潘建偉
2017未來科學大獎頒獎典禮暨未來論壇年會在京舉辦。中國科學技術大學常務副校長，中國科學院院士、中國科協副主席，2017年未來科學大獎物質科學獎獲獎者潘建偉作主題演講。
潘建偉認為，從某種意義上來講，量子力學和牛頓力學有相似和不同之處。牛頓力學或者是經典電動力學均屬決定論，“預測所有的現象是決定的”，但是量子力學告訴世人，如果有觀測者對這個客體進行觀測，會對這個狀態帶來不可避免的影響。所以，人類本身的測量行為會對體系的演化發生根本的影響，這導致首次量子力學介入到了測量的範疇。
“概念的改變，必然會帶來科技或者技術方面的進步”，潘建偉稱，目前處於第三次產業變革，在很大程度上來講都和量子力學緊密相連。例如物理檢驗相對論，這種技術又可用到GPS和導航方面，“所以其實在使用GPS時，我們不僅用到量子力學的技術，甚至把相對論和廣義相對論的技術都用到了相關現實應用中”。
那麼量子力學到底會給人們帶來何等好處？
潘建偉稱，從各個量子力學基礎上根據觀測數據，會發現宇宙可能來自於一個大爆炸的起點，大爆炸過程中，中子的碰撞會產生重金屬，有了重金屬才可能有了幾十億年前生命的出現，“所以說除了帶來信息技術的革命外，量子力學已經能夠初步回答宇宙和人類的起源問題”。
對於量子方面計算成果，潘建偉稱，2012年，首次證明量子計算可以進行。到了2017年五六月份，首次成功實現了一臺可編程的多光子量子計算原型機，首次超越了早前的計算機。此外也實現了十個超導比特的量子芯片。
對於未來，潘建偉提出了三個重點：第一，希望通過五到十年的努力，能夠構成和地面的光纖網絡，最後形成一個廣域量子通訊網絡。第二，發展新一代高效視頻傳輸技術，有了這種技術可以反過來檢驗量子力學。第三，三到五年裡，可以實現一百個量子比特的相關操縱。（韓大鵬）
以下為潘建偉演講全文：
潘建偉：非常高興能夠得到這個肯定，剛才施一公講得非常好，我發現大家做的很多事情都和物理聯繫在一起，在座的每一位對科學感興趣的人有一個共同的動機，我想討論一下探索的動機，這是我今天演講的題目。其實所有的科學內容，某種意義上來講，它都是跟這個話題緊密相連的。我們從哪裡來，我們要到哪裡去？所以這個問題延續了好多好多年，為了回答這個問題的第一種可能性，其實是來自於宗教。那麼，我們知道最早試圖，比較系統的來探索我們從哪裡來，到哪裡去的時候，其實聖經給出了一種可能性，說上帝創造了宇宙，創造了萬物和人類，某種程度上來講，這個聖經是目前為止營銷最好的一個學說，如果叫做學說的話。因為像在聖經裡所講的那樣，我們當時有很多種人，有貴族、平民、奴隸，聖經告訴我們，我們是上帝創造的，無論是貧富，貴賤，黃人，黑人，白種人，都是兄弟，都是上帝的子民。生活困苦的努力很容易接受這個學說，有了這個學說以後我們心理感覺比較幸福，我們都有上帝管著我們，比較安寧。非常不幸的是，隨著我們的科學發展，我們帶來了第一次科學革命。那麼，從哥白尼開始，他寫了天體行論，指出地球不是宇宙的中心後來伽利略用望遠鏡觀測天文的現象，進一步證實了，試驗和數學的方法研究自然的規律，進一步證明了哥白尼日新說的觀點，最後在大量的數據的蒐集獲得了很多的規律，這個基礎上，到了1686年，英國的一位科學家，牛頓寫了一本鉅著叫做自然哲學的數學原理，這裡他告訴我們其實我們所看到的各種各樣的力學現象，最後都可以統一成為一個簡單的共識，F=FA，而且告訴我們有了這個公式以後，加上萬有引力的公式，我們連星辰的都可以計算的。剛才來自於愛丁堡大學的教授也建立了麥斯威爾方程，告訴我們所有光、電磁的現象都可以統一為方程組，這就帶來了人類歷史上第一次科學革命。
