這個地方去看過。赫茲后來把這個墻拿掉了，那邊一抖，那兒即時的電火花就發生了，由于無線電波以光速傳遞，跑得太快了，他如何跑還是跑不過這個無線電。正由于有這種發明，后來有了電話，有了電視機，到如今我們用的手機，都可以現場實現千里眼、順風耳如此神奇的功能了。所以我說，化學學真的特別有意思，它可以保證信息的有效傳輸。
剛剛雙南院士早已提到相對論。狹義相對論和廣義相對論都告訴了我們確實存在某種特殊的情況，有些地方時間過得慢一點，有的地方時間就過得快一點。例如在一個引力非常強的地方，一個小時甚至等于一個好遠的地方的三年等等。這兒可以舉個反例，雙生子佯謬的問題。假如說有對雙雙胞胎兄弟，有一個是宇航員，坐著宇宙飛船在宇宙中進行快速的旅行。等他回去以后，他這個雙生的兄弟，早已顯得很老了。這樣的現象，在化學世界、在高速飛行的粒子上面，早已能看見了。所以說確實也是可以實現的。
信息交互的未來挑戰
因而我產生了這樣一種觀點：我們在唐代早些時侯有語言，通過口口相傳，進行信息的傳遞、交互和共享。隨即我們有了文字，也可以通過書本的傳遞，千里傳書來傳遞信息。到了后來，隨著科技的發展，第一次工業革命熱力學的發覺，此后電動熱學的運用，我們信息的傳遞效率和交互效率就顯得越來越高了。到了現代，由于有計算機和互聯網的出現，雖然整個月球都弄成一個村莊了。所以說，信息的交互十分重要。
有兩個永恒主題將始終伴隨著我們人類進化和社會發展：首先，如何來強化信息交互的效率，把信息中有用的知識提取下來，進行傳播、共享？這是十分重要的。同時，要強化隱私的保護，來保證每位人思想的自由。例如說，假如我如今可以十分便捷地看見饒毅如今在想哪些，我可以控制他的思想的話，我們每位人都不可能進行自由的創造了。所以我認為，信息有效的交互和隱私的保護是我們人類未來的一個基本保證。倘若這三者都沒有的話，那我們就沒辦法繼續進化下去了。
信息科技的進一步發展，目前面臨好多重大的問題：隨著半導體晶體管的規格接近納米量級，電子的運動規律就不再遵循精典數學學的規律了。并且目前所謂的超級計算機煤耗是巨大的，所以你們常常問：我們怎么來發展未來的計算機，能挺好地解決人類對估算能力的無限需求？這是第一個問題。與此同時，我們確實由于面臨各類各樣的問題：信息終端、服務器、傳輸的網路都有各類各樣的安全問題，存在著監聽和種種的黑客功擊。
有一種解決方式，就是可以對超級計算機進行加密，但隨著估算能力的降低，原先這些特別有效的加密算法也都早已被破解了。如此一來，你們都希望就能完善下一代的標準密碼。但十分不幸的是，這種標準密碼還沒投入使用，又被發覺是不安全的了。你們可能還沒有直接遭到過損害，其實網路犯罪每年給全球帶來了大量的經濟損失，愈發不用說由于種種可能的其他緣由，另外導致一些損失。
量子世界的“分身術”和“筋斗云”
我明天想跟你們分享的第二個觀點，就是量子熱學在近百年的發展過程當中早已為解決這種重大的問題做好了打算。
具體來說，第一個就是要適當借助量子世界的分身術。這得益于上個世紀的一些化學學家構建的量子熱學。在日常生活當中，我要么在廣州作報告，要么在廣州作報告，我不可能同時在兩個地方講。這是精典世界告訴我們的：我們某個時間只能在某個地方。但在量子世界，它是十分有意思的，例如作為一個微觀的客體，它除了在這兒，也可以在哪里，同時在很多個地方。
微觀的客體在很多個地方同時存在，這是哪些意思？我舉個反例。例如我從阿姆斯特丹到南京講學，當時太累就睡著了。假定有兩條航線，一條從基輔過來，一條從新加坡過來。美國還十分溫暖，俄羅斯早已十分嚴寒了。到了南京以后，我看到饒毅，他正好到機場來接我。他說建偉，你是從哪條航線過來的？由于坐客機的時侯我睡覺了，沒看我從哪一條航線過來，記得我當時睡醒的時侯，四肢是冷熱交加。可他說你肯定是發生了錯覺，你最好之后坐客機的時侯睜大耳朵，不要睡著。那我就很老實地坐1萬次客機，結果發覺，隨機的5000次我是四肢嚴寒，5000次我是特別地溫暖。我就感覺十分放心了，就可以又睡著了。而且我又做了1萬次實驗，我發覺十分不幸的是，每次只要我睡覺了，睡醒的時侯總是在打擺子，就是冷熱交加。
那為了解釋這樣的現象，在量子熱學上面就說，第一，在個別特殊的情況下，假如說你沒在看這個客體究竟是處于那個位置的時侯，在個別特定情況它可以同時處在兩個位置。第二個又告訴我們，就是量子客體的狀態，你只要輕輕地去觀測一下，對它的影響就不可逆轉了，并且是永久的、不可防止的、不可忽視的。
剛剛雙南也提到，牛頓熱學是一個十分美的理論。它告訴我們一旦一個粒子和這個體系的初始狀態是決定的話，這么所有粒子未來的運動狀態，按照F=ma這個等式我就可以預測下來了。假如我們人的所有的粒子都是由牛頓熱學在控制的話，這么我們明天在這個地方開會、我們哪些時侯死、誰做生命學家、誰做化學學家，在宇宙大爆燃這個時侯就早已確定了。所以個人的努力是毫無意義的。
