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1、从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技01今天从爱因斯坦的好奇心讲起，会延伸到最近这些年来发展的一个新技术， 就把它叫做量子信息科学或者量子信息技术。后面可能有一些具体的内容，大家不一定了解，但是只要是有两个信息能够 记住就可以，这就是我整个报告的主题。第一个，我想告诉大家，目前的科学理论是，我们的世界不是决定论的。 第二个，有了这样新的理念之后，可以来做很多有趣的事情。02我从爱因斯坦一个观点讲起。爱因斯坦应该是我们历史上最伟大的科学家之一，他有一个信念，上帝是不 掷骰子的，什么意思？大家肯定学过牛顿力学，它告诉我们，比如卫星发射之后，我可以来计算什 么时候卫星可以经过我们的头顶。也就是说，所有粒
2、子的运动状态都是可以精确 预言的。那么，如果把这个问题进一步延伸一下，就会引起这么一种概念，就是 决定论。也就是说，包括今天的演讲，是不是老早之前就决定了？相当于我们看一部 电影的时候，尽管还没有看到电影结尾，但我们知道这个电影已经有结尾了，你 的任何行为是改变不了什么的。可能有些人看过科幻片西部世界，里面有一位女士，她其实是一个机器 人，她认为自己是有自主意识的。但事实上，她的每一个举动都是由后台程序所 设定的，下一时刻要做什么说什么，其实老早像拍电影一样已经被确定好了。我们作为一个人，内心深处其实不相信牛顿力学这个结论，所以霍金讲过一 句话：“即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路的时候
3、也会左右看一看， 以免被车撞到。”现在我们提两个问题：第一，这个世界到底是决定论的，还是本质上是不确 定的，以至于允许我们有自主意识，可以有自由的思想。第二个，如果本质上是不确定的，那如何从物理学上来证明这一点？ 这是我整个报告希望能够来解释一部分的。03我们先来做一个实验。有一条缝，光源照过去，有强度分布，中间最亮，两边慢慢变暗。这个实验 很简单，我们每天都可以重复做，拿手电筒一照就可以了。但是有些科学家说， 如果把光的强度进一步减弱，会有什么样的结果呢？单缝衍射像我们再来重复做这个实验，把光源不停地减弱，结果在屏幕上发现，在每个 确定的时刻，看到一个点、一个点出现。实验重复了很多次之后，这
4、些点的分布 概率跟左边图的分布是完全一样的。但是单次实验当中出现的是一个点，这就引 出了所谓的单光子概念。后来的科学告诉我们，其实光是由很多小颗粒组成的； 这些小颗粒就是光能量的最小单元，叫做光量子。量子的概念最早是普朗克提出来的，普朗克从某种意义上来讲，应该算是旧 量子力学的祖父，爱因斯坦和玻尔是旧量子力学之父，他们又是新量子力学的祖 父，海森堡、薛定谔和狄拉克等则建立了新量子力学真正有方程去求解的量 子力学。有了这个基本概念之后，再来做一个双缝实验。第一次我只开左缝，会看到集中在左边的很多小点，最后的分布就是这样的 高斯分布；我再打开右缝，又看到很多小点，也是高斯分布。有这样的结果出来 之
5、后，我们可以问一个问题：如果两条缝同时都打开的话，应该看到什么现象呢？按照我们通常的观念，首先，单光子是不可分割的，单次的过程当中，应当 从某一条缝过去。左缝过去的光子应该不受右缝的影响，两条缝都打开的时候， 应该是一种简单的概率叠加，最后变成同时开双缝的时候，应该也是高斯分布。下面来做一下这个实验，到底跟逻辑分析的结论是不是一致的呢？ 如果两条缝都打开，屏幕上光子数目越来越多的时候，就出现了干涉条纹。 做实验的人马上就会想到，这不是波的现象吗？因为经典的电磁波、水波、声波 里面都有非常明显的干涉现象波峰+波峰就是干涉增强，波峰+波谷就是干涉 相消。如果按照经典物理学，光是电磁波的话，那么有干