當時這樣一個經典物理學，經常會給我們帶來困惑，這個裡面告訴我們，一旦我們體系的初始狀態是事先確定的話，所有的離子的未來運動狀態，都是可以精確預言的，比如說一切事件，包括今天的會議，我到底能不能這個未來科學大獎，其實老早就可以計算出來，已經確定好的，其實個人的努力是毫無意義的。而且牛頓又告訴我們時間是均勻流逝的，無始無終，空間也是均勻的，無限大。這個過程中我們宇宙到底有沒有起源，是不是永遠都是這樣呢？是不是一直這樣下去呢？我們都說不知道，所以經典物理學本身解決了很多的問題，但是，它也帶來了這麼一個困惑。
非常有意思的，到了上一個世紀初，隨著普朗克提出了量子論，統一的微觀世界的規律，愛因斯坦提出了相對論，告訴我們時間和空間相對，這個基礎上我們帶來了第二次科學革命，其中一個最主要的內容是量子力學，量子力學主要是研究微觀世界的科學規律。其實所謂的量子，我們剛剛所講到的，原子、分子、光子都是屬於量子的範疇。什麼是量子呢？量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，但是有一個基本的特徵，是不可分割的。什麼不可分割呢？比如說我們一瓶水，喝到最後剩下成分之一，四分之一，八分之一，最後變成一個一個水分子了，沒有辦法拿刀切一下，變成二分之一，原來的化學就不可成立了，這樣構成物質世界的基本單元和每天的生活有不一樣的性質，我們日常生活中有一隻貓，死或者是活兩個狀態，我可以用這兩個狀態加載一個比特的信息，微觀世界裡面量子力學告訴我們微觀世界的貓同時可以處於死和活狀態的疊加，不僅僅是處於0或者是1，可以0和1狀態的相關疊加，這是量子力學的基本原理，死和活的疊加什麼意思呢，比如說我去法蘭克福旅行，然後來北京獲獎，我中間睡著了，我不知道沿著哪一條路回來的，到了北京以後我在機場醒來了以後我發現我又冷又熱，這是非常奇怪的狀態，我為什麼這個人處於兩個狀態呢？下一次我飛行過程中一直觀測這個路線，我發現我有一半的概率是感到渾身寒冷，從莫斯科回來的，還有一半的概率從新加坡過來的，一萬次的話，五萬次新加坡過來，五萬次莫斯科過來，我不看的話是兩種狀態的疊加，再看它的話是沿著某一種確定的狀態，這種簡單的分析告訴我們，量子客體的狀態會被我們測量所影響，當然大家可能會認為我是胡說八道，我們每天生活中大家經常坐飛機，經常睡覺，從來沒有遇到過這種現象，你這樣講就不對了嗎？量子力學什麼時候會出現這種現象呢？因為平時你在飛機上睡著了，你旁邊的這個人沒有睡著，你旁邊人睡著了，飛行員沒有睡著，飛行員睡著可能空姐沒有睡著，只有宇宙中每一個機器，每一個客體都沒有辦法告訴你你在什麼地方的時候，量子力學告訴我在某一些特定的條件下，他是可以處於這樣的相關疊加的狀態，這個地方的分析告訴我們，量子客體的狀態會被我們的測量所影響，你去看了它，它和原來的狀態不一樣了。
那麼某種意義上來講，量子力學和牛頓力學相比，他們倆有一個非常積極的地方，因為牛頓力學或者是我們經典的電動力學是決定論的，預測所有的現象是決定的，但是量子力學告訴我們，如果有觀測者對這個客體進行觀測的話，會對這個狀態帶來不可避免的影響。所以，我們人類本身的測量行為會對體系的演化發生根本的影響，所以首次量子力學介入到了測量的範疇。
當然，這樣的概念的改變，必然會帶來科技或者技術方面的進步。所以其實我們現在科技為代表的第三次產業變革，在很大程度上來講，都是和量子力學聯繫在一起的。比如說在原子彈過程中為了計算方便發明了現代意義上的通用計算機，把數據很方便的向全世界的學者分發，我們又發明了互聯網的雛形，物理檢驗相對論我們又發展原子的技術，這種技術隨著後來我們又可以用到GPS和導航方面，所以其實在GPS的時候我們不僅用到量子力學的技術，甚至把相對論和廣義相對論的技術都用到了相關現實應用中。
