潘建伟：探讨他的研究成果以及量子信息科技的发展前景

1985年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）认为，受量子力学规则支配的计算机可能能够超越当今使用的经典计算机。在同一时间，其他研究人员表明，量子态编码的信息可以使用一种加密方式在发送方和接收方之间传输，这种加密如果没有被检测到就无法被截获和读取。

现在，量子计算机和量子密码学已经成为现实世界量子信息技术的核心组成部分，可能很快就会应用到科学、工业和社会等领域之中。

随着以量子为核心力量的的全球信息网络——量子互联网的出现，这些应用将越来越可能实现。中国处于该领域的最前沿，这些成就的铸造者之一正是中国科技大学教授潘建伟。作为量子信息领域的引领者，潘建伟教授师从量子信息领域的开拓者安东·塞林格（Anton Zeilinger），在维也纳大学获得博士学位之后，将这一新兴技术带回了中国。并于2012年获得国际量子通信奖；2017年入选《自然》年度“十大科学人物”；同年7月，潘建伟和他的团队实现了从地面基站到距离1400千米的卫星的“量子隐形传态”。

《国家科学评论》（National Science Review, NSR）近日对潘建伟院士进行专访，探讨了他的研究成果以及量子信息科技的发展前景。

采访全文如下：

量子互联网究竟是什么

NSR：量子互联网的概念正在走向大众，但它究竟意味着什么？

潘：我们知道，互联网是一个用于传输、处理和存储经典信息的全球性系统。量子互联网同样如此，只是它处理的是量子信息。量子互联网首先要面对的实际任务是在无条件安全的情况下实现全球性的密钥共享（也就是说，量子信息是完全防篡改的）。量子比特和量子纠缠（量子比特互相关联的状态）将是量子互联网的基本资源。在该系统中可以实现各种量子信息任务，包括任一节点之间的信息量子隐形传态，分布式量子计算和高精度量子计量。

NSR：量子互联网使用的量子物理学的基本原理是什么？

潘：量子信息理论建立的基本原理是量子叠加。量子叠加让一个量子比特不仅能够表现出0或1的传统比特状态，也能够呈现出其他任意中间状态。

经典物理中，一个比特只能处于状态0或1。但是在量子世界中，量子比特可以是0 + 1的叠加态，也可以是同时为0和1的其他不同组合状态。

量子世界中一个基本原理是，没有一个单一的测量方法能够揭示一个未知量子比特的所有信息。这也就引出了量子不可克隆定理，它定义了一个未知量子态不能被精确复制。当量子系统由两个或更多个量子比特组成时，量子叠加就成为了量子纠缠，并使得状态空间呈指数级增长。不确定性原理和不可克隆定理是量子通信和量子计算的基石，也是量子互联网的基石。

而量子隐形传态是一种将未知量子态从一个粒子转移到另一个粒子的方法，而这一过程并不需要发送原始粒子本身。假设存在一对纠缠的粒子，a和b，在位置A和B之间交换信息。接着，一个未知的量子比特c需要从A转移到B。为了实现远距传送，在A处我们对a和c进行集体测量，并根据测量的结果对粒子b进行相应操作。

此时，未知信息将在c中被“销毁”并被“传送”到b。但是如果要在B处接收到信息，则需要获得A处a+c测量获得的信息。这一量子信息只能通过传统方式进行传递，速度不能超过光速。换句话说，尽管量子纠缠的坍缩，也就是将粒子c的状态传递到粒子b上是即时发生的，但量子隐形传态依然不能以超光速递信息。

如何才能实现量子互联网

NSR：量子互联网（的构建）需要哪些主要技术？现有的光纤和卫星等基础设施能否支持它，还是需要新的基础设施？

潘：一般来说，量子互联网将由处理和存储量子信息的节点以及传输量子信息的信道组成。节点不仅复杂而且高度依赖于实际应用场景。例如，量子密钥分发（QKD）是量子信息的第一个实际应用。在中国，京沪骨干网已经建成并投入使用。一个QKD终端必须能够产生，操纵和测量单个光子。

用于传输量子比特（飞行量子比特）的最佳粒子是光子。光子最大的优势在于，现在的激光通信已经相当成熟并已有很多光学基础设施能够投入使用——因此你说的对，确实可以使用现有的光纤通道。然而，量子互联网仍然需要进行大的修改，特别是在节点上。由于卫星极难修改，我们认为新的卫星是必要的（调试后用于量子通信和处理）。也有部分案例表明，量子载荷可以加入到现有已规划的卫星上，比如说GPS卫星或欧洲伽利略卫星等。

