【10月11日,在阿里2017云栖大会上,中国量子力学第一人潘建伟教授发表了“新量子革命和量子计算”主题演讲,潘建伟表示,希望到明年,能实现50个量子比特的操作;未来十年能实现数百个量子比特的操作,在特定领域的计算能力达到目前全世界计算能力的100万倍。

潘建伟讲到,信息技术的发展,很大程度上是量子力学奠定了根本的基础。通过对量子力学理论的观测和应用,催生了第三次产业变革,同时也带来了两个问题:一是随着计算力的提高,信息安全问题就会出现;二是大数据也需要非常强的计算力,把数据里的有效信息提取出来。“提取不出来,就是垃圾,提取出来,就是金子”,他说。

潘建伟在演讲中

“非常有意思的是,量子力学同时为解决这些问题做好了准备,第二次量子信息革命正在加速到来”。潘建伟说,量子信息学将有三方面的应用:第一是利用量子通信提供原理上无条件安全的加密;第二是利用量子计算实现超快的计算能力,一个亿级变量的方程组计算,用现在最快的超级计算机也需要100年,而用量子计算机只需要0.01秒;第三是实现量子精密测量。

“量子计算发展的进程比我想象得要快得多。”潘建伟说,中国科学家已经在实验室实现了目前已知的所有量子算法的验证。

他预计,团队将在今年底发布一台可上网的、基于超导量子比特的量子计算机;希望到明年,能实现50个量子比特的操作;未来十年能实现数百个量子比特的操作。最终,计算能力将超越目前最强大的超级计算机,实现“量子称霸”。实现后可用于很多实用性的研究,例如研究量子退火的机制,实现高效全局的最优搜索,使得指挥交通、理解图像等更加简便、迅速。

2015年7月,阿里云联合中科院成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”,宣布共同开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,研制量子计算机。

2017年5月,中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室等参与研发的中国首个光量子计算机面世。】

以下为现场演讲实录:

首先热烈祝贺达摩院的成立,本来我有一个梦想,我希望在中科大上海研究院也搞一个达摩院,结果这个专利被马云给抢了,我也喜欢看武侠小说。

刚才我在下面听马云演讲的时候,回想起一个景象:十八年之前,如果这么一个人在台上哗哗讲,别人可能认为这个人是疯子,把他赶下台。但是回过头来看,只要有一点理想,疯狂一点,也是不要紧的。

潘建伟在演讲中

我今天讲的题目,是新量子革命和量子计算,二十年之前,当我读了姚期智先生的一些文章的时候,我觉得量子计算的Idea在我有生之年不可能成为现实。但是二十年过去了,我觉得这个新量子革命正在到来,正在发生,而且量子计算它所发展的进程比我想象的要快得多。

其实我们知道,我们人类历史上有两次科学革命,在建立牛顿力学之前,我们用的就是我们的生物能,我们驯养猴子、驯养马、驯养狗,来为我们服务。但到了牛顿力学之后,第一次催生了产业变革,随着瓦特蒸汽机的发现,英国抓住了机会,所以它在十八世纪末崛起成为世界头号强国。

随后也是在牛顿力学框架基础之上,在麦克斯韦理论的基础之上,有了电力产业的变革,德国和美国先后抓住机会,在十九世纪中和二十世纪初成为世界工业强国。随着上一个世纪初量子力学、信息技术的发展,催生了以信息技术为代表的第三次产业变革,在这个过程中,日本抓住了机会,也变成了工业强国。

今天我们使用的信息技术,很大程度上都是由量子力学奠定的基础:原子弹的研制,催生了现代意义上通用计算机的诞生;当时西欧核子中心,很多数据需要传到全世界各地,形成了今天的互联网雏形,当时提出互联网雏形概念的物理学家,今年也得到了图灵奖,物理学家有时候也可以成为信息学家。为了对相对论进行检验,物理学家构建了原子钟,地上放个原子钟,天上放个原子钟,过一段时间,时间不一样了,正是把相对论和原子钟放在一起,构建了今天GPS的基础。

正是通过对量子力学的被动观测和引用,催生第三次产业革命,以信息技术革命为代表。目前信息技术发展,遇到两个比较严重的问题,第一个是安全性的问题。比如说给我打电话,我希望马云给我打电话,而不是讯飞模仿马云给我打电话,我们可以用加密算法保证给我打电话的这个人是马云。

另外打电话的过程当中,信息不想被别人知道,需要进行加密来保证我的信息不会泄露;同时在数字签名的帮助之下,我可以发现马云给我讲的这个话到底有没有被别人篡改过,以至于他讲的话是不是他的本意等等。这一切都是需要有加密算法,这是基石。

非常不幸的是,目前在我这里显示的这些,所依赖的加密算法,原则上都可以破解的。比如说RSA512(公钥加密算法——观察者网注),1999年被破解了;RSA768,2009年被破解了;2017年2月,Google破解了广泛应用的文件数字证书当中的SHA+1算法。我们的信息安全瓶颈日益凸现,平时在用的时候感觉不到,但是遇到恶意攻击的时候,这个问题必须解决。