量子力學給我們帶來了好處，比如說信息技術的革命，初步給我們回答了我們宇宙有沒有起源，各個量子力學基礎上我們根據觀測的數據，我們發現我們宇宙可能來自於一個大爆炸的起點，某種意義上，按照目前的力量，宇宙誕生基點的爆炸或者是量子掌握，也就是說我們當時延續的幾千年，幾萬年的問題，終於慢慢的可能加以解答了。這個裡面，大爆炸過程中一秒鐘發生什麼事，三分鐘什麼事，三十萬年有原子的形成，中子的碰撞會產生重金屬，有了重金屬可能才可能到幾十億年之前生命才能出現，所以它已經可以有量子力學的進展以後，除了帶來信息技術的革命之外，已經能夠初步回答一下我們宇宙和人類的起源問題了。當然，就是說有了這些成就以後，我們做量子物理的人，並不是完全滿足於前面的這些成就，愛因斯坦對這隻貓又做了進一步的研究，一隻貓處於這樣一個非常奇怪的，又死又活的狀態，同時的。如果兩隻貓的話，如果是處於活活加死死的狀態的話，會進入一種什麼樣的概念呢？量子糾纏自然產生了，有這麼兩隻貓之後，比如說兩個骰子相聚非常遙遠，一個河北一個北京，我們做試驗的時候，每次實驗中會產生相同的結果，這樣的結果我們把它叫做量子糾纏，或者是說愛因斯坦的觀點來講，就是在遙遠地點之間存在著這樣一種唯一的互動。
所以愛因斯坦非常不喜歡這樣的一種上帝扔骰子的行為，他認為物質狀態你沒有測量之前就存在，而且把測量的影響減低到無窮小，所以他說上帝是不玩骰子的，但是過而告訴他不要他上帝能做什麼，不能做什麼，這個爭論引出了愛因斯坦1935年非常有名的文章，量子文學對物理世界的存在是完備的嗎，29年之後大家對愛因斯坦的觀點和量子非率性的矛盾做出檢驗，什麼是量子非率性，什麼是量子實在論呢，如果有這樣兩朵花，本來是花朵，根據愛因斯坦的定義，這個花的顏色和氣味在測量前就已經確定好的。跟你是不是去測量是沒有關係的，你去測量它就可以測量出來影響，降低到無窮小。那麼，但是量子力學告訴我們花的顏色和氣味，因為它們處於這樣一種糾纏態的，測量之前完全不確定，一朵花的顏色和結果，會損害另外一朵花的顏色和氣味，我眼睛看每次看第一朵花是紅色的，再看第二朵花這是藍色的，這是基本的性質，同時我可以用鼻子聞一下，兩邊都聞到了玫瑰花的香味，然後又進一步聞到了藍花的香味，這兩種觀點沒有辦法證明誰的觀點是對的，你不知道測量之前的狀態是什麼，最後看到的結果，大家都一樣，你也可以認為沒有確定，你也可以認為事先是確定的，1964年的時候，（英文）提出了波爾不等式，儘管這樣的前面的統計情況下，量子力學和定域實在論的預言是一樣的，我們這邊看花的顏色，這裡聞一下花的香水，我也做一個物理量的話，我們可以非常方便的構建這種所謂的波爾不等式，這個不等式告訴我們定域實在論小於等於2，量子力學的最大值對於這個測量可以到2，所以有了這個問題之後我們可以對定域實在論是對的，還是量子力學非定論是對的，做一個檢驗。70年代開始，到80年代，90年代，2015年，大家圍繞著這個方向做大量的檢驗。所有的試驗都證明了量子力學是正確的，但是還存在著一些漏洞。
儘管我們目前為止量子力學的非定性檢驗還沒有結束，但是已經為第二次量子革命的誕生奠定的基礎。我們可以說什麼為了便於大家理解，什麼是第二次量子革命我們做一個對比，從前的遺傳學規律被動觀測，種瓜得瓜，種豆得豆，到後面我們知道所有的遺傳的規律是由DNA雙鏈結構來控制的，對分子結構可以控制分子的現狀，我們量子信息也是這樣的，從前的信息技術都是基於對量子的被動觀測，目前我們能夠對量子狀態進行主動操縱的，利用它可以來做所謂的量子信息了，他的幾個主要的應用，就是說剛才丁洪教授已經介紹的，一個我們可以用量子通訊來實現一種原理上無條件的，安全的通訊方式，量子計算可以實現一種超快的計算能力來解釋各種各樣的複雜系統的規律。
