量子时代-从量子物理基础检验到量子信息科技

量子时代 从量子物理基础检验到量子信息科技 中科院量子信息与量子科技创新研究院中国科学技术大学 党中央对科技创新的高度重视 科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。中国要强盛、要复兴，就一定要大力发展科学技术，努力成为世界主要科学中心和创新高地。 关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握 在自己手中，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。 ——习近平总书记《努力成为世界主要科学中心和创新高地》 创新驱动发展战略大力实施，创新型国家建设成果丰硕，天宫、蛟龙、天眼、悟空、墨子、大飞机等重大科技成果相继问世 ——习近平总书记在“十九大”的报告 “墨子号”飞向太空，光量子计算机研制成功 ——习近平主席2017年、2018年新年贺词 要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋 ——习近平总书记2020年10月在中央政治局关于量子科技集体学习时的讲话 基础研究和原始创新取得重要进展……76个光子的量子计算原型机“九章”、62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”成功问世。战略高技术领域取得新跨越……“墨子号”实现无中继千公里级量子密钥分发 ——习近平总书记在2021年两院院士大会上的讲话 在航空发动机、量子通信……等领域再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目……急需以国家目标和战略需求为导向，瞄准国际科技前沿，布局一批体量更大、学科交叉融合、综合集成的国家实验室 ——习近平总书记关于“十三五”规划建议的说明 聚焦量子信息、光子与微纳电子、网络通信……等重大创新领域组建一批国家实验室。瞄准人工智能、量子信息、集成电路……等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目 ——“十四五”规划和2035年远景目标 ⯈2018年12月，美国启动“国家量子行动计划”，2019-2022年新增投入约13亿美元；近年来的研发投入稳定增长在每年20%左右，2021年投入为7.1亿美元 ⯈2021年5月，美国参议院专门委员会通过“无尽前沿法案”，计划未来5年为人工智能、量子信息等研究提供1000亿美元的资金 中国2017年报道的一项成果是最引人瞩目的：一颗名为“墨子”的量子卫星将纠缠对发送到相距1200公里的两个地面站。这一成就给美国政府敲响了警钟，最终导致2018年美国《国家量子行动法案》的通过 ——“互联网走向量子”，《科学》杂志，2021年6月 ⯈2015年1月，英国启动国家量子技术专项，一期投入已超过10亿英镑 ⯈2018年10月，欧盟实施量子技术旗舰项目，连同各成员国政府和相关企业配套总经费超过40亿欧元 ⯈2018年11月，德国投入6.5亿欧元实施《量子技术：从基础到市场》框架计划， 2021年又增加投入24亿欧元 ⯈2021年1月，法国宣布启动量子技术国家行动计划，5年投资18亿欧元。法国总统马克龙表示，“法国将努力跻身（继美国和中国之后）世界前三名” 伽利略 牛顿《自然哲学的数学原理》 •一切力学现象都可以统一为一个简单的公式�=�� �2 •星辰的运动是可以计算的！�=�𝑀� •一切光、电、磁的现象都可以统一为一个方程组 �⋅��=� �0 �⋅��=0 法拉第 麦克斯维尔 《电磁场的动力学理论》 �⋅��=−�Φ� �� �⋅��=�0 �+�0�0 �Φ� �� ⯈德国19世纪中成为工业强国 ⯈美国20世纪跻身头号强国 ⯈英国18世纪末崛起为世界头号强国 电力技术 牛顿力学与经典电动力学 蒸汽机 第二次产业革命 第一次科学革命第一次产业革命 1500s1550s1600s1650s1700s1750s1800s1850s1900s1950s2000s 一旦确定了初始状态，所有粒子未来的运动状态都是可以精确预言的！ 