专访潘建伟：构建量子互联网｜NSR专栏

潘建伟。学分：潘建伟

由菲利普鲍尔撰写

翻译 | 李利民

校对 | 段兆臣

自 20 世纪初成立以来，量子力学似乎一直是物理学的一个独特的、未被察觉的分支，它解释了物质（如原子、光子和亚原子粒子）在最微观尺度上的行为。然而，在人类社会的所有工程实践中，经典物理定律起着主导作用，所有物体都有其确定的位置、轨迹和属性。

然而，在过去的几十年里，科学家们已经开始将量子定律应用于实际科学技术。1985 年，物理学家 Richard Feynman 提出使用量子定律的计算机可以具有超越现有常规计算机的计算能力。几乎在同一时间，研究人员还表明，以量子态编码的信息可以以加密方式从发送者传递到接收者，这种加密方式无法在不被察觉的情况下被截获或读取。现在，量子计算机和量子密码学已经成为现实世界中量子信息技术的核心部分，可能很快就会在科学、工业和社会中得到应用。

随着具有量子信息处理能力的全球信息互联网，即量子互联网的推出，这些应用将越来越有可能成为现实。在这一研究领域，中国走在前列，中国科学技术大学教授潘建伟院士是重要的科学带头人之一。潘建伟师从量子信息领域先驱Anton Zeilinger，获得博士学位。在维也纳，并将这项新兴技术带回中国。2012年，潘建伟获得国际量子通信奖；2017年入选《自然》杂志“十大科学人物”之一；传送”。

美国国家科学评论（NSR）近日对潘建伟院士进行了专访，探讨了他的研究成果和量子信息技术的发展前景。

什么是量子互联网？

“量子隐形传态是一种将未知量子态从一个粒子长距离转移到另一个粒子的方法，而无需转移粒子本身。”

NSR：量子互联网已经成为一个流行的概念，这意味着什么？

潘：众所周知，互联网是一个全球性的经典信息传输、处理和存储系统。量子互联网可以以同样的方式传输、处理和存储量子信息。量子互联网的第一个实际任务是以无条件安全的方式在全球共享密钥（即，量子信息是完全防篡改的）。量子比特和量子纠缠（量子比特相互连接的状态）将是量子互联网的基础资源。该系统将支持众多量子信息任务，包括任意节点之间的量子隐形传态、分布式量子计算和高精度量子测量。

NSR：量子互联网将使用哪些量子物理学原理？

潘：建立量子信息论的基本原理是量子叠加。量子叠加允许一个量子位不仅表现出传统的位状态 0 或 1，而且还表现出任何其他中间状态。传统上，一个比特要么处于 0 或 1 的状态，但在量子世界中，量子比特可以处于 0+1 的叠加态，或者同时处于 0 和 1 的其他不同组合。一个基本原则是，没有任何一次测量可以揭示有关未知量子比特的所有信息。这导致了量子不可克隆定理，该定理指出无法精确复制未知的量子状态。当一个量子系统由两个或多个量子比特组成时，量子叠加就变成了量子纠缠，这使得状态空间呈指数增长。

量子隐形传态是一种将未知量子态从一个粒子长距离转移到另一个粒子的方法，而无需转移粒子本身。假设，有一对量子纠缠粒子a和b在A和B两个位置之间交换信息。接下来，有一个未知的量子比特c需要从A点传递到B点。达到目的转移，我们在A点联合测量粒子a和c，然后根据联合测量的结果对粒子b进行相应的操作。这样，未知信息在粒子 c 处被“破坏”并“传递”给粒子 b。但是，要读取在 B 点接收到的信息，首先需要获取在 A 点测量粒子 a 和 c 后获得的信息。这种量子信息只能通过传统方式以不超过光速的速度传输。换句话说，虽然量子纠缠的崩溃，即粒子 c 状态向粒子 b 的转移是瞬间发生的，但量子隐形传态不能以超过光速的速度传递信息。

量子互联网的组成部分

“我们相信可以在未来几十年内建造出实用的量子计算机。”

NSR：量子互联网需要哪些主要技术？现有的光纤和卫星结构能否支持这项技术？还需要哪些其他基础设施？

潘：通常情况下，一个量子互联网将由可以处理和存储量子信息的节点和传输量子信息的通道组成。这些节点很复杂，并且高度依赖于它们的实际用例。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，量子京沪干线网络已经建成并投入使用。QKD 终端必须能够生成、操纵和测量单个光子。

传递量子比特（形成“飞行比特”）的最佳粒子是光子。光子学的最大优势是激光通信现在已经相当成熟，并且有大量的光学基础设施在使用中——所以你是对的，现有的光纤通道确实可以工作。然而，应用于量子互联网需要对这些电路进行巨大的调整，尤其是对于单个节点。卫星很难调谐，我们还需要发射新的卫星[委托进行量子通信和处理]。在某些情况下，可以将量子有效载荷添加到现有的计划卫星中，例如 GPS 卫星或欧洲伽利略卫星。