6、涉现象是非常正常的。但现在的问题是，为什么不可分割的粒子表现也像波一样呢？按照道理是强 度叠加，怎么变成了这么一种干涉的叠加了呢？在量子力学里面，按照玻尔和海森堡的观点，首先光子确实是一个粒子，但 是它在自由飞行的时候，光子状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前，光 子没有一个确定的位置。波函数告诉我们的信息只是在某一个点上探测到光子的 概率是波函数的模平方；通过双缝之后，波函数的干涉就会影响光子出现的概率 分布，就类似于经典波干涉一样。他们认为在自由飞行的时候，波函数本身代表 一个光子，光子在各个地方都同时存在。按照他们的观点，最后在屏幕上探测到光子的时候，光子就会坍缩成一个点， 随机地出
7、现在某个地方。我们重复实验很多次，最后的结果告诉我们，单光子像波一样，是同时通过 两条缝，但是光子的位置是完全不确定的，屏幕上是随机出现在某一点，出现在 某个点的概率，是由两个波函数相干叠加决定的。这样重复很多次实验，我们就能够看到干涉条纹，但是单次的过程当中，它 都是一个光子，并且可以出现在很多地方。因为看到了干涉，量子力学就用波函 数的形式来解释这个现象。但是对于这种理论，爱因斯坦并不满意。他说是的，如果你看到了干涉条纹， 我们只能认为光子同时通过两条缝；但是如果我一定要坚持，一个光子是一个颗 粒，只能通过某一条缝，那么我是不是应该做实验看一下，光子到底从哪边过去 的？我们接着做一个实验：
8、在每条缝后面放一个小小的原子，光如果从左边过去， 跟原子轻轻碰撞一下，通过测量原子反冲的动量，我们会知道光子是左边过去的； 如果右边的原子被撞了一下，我们就知道光子是从右边过去的。所以如果想去看 光子的路径，在每次实验当中，我们只要看哪一边的原子会反冲一下就知道了。 这个实验证明，光子确实是通过某一条缝过去的。但现在我们就遇到麻烦了，当我们知道光子从哪一条缝过去的时候，干涉条 纹就消失了，又变成了概率的叠加。最后，总的结果是这样的，如果知道光子路径的话，就没有干涉条纹；如果 出现了干涉条纹，那么我们的实验是没有办法来判断光子路径的 ，这就是我们 遇到的这么一种困境。04遇到这种困境之后，两种观
9、点就开始争论了。爱因斯坦相信上帝不掷骰子，他觉得我们应该有一个确定规律可以算出来每 次光子究竟是从哪条缝过去的。玻尔则说，你不要告诉上帝他能够做什么，上帝 自己来决定祂能够做什么。玻尔的观点是，光子的路径在没有测量之前是不确定的。它的路径到底怎么 样，取决于你有没有去看它。你去看的话，它在某一条路径上；你没有看，就是 在两条路径上，处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。但爱因斯坦认为，光子的路径是可以预先确定的，只不过量子力学目前能力 太差，没有掌握真正的自然界的规律。其实可以设计一个隐变量，让光子变得聪 明一些，也可以同时来解释两类现象。爱因斯坦的隐变量理论是这样的，首先无论如何，我相信光子是确
10、实从某一 条缝过去的，不管有没有在看。但他同时认为光子是比较聪明的，具有自然规律 所允许的所有能力，它可以预先决定不同的概率分布。什么意思呢？所谓的隐变量，它可以决定实验最后的结果。 在一次做实验当中，如果两条缝都开着，一个光子飞过来的时候，隐变量就 故意 “命令” 光子跑出这种干涉的分布，尽管光子是从某一条缝钻过去的；如 果只有一条缝的时候，隐变量就“命令” 光子跑出这样的高斯分布，以至于最 后是概率叠加。对于这样的观点，没有办法反驳，因为原理上确实可以这样，但 人们又并不知道所谓隐变量到底是什么机制，在实验上没有办法证实。所有的单粒子实验当中，隐变量的理论和量子力学理论，最后都可以来自洽