决定论？一切事件（包括今天的报告）都是在宇宙大爆炸时就已经确定好的吗？个人的努力还有意义吗？ “即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路时也会左右看” ——霍金 量子力学：全新的观念！ 普朗克 爱因斯坦 玻尔薛定谔海森堡 什么是量子？ 量子不是某种粒子，而是构成物质最基本单元的全称 ⯈能量的最基本携带者⯈不可分割 光子原子分子 光子是光能量的基本单元，不存在“半个”光子 水分子是水化学性质的基本单元，不存在“半个”水分子 日常生活中的一只猫量子世界中的一只猫 或|＋| 经典比特量子比特 0或1 |0)+|1) 量子与量子叠加 光子极化 =|0)+|1) |�)=|0) |�)=|1) 法兰克福 莫斯科 北京 量子与量子叠加 新加坡 ⯈如果在飞行途中睡着了，不知道是沿那条路线飞行的：到达北京时会觉得“又冷又热”�是同时经过两条路线的吗？ ⯈如果飞行途中一直观察路线： 到达北京时要么觉得冷，要么觉得热�可以确定是沿其中一条路线飞行的！ 量子客体的状态会被测量所影响 革命性的观念：观测者的行为可以影响体系的演化！ 量子与量子叠加 ⯈日常生活中的飞机：宇宙中总有一双“眼睛”在看这架飞机！ 飞行员在操控雷达在监控…… ⯈空气中的氧分子： 与光几乎没有相互作用量子叠加！ 量子叠加与量子测量 测量 不改变原件的状态 多次测量 获得原件的全部信息 制备复制品 经典克隆： 量子克隆？ 对未知量子态的测量会扰动其初始状态 无法获得原件的全部信息 单个未知量子态无法精确克隆！（量子不可克隆定理） “原件”：测量结果： 或 1895 1900 1905 爱因斯坦提出 光量子的概念 1945 1947 1960 1973 1987 1988 X射线 核能 核磁共振 巨磁阻 普朗克提出量子论 晶体管 激光高温超导 量子力学的建立：第一次量子革命 半导体 现代通用计算机 激光原子钟 光通信与互联网卫星定位 外壳 存储 屏幕 散热 石墨烯 2010年诺贝尔物理学奖 导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖蓝色发光二极管 2014年诺贝尔物理学奖 巨磁阻效应 2007年诺贝尔物理学奖 高分子 1953年、1974年诺贝尔化学奖 锂电池 2019年诺贝尔化学奖 集成电路 2000年诺贝尔物理学奖 半导体成像器件 2009年诺贝尔物理学奖 一部手机中的诺贝尔奖 ⯈德国19世纪中成为工业强国 ⯈美国20世纪跻身头号强国 ⯈英国18世纪末崛起为世界头号强国 ⯈日本成为工业强国 电力技术 信息技术 第三次产业革命 牛顿力学与经典电动力学 蒸汽机 量子力学与相对论 第二次产业革命 第一次科学革命第一次产业革命第二次科学革命 1500s1550s1600s1650s1700s1750s1800s1850s1900s1950s2000s 信息安全瓶颈：网络信息安全面临严重威胁 古希腊斯巴达人使用的加密术 （约公元前7世纪） 凯撒使用的加密术 （约公元前1世纪） 阿拉伯数学家Al-Kindi发现利用字母出现的频率可以破译密码 �RSA512：1999年被破解RSA768：2009年被破解RSA1024? �2017年2月，谷歌破解了广泛应用于文件数字证书中的SHA-1算法…… 图灵破解德军Enigma密码系统 依赖于计算复杂度的经典加密算法，原理上都会被破解 人们早就怀疑：“以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码” “……humaningenuitycannotconcoctacipherwhichhumaningenuitycannotresolve” —Afewwordsonsecretwriting,EdgarAlanPoe(1841) 对计算能力的巨大需求 ⯈1943年：“全世界可能只需要5台计算机” ——ThomasWatson,IBM前总裁 