NSR：使用量子规则编码信息，主要是为了让互联网通信更加安全，还是有其他的好处？

潘：近期目标确实是为了使电信网络更加安全。但量子信息可以做得更多。我们相信实用的量子计算机可以在几十年内建成。而通过量子互联网，量子云计算将成为未来的基本资源。

NSR：到目前为止取得了哪些成就，以及未来的里程碑是什么？

潘：我们已经建成了量子安全通信京沪干线。作为世界上第一条长距离量子保障通信线路，它于2017年9月29日投入使用。这条城际量子通信线路长达2000公里，连接了北京、济南、合肥和上海，由32个中继站共同构建而成。在京沪干线中，数据通过量子信息网络在保证信息理论安全的情况下传输，目前（中国）正在规划和建设更多的骨干和城域网络。

我们还在2016年8月16日发射了第一颗量子科学卫星“墨子号”，并且在墨子号和多个地面站之间进行了QKD实验。这些地面站位于中国的北京、德令哈、南山，以及奥地利的格拉茨和西班牙的特内里费等。我们还同时借助京沪干线和墨子号，实现了洲际量子密钥分发。（未来）越来越多的卫星将发射并组成一个全球性网络。

潘建伟：未来的量子互联网可能与我们现在想象的完全不同

量子互联网存在什么问题

NSR：我们是否已经充分了解量子互联网背后的原理，使其“只是”工程问题？或者您认为我们可能会发现量子物理学为信息技术带来的新事物，就像我们已经用于加密和计算的方式一样？

潘：即使是量子叠加的基本现象背后的原理，我们也还没有完全理解。然而，这并没有妨碍我们将已有的量子力学只是投入到实际应用中。这些努力使得构建QKD网络看起来像是一个工程项目。然而，即使在这个相对成熟的领域，新概念仍在不断涌现。对于量子计算等未来技术，我们仍然知之甚少。未来的量子互联网可能与我们现在想象的完全不同。我认为这是科学的魔力。

NSR：量子互联网是否必然与量子计算机的发展有任何联系，还是完全分开？会有一个基于量子的通信系统让分布式量子计算变成现实吗？

潘：是的，它会的。我相信量子计算机将成为量子互联网的重要组成部分。由于其高昂的建设成本，至少在早期阶段，量子计算机将是昂贵的资源，因此人们将仅通过量子互联网提供公共服务。在这种情况下，用户将通过量子互联网访问云量子计算机，上传任务并通过传输量子比特下载结果，这就是量子云计算的概念。

量子互联网的现状与未来

NSR：国际上在开发量子互联网方面正在进行哪些投资？它需要跨国合作吗？国际上主要的研究中心在哪里？

潘：量子互联网涉及许多理论和技术。对于为全球安全通信建立量子互联网的短期目标，我们将不得不考虑现实设备的不完善之处。不仅需要更好的协议来最小化工程缺陷的影响；还需要更便宜、更好的设备，以提高性能，使其在极端环境中保持工作；更需要广泛分布且易于使用的包括光纤和卫星链路在内的量子信道。我无法想象没有国际合作，任何国家应当如何独自应对这些挑战。在中国，我们有一支优秀的团队，世界各地也都有各自很好的团队。在一些问题上已经形成了很好的国际合作。

NSR：中国一直是这一领域的领导者。中国政府是否认为这项技术对于未来经济，金融，商业等方面的增长至关重要？

潘：是的，我们得到了中国政府的大力支持。正如我上面提到的，我们目前已经建立了京沪主干网络，并逐步投入使用，正在银行、证券和保险等实际领域开展试用。超过150个用户正在使用这一干线进行安全信息传输。也正如我之前说过的，我们已经发射了第一颗量子科学卫星“墨子号”。

NSR：您认为这项技术在20年后会走到何种地步？

潘： 未来，QKD的成本将急剧降低。QKD设备将小型化，更适合个人使用。QKD也将作为一种常用的加密技术，广泛应用于日常生活中。量子计算机或量子模拟器将作为公共服务构建和运行，就像今天的超级计算机一样处理某些特定问题。在那时，我认为能对巨大数字，比如2048比特进行因式分解的通用（多用途的）量子计算机可能仍不存在，但我们将知道这样一台通用量子计算机会是什么样的，而且也会知道为了实现这一目标需要解决哪些问题。

NSR：是谁或者什么激励着您进入这个领域？您会推荐年轻的研究人员进入这样一个领域吗？

潘：我认为量子力学的基础研究和可能的实际应用都是非常重要的问题。就个人而言，我成为实验物理学家的最初动机是对量子力学的基本定律进行测探究的渴望，我想要知道它与经典物理学的区别以及背后的原因是什么。

然而，可能的量子力学实际应用也深深吸引了我，因为它们将能够极大地影响我们的生活。互联网的发明将人类带入信息时代，量子互联网则将提供另一个能够真正改变世界的机会。它能够带来新的科技革命。而我将不遗余力地推荐聪慧的年轻学者进入这一领域。