具體來說利用它我們可以比較好的解決目前信息技術的兩個瓶頸問題，在量子通訊出來之前，我們知道所有的傳統信息安全的算法都是依賴於技術複雜度。所謂加密算法，隨著計算能力的提高，原則上都是可以被破解的，目前為止有RRA512被1999年破解了，有一些廣泛應用的算術也被谷歌破解了，隨著晶體管的尺寸逐漸接近納米量級，我們的量子效應將起到主導作用，所以我們非常難以來繼續定義什麼是0，什麼是1，隨著接近納米尺寸的時候，這個晶體管的電路原理將不再適用，但是利用所謂的量子通信，我們剛才講到了，你去測量會改變它的狀態，所以這是必然能夠發現，利用它我可以實現不可統一的量子通信。
利用所謂的信息的傳輸，這裡因為時間的關係我做只做一個科普圖，我把一個許多粒子組成的科普狀態，從合肥到北京，用最快的方式，讓北京和上海之間先享有很多的糾纏物質，我可以在合肥得到測量，我得到信息以後，掃描完了以後傳到北京，那麼我可以對這番物質做一點超重，我可以把有很多粒子構成的物理系統的狀態直接傳送到北京，而不把物理系統傳過來，當然要傳非常複雜的物理系統要很多年時間，這個東西本身已經可以用來做分佈式的量子信息處理了。這個東西，就直接的構成了量子計算的最基本的操作。
所以利用這樣一個相干疊加的一種信息在一個網絡裡面走來走去我們可以構造一種計算能力隨著可操縱的量子比特數呈指數成長的大數分解，比如量子計算機，利用大數分解的量子計算機可以比經典的計算機，這裡舉一個例子，利用三百位大數的話，量子計算機只需要一秒鐘就可以了，萬億次的經典計算機需要15萬年，這樣的話在大數據，人工智能上也會非常有用。1984年量子分發手段提出來之後，第一個試驗是1992年做的，IBM做的試驗，大概30釐米左右，隨後大家在光纖裡把這個距離傳輸到一百多公里，但是所有的這些試驗都存在著一個問題，在現實條件下，因為這個器件不完美存在著幾個漏洞，比如說由於光源的不完美，竊聽者可以利用多光子事件來竊聽我們要的信息，由於我們接受端探測器的不完美，使用強光攻擊改變探測性的狀態，完全控制探測性的測量結果，2000年，2010年這兩個工作告訴我們，我們如何才能夠把這兩個量子密鑰分發的手段變成現實可能。到了2005的時候，有幾位華裔科學家，有兩位在清華大學工作，及他們提出一個方案，2007年的時候及我們在這個方案的基礎上利用所謂的（右片太 音）的技術，把分發距離拓展到了一百公里，之後在（落開萬 音）提出的理論基礎上，我們2013年首次實現了和測量技術相關的分發，可以針對一切探測器的攻擊，最近我們去年的結果，點對點的量子分發的距離已經達到了四百公里。所以可以很好的支撐我們在一個城域網裡面的相關的應用。
所以這個技術的支持上，我們有一些系統在2012年已經在北京投入了永久性使用，今年的9月份，這個已經在北京做了更大範圍的相關使用。一百公里很好，四百公里很好，當我們真正感興趣是要做到全球化的，幾千公里，或者是幾萬公里，這個時候我們遇到一個難點了，主要的難點是因為量子信息本身是不能被複制的，你去測量它會發生變化，所以光纖裡面傳遞的時候，信號會變得越來越微弱，四百公里以後我就再也沒有辦法往下做了。所以如果說我們用新的手段，只是在一個長度為一千兩百公里當中，北京傳到上海的話，我即使每秒鐘百億發生率的理想光子源的話，這樣一個距離遠距離拓展中是沒有什麼用的。這樣的話其實我們就開始被迫思考另外一種解決方案，我們說能不能利用所謂的衛星來做基於自由空間的這麼一個量子通信。因為在自由空間的外層，外面是真空，所以對大氣，對光沒有什麼吸收。然後外太空也沒有什麼大氣本身五到十公里，光子穿破大氣之後還能夠存活的話，我們也許可以用這種手段做全球化的量子通訊。