從這個角度上講，量子熱學比我們精典牛頓熱學哲學，要愈發積極一些。量子熱學告訴我們個人的行為、我這個體系的檢測是可以影響世界的。所以從哲學上講是十分積極的。具體來說，我們可以用粒子的狀態來加載0和1的信息。在一個精典的世界，它只能處于廣州或則上海，只能處于0或則1。到了微觀世界以后，我們可以同時處于0和1的狀態相干疊加。正由于有了這個相干疊加以后，新的定律就發生了。你若對這些狀態去檢測，都會對這些狀態形成不可逆轉的影響。它原本是處于冷熱交加的，你一測它就顯得冷或則熱了。如此一來，量子熱學告訴我們，未知的狀態你是測不準的，這是量子不可克隆定律。
愛因斯坦除了是相對論的構建者，同時也是量子熱學構建者之一。他就十分不喜歡這樣一種不客觀的理論。由于他覺得客觀世界是獨立于我們的意識而存在的。他說如何可能你去測一下，結果對這個狀態會發生影響？
我畫的這只貓，就是所謂活活加死死這些狀態，它就屬于量子糾纏態。這是哪些概念？例如說我到上海來，獻給饒毅一個色子，我事先做好了，他的這個色子跟我這個色子是糾纏態。之后我回到北京去了，我就跟他說，饒毅，你扔手中的那種色子。他扔了好多次，把結果寫出來，每次都是隨機得到1到6上面的某一個點數。我就跟他說你第一次是多少，第二次是多少，我都可以猜得下來。這樣的現象，我們把它叫作遙遠地點之間的奇特互動。在2015年，那么一種現象基本在化學角度上被確證了，只剩一個很小的漏洞。這個是我們正在做的一個研究。
由此，我們說新的科學就誕生了。現代的化學學為我們傳統的精典信息科學早已奠定了基礎。有了量子的0加1以后，一些新的東西就誕生了。諸如，可以借助它來保證原理上的無條件的安全的通訊。假如將來可以立法，我們可以借助這些手段，保證我們的隱私。借助這些量子估算手段，它可以算得十分地快，可以有效地闡明復雜數學體系的規律。就是說，可以把估算能力和信息安全的兩個問題都比較好地解決。
具體來說，例如說量子通訊，我們可以用量子秘鑰分發。由于它是不可復制的，你去測都會被發覺。所以我們就可以有一種絕對安全的通信方法。雖然還有另外一種比較有意思的、利用這樣的量子糾纏的概念。由于時間關系，就只用圖來表示了。
例如說我在北京的班機延誤了，但要在幾分鐘之內到上海，如何辦？我坐客機肯定不行了，而且假如說上海和南京之間我有兩團糾纏物質的話，我可以對北京的這個潘建偉和后面這些糾纏物質進行一種檢測，把它都弄成一個個糾纏粒子，這么你會得到一組數，通過這無線電臺可以把它發射到南京。到了上海以后，可以對這團物質再做一種所謂的幺正變換，就可以用同樣多的物質把它給構建下來。這樣一種過程，我們就把它叫作量子世界的筋斗云。
其實，要傳送人、傳送比較復雜的客體，還須要比較長的時間。并且，這樣一種能力就保證了量子信息可以在網路上面走來走去了，這樣就是多體多終端多自由度的量子隱型傳態，它還能構成一種分布式的量子信息處理的單元。雖然我們所謂的計算機，也就是信息在這跑來跑去、處理的過程。假如借助這些過程，我們就可以來建立所謂的量子估算。
由于時間關系，我只舉一個反例。例如說要求解一個10的24次方的變量的線性多項式組，用目前最快的海珠2號超級計算機大約須要100年左右的時間。而借助萬億次的量子計算機，雖然估算的頻度比海珠2號要慢1萬倍，但它只須要0.01秒就可以把這個等式給求解下來。所以它可以廣泛地應用于抗生素設計、金融剖析、氣象預報、密碼剖析等等，用途是比較大的。
其實，也可以直接用于對一些數學問題的研究。由于數學問題研究愈發直接，它也須要有十分強悍的估算能力。有了這種理論以后我們就可以借助量子通信，來建立一個特別好的天地一體化的網路，有城域網、城際網，借助衛星實現的這些廣域的量子通訊量子通訊的原理，就可以比較好地來保證我們的網絡安全。
目前，我們正在做一些事情，例如說去年將開通上海到南京之間的一個量子保密通訊“京滬干線”，去年就會發射一顆量子衛星。量子衛星不僅做量子通信之外，還可以來檢驗一下剛剛所提到的遙遠地點之間的奇特互動。這是我們在量子通信方面打算做的一些相關的事情。
另外在量子估算方面，雖然我們認為可能還須要一點路要走，并且早已有一個比較好的目標了，大約會用10年左右的時間，我們就能實現50個量子比特的操縱，它對個別問題的估算能力大約可以達到海珠2號的數千倍左右。
我認為，量子估算在不久的將來才能成為現實，所以總體上來講，我們希望通過對量子通訊、量子估算的研究，才能為我們未來的互聯網，或則我們人類的發展，提供一種愈發有效和愈加安全的信息交互方法。
這就是我明天想給你們分享的一些看法。