NSR：使用量子规则对信息进行编码主要是为了让互联网通信更安全，还是有其他好处？

潘：短期目标确实是让通信更安全。但量子信息可以做得更多。我们相信在未来几十年内可以建造出实用的量子计算机。通过量子互联网，量子云计算将成为未来的基础资源。

NSR：到目前为止取得了什么成就？未来还有哪些重要目标需要实现？

潘：我们已经建成了量子安全通信的京沪干线。作为全球首条长距离量子保密通信线路，该线路于2017年9月投入使用。这条城际量子通信线路连接北京、济南、合肥、上海，全长2000余公里，由32个中继站组成. 通过这条线路，数据可以在信息论安全的情况下传输。正在规划更多的骨干网和城域网。我们还于 2016 年 8 月 16 日发射了第一颗量子科学卫星“墨子号”。我们在“墨子号”与中国北京、德令哈、中国南山、奥地利格拉茨和西班牙特内里费等多个地面站之间进行了量子密钥分发。其他。我们还借助京沪干线和墨子号实现了洲际量子密钥分发。将发射越来越多的卫星，形成全球网络。

量子互联网是工程问题吗？

“我们甚至对基本的量子叠加现象都没有完全了解。”

NSR：我们现在对量子互联网背后的原理有了完整的了解吗？量子互联网的建设是否还需要量子物理领域的更多新发现，还是已经只是一个工程问题？

潘：我们甚至对基本的量子叠加现象都没有一个完整的认识。然而，这并不妨碍人们将现有的量子力学领域知识应用到实际应用中。量子密钥分发网络的构建接近于工程问题，但尽管如此，在这个相对成熟的领域中，新的概念将不断涌现。至于未来的技术，比如量子计算，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。我认为这就是科学的魔力。

NSR：量子网络和量子计算机之间是否存在联系，或者它们是完全分开的？例如，基于量子的通信系统会让分布式量子计算成为现实吗？

潘：是的，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。量子计算机的建造成本很高，至少在早期，它只能通过量子互联网提供公共服务。在这种场景下，用户可以通过量子互联网连接到一台量子计算机，通过传递量子比特来上传任务和下载结果。这就是量子云计算的概念。

量子互联网的国际竞赛

“我会不遗余力地推荐聪明的年轻学者进入这个领域。”

NSR：国际对量子互联网的投资是什么？国家之间有合作的必要吗？世界上主要的研究中心有哪些？

潘：量子互联网包含了很多理论和技术。从建设保证全球安全通信的量子互联网的短期目标出发，需要考虑现有实用设备的不足。我们需要更好的协议来最大程度地减少工程缺陷。我们需要更实惠、更优质的设备，以增强现有性能并能在极端环境中使用。我们希望量子信道分布广泛且易于使用，包括光纤和卫星。我很难想象在没有国际合作的情况下，有哪个国家能够独自应对这些挑战。我们在中国有一支优秀的团队，在世界各地也有很多优秀的团队。已经有很好的国际合作来克服这些问题。

NSR：中国在这一领域处于领先地位。从未来经济、金融、商业等增长领域来看，中国政府现在是否认为这项技术是一项特别重要的技术？

潘：是的，我们得到了中国政府的大力支持。正如我之前所说，我们已经建成并投入使用京沪干线网络，正在银行、证券、保险等实践领域进行试点。超过 150 个用户正在使用此中继线进行安全消息传递。同样如我之前所说量子密码学的基础是，我们已经发射了第一颗量子科学卫星“墨子号”。

NSR：您认为该领域在 20 年后会发展到何种程度？

潘：未来量子密钥分发的成本会大幅下降。用于量子密钥分发的设备将更加小型化，也将适合个人使用。量子密钥分发将成为一种通用的加密技术，广泛应用于日常生活。量子计算机和量子模拟器将被建造并用作特定任务的公共服务，就像现在的超级计算机一样。到那时，我认为可以分解巨大数字（比如 2048 位）的通用（多用途）量子计算机可能仍然不存在，但我们会知道这样的通用量子计算机会是什么样子量子密码学的基础是，也会知道为了实现这个目标，需要解决哪些问题。

NSR：是谁或者是什么让你进入了这个研究领域？您会推荐年轻学者进入这个领域吗？

潘：与量子力学相关的基础研究和可能的实际应用是非常重要的课题。我进入这个领域的最初动机是，作为一名实验科学家，我想对量子力学定律进行基本测试，以了解量子力学与经典物理学的不同之处和原因。然而，我也对可能极大影响我们生活的量子力学可能的实际应用感兴趣。互联网的发明将人类带入了信息时代，量子互联网将提供另一个可以真正改变世界的机会。它可以带来一场技术革命。我会不遗余力地推荐聪明的年轻学者进入这个领域。