這樣2003年提出這麼一種自由空間量子通訊的該項，2004我們在合肥做了一個試驗，我們驗證了光子在穿透大氣層後能有效的保證，也許我們可以繼續的往前走。到2012年的時候我們驗證了在衍射極限的情況下，光有衍射極限的影響，會慢慢的變大，變大以後損耗會越來越大，我們高損耗過程中我們也發現了損耗達到80個DB，我們也是可以做的，後來進行合作，進行地面的試驗，各種運動狀態可以被克服的，這個試驗的基礎上我們開始忠於發展（金子 音）技術。我們發明了超高靈敏的能量試驗率的技術，大家在地球上劃一個火柴，我利用這個機器可以清晰的看到。另外是超高靈敏的空間分辨技術，如果我們去看衛星上軌道上，如果懸浮一輛汽車，那麼它的牌照也可以看得清清楚楚，利用這樣的技術之後我們可以來研製衛星了。2003年，經過十多年的努力，我們的2016年的8月份，終於發射了首顆量子試驗衛星，我們接下來開展我們相關的試驗任務，第一項任務來實現利用衛星，實現烏魯木齊到北京之間的千公里量級的分發，提高了20個數量級，隨後我們又為了能夠在空間尺度驗證能夠嚴格滿足愛因斯坦地域性條件的量子非率性檢驗，我們發現1200公里的情況下，愛因斯坦的量子力學非率性還是很好的存在的。另外我們實現了千公里量級的試驗，可以把地面的量子狀態傳到衛星上去，但是同時並沒有把地面上的物質傳到衛星上，驗證這麼一個相關的試驗。那麼到目前，我們在今年年底，在九月底已經實現了北京和維也納之間洲際的量子通訊試驗，通過國際的大科學計劃，我們和新加坡等國家也在開展相關的合作，在進行洲際量子網絡的相關試驗。
最後簡要講一下我們量子計算方面的結果，除了量子通訊裡面我們做了一些工作之後，2007年開始在過去的十年中我們幾乎實現了所有重要量子算法的試驗驗證，2012年，為了圖靈一百週年的時候，我們特刊上取得了比較好的結果，首次證明量子計算是可以進行的。所以到了今年的五六月份，我們已經首次的成功的實現了一臺可編程的多光子量子計算原型機，首次超越了最早那幾臺計算機，比如說晶體管的計算機。當然了，我們還有很長的路要走。
同時，我們也實現了十個超導比特的量子芯片，這個方面也取得了一些比較好的結果。
量子計算，近期，我們可以優化我們的網絡和交通，也可以理解複雜的環境，另外是量子玻爾茲曼機的衍生可以加速機器學習的訓練速度，量子計算在近期會有一些比較好的應用。
最後做一個總結，我展望一下我們將來要做的事情。第一，我們希望能夠通過五到十年的努力，能夠構成一個和地面的光纖網絡，最後形成一個廣域的量子通訊網絡，另外我們也可以來發展新一代的高效的視頻傳輸技術，有了這種技術以後我們可以反過來檢驗一些量子力學非定性的終極檢驗，同時也能夠對廣義相對論和量子引力的模型做出一些相關的檢驗。那麼量子計算方面，我們大概在三到五年裡面能夠實現一百個量子比特的相關操縱！達到這個時候，對於某一些特定問題的計算和求解，就能夠達到全球計算能力組合的一百萬。所以它的功能是非常好的。
那麼，最後，我願意作為一個總結，很多年前我看過一本書，這本書1609年的時候，開普勒給伽利略寫了一封信，應該建造適合飛向神聖天空的船與帆等等，經過了三百多年，我們人類首次進入了太空，1969年我們首次登月了，不妨講一講，1997年首次實現了單個離子的傳態，十年之後由經過了多個粒子的傳態，再過了十年可以把量子態傳輸千公里以上了，也許幾十年，幾百年，幾千年之後我們可以利用這種手段來做這樣的星際履行，誰知道呢？當然，與此同時，我們說剛才我講的，牛頓的經典力學是決定論的，我們用到計算機本身，也是決定論的。所以他們沒有辦法解釋意志的起源，人有意識的問題，這個新科學家的觀點，他說也許我們的大腦，通過對量子計算機和量子力學基礎問題檢驗的研究，因為量子力學第一次把光測子的意識和演化解決起來了，通過這個研究我們來了解一下量子力學和意識產生可能是有關係的。量子計算也許在將來對我們的大腦的研究也能夠做一些相關的事情。
所以，現代科學的誕生，經過幾百年之後，其實我們已經到了這麼一種境界了。我們本來是一個毫無生命的世界最後，慢慢的進化出眼睛，可以反過來回饋我們的光照世界，我覺得這可能是每一位科學者的最終要來做科學的一個目標，謝謝大家。
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