·2015CNCC主报告·潘建伟：量子计算和量子模拟（演讲全文44PPT）
[淘股吧]2015-10-22 新智元
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编辑自2015中国计算机大会
·潘建伟·中国科学技术大学教授、副校长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究工作，在量子通信、多光子纠缠操纵和冷原子量子存储等研究方向上做出了系统性创新贡献。在Nature、Nature子刊、PNAS和 Physical Review Letters等国际学术期刊上发布论文100余篇。研究成果曾入选《科学》杂志“年度十大科技进展”，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。
·中新网合肥10月22日电(记者 吴兰)·22日，2015中国计算机大会在安徽合肥开幕，麻省理工学院教授、2014图灵奖获得者、美国工程院院士MichaelStonebraker，中国工程院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任柴天佑，中国工程院院士、计算机工程和人工智能专家李德毅等来自海内外的计算机领域的诸多顶级“大腕”现场助阵。
当日，特邀麻省理工学院教授、2014图灵奖获得者、美国工程院院士MichaelStonebraker作报告。据悉，图灵奖是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。此外，中国工程院院士、国家自然科学基金委员会信息科学部主任柴天佑作《智能制造与智能优化制造》的报告，中国工程院院士、计算机工程和人工智能专家李德毅作《脑认知的形式化》的报告，中科院院士、中科大常务副校长潘建伟作《量子计算与量子模拟》的报告。 潘建伟长期从事量子光学等方面的研究工作，其研究成果同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等一起选为“百年物理学21篇经典论文”。他介绍，由于高精度量子操控技术的极端复杂性，目前量子计算研究仍处在早期发展阶段，像经典计算机那样具有通用功能的量子计算机最终能否成功，对整个科学界还是个未知数。但理论研究表明，与通用量子计算机相比较，量子模拟机这样一类针对解决一些重大问题的专用量子计算机，在量子比特数目等方面的技术要求并没有那么高。比如，对“波色取样”这样的问题，一旦达到50个左右光子的纠缠，量子模拟机的计算能力就能超过目前最快的“天河二号”超级计算机。他说，量子模拟具有重大实用价值，可为人类开发新材料和
新能源提供重要指导，孕育和推动物质科学领域新一代技术革命和产业变革，有望在10至15年内取得重大突破。
潘建伟教授演讲全文
·潘建伟·上午好！ 非常高兴能够到中国计算机大会上给大家介绍我们的工作。这个会场非常震撼，因为我是搞物理方面的研究，我们一般开会就几百人，这里开会几千人。今天我报告的题目是“量子
信息技术的前沿进展”。
上个世纪在自然科学方面（不仅仅是物理学）有两个重大发现：量子力学与相对论。量子力学与相对论第一个重要应用是在核能方面，1945年首颗原子弹爆炸成功，随后有氢弹、中子弹的成功研制。在这个过程中，物理学尤其是量子物理不经意跟计算机科学联系在一起了。在原子弹理论计算过程中，需要大量的计算，当时在冯诺伊曼的架构下，形成了现代通用的计算机雏形。随后对于量子物理学家和理论物理学家来说，他们希望能够把相对论和量子力学综合起来，来探索宇宙的起源。在对大统一的理论检验过程中，需要有大型的粒子加速器，这个地方每天都产生大量的数据。当时我还是本科生，做理论物理的研究，需要通过电话线把数据传输到全世界各个地方进行处理。从某种意义上这构造了因特网雏形，最后形成了今天的
互联网的概念。
另外，我们知道对相对论进行检验，需要构建非常精密的原子钟，在这个过程当中，我构造了两台原子钟，一台放在一楼，一台放在楼顶，地球转的时候，上下速度不一样，过一段时间对它进行检验，会发现在天上的原子钟比在地面的原子钟走的要慢一些。所以在利用量子力学来构建原子钟的过程中，就有非常精确的时间概念，而有了时间概念就可以进行导航。
20世纪，在研究和应用量子力学相对论的过程中，所催生的信息科学已经为人类文明带来了巨大进步。随着技术的发展，物理学家遇到了所谓的瓶颈。摩尔定律告诉我们，不久的将来半导体晶体管的尺寸会达到纳米级，电子的运动规律不再遵循传统的经典的电动力学，那半导体的计算规则就不可靠了。量子力学扮演着重要的角色，所以我经常会思考，未来的计算机会是怎么样的？
与此同时，在信息科学方面，有
信息安全的瓶颈。比如说芯片可以有后门，在光纤当中也可以对光路进行无感窃听，对服务器也可以进行窃听，世界存在着各种各样的窃听和黑客攻击模式。为了解决这个问题，我们可以对信息进行加密，但随着信息技术的发展，计算能力的增加，传统上认为很难破解的东西很容易就被破解了。这样一来，我们一直在寻求一种在原理上可以无条件安全的通信模式。网络犯罪每年给全球带来数千亿美元的经济损失，这是美国战略和国际问题研究中心的评估，更不用讲在[tag]国防安全[/tag]和其他方面的重要性了。
非常有意思的是，在量子力学前期的应用过程中，不经意地催生了现代信息技术的发展。慢慢的信息技术积累了新问题，量子力学在100年的发展过程当中，已经为解决这些重大问题做好了准备。这就是我今天想介绍的主要内容，量子信息科技。
所谓的量子，它非常简单：构成物质的基本单元，能量的最基本携带者。它有一个基本特征是不可分割性，比如说灯光照过来，每秒会发射出数万万亿的光子。什么意思？这个能量衰减的时候，发现光这个东西也是一颗颗小颗粒，跟水分子、氢原子一样，有不可分割的特性。
我们每天生活的信息单元，一个比特，0或者1加载1个比特的信息。经典世界里面，每一个存储源只能处于0或者1的状态。但是到了量子世界去的时候，在某一个存储源里面可以处于两个状态的相关叠加。具体来说，可以用光子（偏振态）做一个比喻。光在传播过程中以每秒钟30公里飞行，波会沿着两个方向振动，水平振动、竖直振动，水平叫做1，竖直叫做0的话，光子会沿着45度振动。45度对应0+1的状态，它就跟平时计算机里面信息单元的基本规律不一样了。有了这个问题后，对于光子来说，极化态可以处于水平偏振和竖直偏振之外。这个后果是量子不可克隆定理：未知的量子态没办法进行测量，量子有两个基本特性，一个是不可分割，一个是不可被精确的复制。
比如说潘建伟今天可以在合肥开会，同时我可以出现在北京，我在合肥叫0，在北京叫1，我只能处于某个地方。到量子世界里可以同时这两个状态的相关叠加，可以同时处于这两个地方。爱因斯坦为代表的科学家认为这种观点是错的，认为量子力学出问题了。他举了一个例子，如果一个粒子可以处于0和1的叠加，两个粒子可以处于00和11状态的叠加，有了这种状态后，一个后果就是量子纠缠。比如说今天大会主席在合肥，我在北京，我们两个有量子纠缠的这两个色子，做实验之后，叫遥远距离之间的诡异互动。我们不仅能操纵0和1，还能操纵0+1，0-1，00+11的状态。
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