11、地解释双缝干涉的实验结果。那么，上帝到底掷不掷骰子？如果掷骰子，人可能还有一点自由意志；如果 上帝不掷骰子，我的命运和做什么事情，都是方程决定的。这个问题很重要，上 帝到底掷不掷骰子，跟人到底有没有自由意志，某种意义上是联系在一起的。05我也不是说，爱因斯坦和玻尔这两个人谁更高明，反正薛定谔方程可以把氢 原子能谱等等算得非常精确，有用就行了。在应用量子力学规律的过程中，产生了很多的技术革新：核能、晶体管的发 现、激光的发明、核磁共振、高温超导材料、巨磁阻效应的发现等。通过量子规 律的被动观测，即使在宏观世界的体现应用，也已经很大程度上改变了我们的生 活。某种意义上来讲，量子力学是现代信息技术的
12、硬件基础，数学是软件基础，数学和物理结合在一起，奠定了整个现代信息技术的基础。原子钟正是有了半导体，才有现代意义上的通用计算机；然后在加速器的数据往全 世界传递的过程中，催生了万维网；为了检验相对论，利用量子力学构建非常精 确的原子钟，在原子钟的帮助之下，可以进行GPS卫星全球定位、导航等等，第 一次量子革命直接催生了现代信息技术。大家经常讲，我们现在为什么有卡脖子的问题，其实可以看到，一部手机里 面凝聚了很多跟量子力学相关的基础物理、基础化学成果：半导体器件是 2009 年诺贝尔物理学奖、集成电路是 2000 年诺贝尔物理学奖等等，一部手机当中， 有八项诺贝尔奖成果在里面。如果基础研究不行的
13、话，我们被卡脖子是一个难以 避免的结果。06随着信息技术进一步发展，逐渐地遇到了一些问题。一个问题就是信息安全 瓶颈。实现信息的安全传送，自古以来就是人类的梦想。在公元前7 世纪，古希腊斯巴达人用加密棒，把一个布带缠到加密棒上，写 上 “明天发动攻击”，命令发布完之后，如果别人没有同样半径的加密棒的话， 信息是读不出来的，这是最原始的加密方法。后来到了公元前1世纪左右，凯撒大帝发明了更好用的办法把26个字 符移动一下，这样移动完之后，“明天发动攻击”就变成DWWD等等，只有预先 约定的人才知道这个命令究竟是什么。討称密码体制替代密码明文abede 1F 9 hp1j k 1mino pqr s
14、 tuV wxy密钥DE FiGH J KLMNOP|Q|R sTu v!wxY|ZABCcaesar cipher - FDHVDU FLSKHU凯撒密码(Caesar cipher)这样一些非常聪明但很古老的加密算法,其实可以用字符出现频率的方法加 以破解。英语中A出现的概率是8%, B出现的概率是1.8%，等等。不管字符怎 么变化，只要文字是固定的，我们拿出来算算字符频率，出现8%就是A,出现 1.8%就是Bo-封信如果有几千个字符，很大概率可以被破解。二战期间，人们又设计了更加复杂的密码，到后来还有RSA公钥加密算法， 但是随着计算能力的提高，这些都被破解了。2017年，清华大学的王小
15、云教授 发明的一种方法，把SHA-1算法破解了。历史告诉我们,有矛必有盾,基于计算复杂度的经典密码,总有方法可以 破解掉。大概在一百多年之前，有一位作家写了一句话：“人可能不够聪明，以 至于没有办法构建一种我们自己破解不了的密码。”我们遇到的另一个问题是难以满足人类对计算能力的巨大需求。最早的时候, 1940年代的Colossus计算机，重量1吨，功率8.5千瓦，每秒运算速率五千 次，当时人们觉得这已经很快了，按照IBM的前总裁Thomas Wat son的说法， 全世界大概只需要五台这样的计算机就够了。但是到了2010年的时候,是-个什么样的状态呢？其实每个人拥有的智能 手机已经可以每秒钟运算5万亿次,功耗不超过5瓦,计算能力是当年美国阿波 罗登月计划计算能力的总和。随着大数据时代的到来,全球数据量以指数的增长,每两年翻-番,对计算 能力的需求非常巨大。-般来说,我们通过加强芯片的集成度来提升计算能力。但是目前,摩尔定 律马上就要逼近极限了,估计再过十年,就会达到亚纳米尺寸。这样的话,前面 讲到的干涉效应就会出现,0不-定是0,1不-定是1,晶体管的电路原理将不 再适用。怎么解决信息科技面临的这些问题？在研究爱因斯坦百年之问的过程当中, 目前的量子力学已经初步地为突破信息安全和计算能力的瓶颈做好了准备,而 且也为回答上帝到底是否掷骰子