Colossus:重量1吨,功耗8.5kW每秒运算速率(OPS):5000 ⯈2010年代：一部智能手机的计算能力已超过“阿波罗计划”的计算能力总和 苹果A15芯片：功耗<10W，每秒运算速率:15万亿 ⯈大数据时代：全球数据量呈指数增长(每两年翻一番) 计算能力瓶颈目前人类拥有的计算能力还相当有限 �全世界的计算能力总和无法在一年内完成对290个数据的穷举搜索 �传统发展模式受到严重制约：摩尔定律逐渐逼近极限 2017,14nm�2022,4nm �原子尺寸(0.2nm)�??? �晶体管的电路原理将不再适用 �超级计算机能耗巨大 量子力学在百余年的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备 量子纠缠 || ＋|| 量子叠加与量子纠缠 “遥远地点之间的诡异互动” ——爱因斯坦 两粒子纠缠态 L 粒子A粒子B •实在：物理量的值是预先确定的，与是否执行测量无关 •定域：在类空间隔对一个粒子的测量不会对另一个粒子产生影响 定域实在论 测量时间：Δt 类空间隔：L>cΔt •单个粒子的物理量在测量前并没有确定的值 •对粒子A的测量不仅会决定自身的状态，也会瞬间决定粒子B的状态，无论相距多么遥远 量子非定域性 量子纠缠 盒子里处于“量子纠缠”的花朵 ⯈定域实在论的解释：花的颜色和气味，在测量前是已经确定好的 ⯈量子力学的解释：花的颜色和气味，在测量前是完全不确定的；对一朵花的测量结果 （颜色/气味）会瞬间确定另一朵的状态 （颜色/气味） 兰玫花瑰香 玫兰瑰花香 量子力学非定域性能实验检验吗？ ⯈如果只有这两种统计，量子力学和定域实在论的预言是一致的 ⯈再加上不同的统计 定域实在论与量子力学存在统计上的矛盾！ �=|�(����)−�(���′)+�(�′��)+�(�′�′)| � •定域实在论预言:�max≤2 •量子力学预言:�max=22 � �� Bell,Physics1,195(1964) Clauseretal.,PRL28,938(1972) Aspectetal.,PRL49,1804(1982) •Zeilingeretal.,PRL81,5039(1998) •Winelandetal.,Nature409,791(2001) •Hansonetal.,Nature526,682(2015) •Lietal.,PRL121,080404(2018) 量子力学正确！但还存在一些漏洞…… 以往实验还存在一些漏洞：仪器可能会“作弊”? 两个类空间隔的随机数产生器控制测量方向的选择 漏洞一：随机数产生器可能会通风报信（自由基矢选择漏洞） 随机数产生器在实验之前已经存在，可能预先存在某种关联�测量方向的选择可能不是真正随机的，也并非处于类空间隔 Brunneretal.,RMP86,419(2014) 仪器可能会“作弊”? 薛定谔的猫 黑盒子里： |   打开黑盒子去“看”： ＋| 或 漏洞二：测量时间可能比想象的长（局域塌缩漏洞） 测量结果未被观测者确认前，测量可能并未真正发生�对两个粒子的测量可能并非处于类空间隔 Kent,PRA72,012107(2005) Leggett,CompendiumofQuantumPhysics(Springer,2009) 解决方案：观测者参与的实验！为什么需要观测者的参与？ 《西部世界》:人工智能机器人“认为”她拥有自主意识 �事实上她的每一个举动都是控制后台预先设定好的…… 解决方案：观测者参与的实验！ ☑观测者选择测量基☑观测者确认测量过程的发生 Leggett,CompendiumofQuantumPhysics(Springer,2009) 要求 超远距离的量子纠缠分发：光速飞行所需时间超过人的反应时间(~100ms) 量子力学非定域性实验检验 对量子状态进行主动操纵 ☑单光子的产生、操纵、探测 •一个15瓦的电灯泡每秒发射~1021个光子 •单光子的能量只有~10-20焦 …… ☑多光子纠缠干涉度量 基因工程 被动观测 主动操纵 孟德尔遗传定律 DNA 量子信息 量子通信： 原理上无条件安全的通信方式 量子计算与模拟：超快