另外一个问题,大数据需要有强大的计算能力,把数据里面有效的信息提取出来。如果数据里面信息提取不出来,数据就是垃圾,提取出来,就是金子。目前全世界的计算能力还是非常有限的,尽管我们说每个人手机上的计算能力都已经跟当年美国登月计划里面所用到的计算能力一样。但我们全世界计算能力加起来,用一个数字表示就是2的80次方左右。

根据摩尔定律,晶体管尺寸逐渐到达纳米量级以后,已经很难发展了,所以在这种基础的情况下,量子效应将起到一个主导作用。原先晶体管的电路原理将不再适用,所以基于原来的摩尔定律,把晶体管做的越来越小,集成度做的越来越高这条路径就慢慢不行了,但需求却仍然在增长。

量子力学催生了第三次产业变革,但是目前它又为了解决这些重大的瓶颈问题,已经做好了准备,这就是说我们量子力学本身正在孕育着新的一次革命。具体来说,比如在我们每天生活的世界里面,一只猫只能处于死和活两个状态里面的某一个,我们可以用这两个状态来加载0和1一个比特的信息,但是到量子世界里面,这个猫不去看它的话,它甚至可以处于死和活的状态的叠加,这个就是中国太极图里面阴中有阳,阳中有阴。不是说要么对的要么错的,黑中有白,白中有黑。有两只猫的话,就是相当于产生纠缠的概念,两只猫处于纠缠态,不管这两只猫相距离多么遥远,那么扔的这个筛子的结果,都是一样的,这个要是遥远距离的轨迹的互动。

把这个问题进行检验之后,慢慢我们掌握了一个能力,一个量子拿出来,产生纠缠,进行操纵,催生以量子信息技术为代表的第二次量子技术革命,我们做一个类比,从前对于量子规律的被动观测,取得了巨大成就。好像我们从前知道种瓜得瓜、种豆得豆,利用这些规律去种粮食,去做事情,你也知道老鼠的孩子会打洞,龙生龙,凤生凤。但是到基因学的时候,到基因序列知道你为什么个子比较矮,为什么他个子比较高,为什么他会得这个病,从分子学层面有它的微观基础。到了量子时代也是这样,一旦我们对于量子进行主动操纵的时候,量子力学就诞生了。

利用量子通讯,我们可以提供一种原理上无条件安全的加密手段,利用量子计算,我们可以利用一种超快的计算能力,这是跟传统计算有非常大的区别。我们也可以提供一种非常好的精密测量的这么一个手段。

在这里我可以举一个例子,我们说一个比特在经典世界只能处于0和1,在量子世界可以0+1,但是这个数很大的时候,到了100以后,就可以2的100次方了,这个数字就变得非常大了。

大家可能听说过一个故事,当年国际象棋发明者,他发明出来之后,当时的国王非常高兴,他说我要给你奖励,他说国王,我要奖励很简单,在第一个格子放一粒米,第二个格子放两粒米,第三个格子放四粒米,六十四个格子是2的64次方,已经当时全世界所有存量的总和了。

求解10的24次方变量的方程组,用“太湖之光”需要100年左右计算时间,但用万亿次的量子计算机大概只需0.01秒。

当年在911事件发生之后,中情局记录了那些恐怖分子所有说话的声音、所有的记录但是如果要提取一百年时间,就没有意义了。但是如果提取时间提高到0.01,就有价值了。

在国际上其实有一个非常严肃的、激烈的竞争,去年的MIT,专门发布了一个新闻,来评论Google和IBM开展量子计算研究方面的评述,那么今天我刚刚也了解到英特尔宣布他们发布了17个量子比特的芯片,当我们达到50个量子比特的时候,就能够实现量子称霸,可以超过世界上任何传统计算机,能够解决任何传统计算机解决不了的问题。

我认为这个时代应该是十五年之后到来,今天我们稍后可能有一个计划,会跟阿里一起合作,依靠中科院阿里巴巴量子计算实验室,我们希望这个时代能够尽快到来,也许到明年,我们就能够实现这一个相关的目标。

这一块我们中国的学者是做得比较早的,其实在以往的工作当中,中国的学者已经在实验室里面实现了所有几乎目前所知道的量子算法的验证。通过将近二十年的努力,我们今年取得了比较好的进展,前一阵子我们的联合实验室发布首次能够超越早期经典计算机的可编程的光量的计算,在这个方面,我们会继续往前推进。

到明年实现50个比特的操纵之后,我们可以做有实用意义的一些东西了。比如说我可以指挥交通,也可以优化网络,优化治疗,理解图像和视频等等,它有这一些相关的应用。我们希望能以这样的方式来培养行业生态,推动量子计算的产业化。

我们希望通过五到十年左右的努力,能够实现数百个量子比特的相关操纵,这里我画了一个图,如果能够实现对100个比特的相关操纵的时候,对某些特殊问题的求解能力,是目前全世界所有计算能力的总和的100万倍左右。届时我们将可以用这种方式非常快的解决一些高温超导、惯性约束核聚变和高效氮固化等机制的重大问题。

刚才大家讲到,目前的人工智能、传统的计算是不可能来解决意识是怎么产生的问题,我在此引用2011年《新科学家》的文章,或许量子力学就是跟我们意识的产生连接在一起的。所以通过对量子力学的研究,也许可以回答刚才马老师所讲的,为什么传统人工智能是没有智慧的,我们希望对这个问题能够提供一些有意义的解答,谢谢。

来源:观察者