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|未来•人|独家专访2017未来科学大奖物质科学奖得主潘建伟:改变世界的量子通信

时间:2017-09-12 来源: 点击次数:53

2017未来科学大奖获奖名单公布后,未来论坛青年理事王淮第一时间通过电话连线,对物质科学奖得主潘建伟进行了独家专访。 


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图片丨潘建伟


潘建伟,1970年生于中国浙江,中国科学技术大学教授。主要研究方向为量子物理和量子信息等。现任中科院量子信息与量子科技创新研究院院长。

 

以下是采访内容(王为王淮,潘为潘建伟):

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    (左起)徐小平、季向东、丁洪、吴鹰和邓锋在2017未来科学大奖新闻发布会现场宣布潘建伟获奖



01 获奖成果的意义



 王:首先祝贺您获奖,感谢您在量子通信相关领域做出的贡献。请您展开讲一讲本次获奖所对应的成果的意义。


:科学委员会对我工作的总结基本上是准确的。我做的主要工作在量子通信方面,它可以在原理上提供一种无条件安全的通信方式。公元前700年,斯巴达人就开始使用某种方法的加密数来传递相关命令。后来到了罗马帝国,凯撒大帝又发明了一种把字母交换,变成密码的方式。这些密码,本质上都是会被破解的。因为即使把字符替换掉,每个字符用的频度仍然是固定的,不管是汉语、英语,还是德语,都有这个规律。比如,你连续发一种电报,尽管你把A改成了C,但过一段时间,别人对你电报中字符出现的频率进行分析,就会发现C使用的次数仍然是有规律的,把它的频率进行计算就可以破解你的密码。所以,无论是古代的密码还是现代的密码,它们都是建立在计算复杂度的基础上的。基于计算复杂度的密码,只要计算能力足够,原则上都是可以被破解的。所以在人类历史上,信息安全方面的永恒话题,就是如何能够找到一种安全的密码。千百年来,人们一直怀疑,以人类的智力到底能不能构造人类自身不可破解的密码?我们的工作很大程度上就回答了这个问题。以我们人类的智力,能够设计出一种现实的技术,让无条件安全通信成为可能。这就是我们这些年所做的一些工作和它所达到的结果。


02 获奖感受


:我的第二个问题是,您得知获奖以后有什么感想?


:今天上午我一直在飞机上,两点钟刚刚到成都。一下飞机我就收到了好多短信,一个是季向东老师的,一个是丁洪老师的,还有一个是饶毅老师的,后来王晓东老师也给我发了一个短信,说让我赶紧接电话。晓东老师非常有意思,他说他代表15个人的未来科学大奖科学委员会授予我今年的未来科学大奖生命科学奖。这吓了我一跳。后来上网一看,原来是他的笔误,我得到的是物质科学大奖(笑)。我感到非常高兴,也非常开心。我觉得这确实是这么多年来,对国内我们这个领域的广大科技工作者的一种肯定。量子信息领域的研究能够获得这么一个享有高度公信度而且科学声誉非常高的大奖,对今后整个领域的工作推动会起到鼓舞和提振人心的作用,这个领域的广大工作者肯定会更加努力的开展这方面的工作


这些年来,我觉得确实是需要我们多做一些让公众对科学感兴趣的事情,起到让公众更加崇尚科学的作用。从这个角度来讲,我觉得,未来科学大奖的设立是很好的事情。我非常赞同刚才在颁奖现场,薛其坤教授讲的那些话。我觉得未来科学大奖的设立让公众对科学更加地尊重和重视,并且对科普和引起公众对科学的兴趣起到了非常好的推动作用。


能够有一个这么好的事情,首先应该感谢这些对社会非常有责任心的成功企业家。我也非常认可未来科学大奖的评奖方式,这是对我们国家各种奖项非常好的推动,同时也是一种变革性的评奖的方法。国内政府的一些奖项都得自己去答辩。而未来科学大奖整个评奖过程中,我都不知道我会得奖。评奖方通过提名的方式就评选出来了,这是通过业界认可的一种最好的、最公正的方式。我觉得,这个民间大奖的设立起到了一种非常好的榜样作用,或者说是一种标杆。



03 最新研究课题


王:非常感谢潘教授对未来科学大奖的认可。请问您最近的研究课题是什么?


潘:我们最近的研究课题包括两个方面:第一个方面,我们希望能够把目前比较成熟的量子通信技术尽快推向实用。比如我们目前开展的工作,像量子卫星、量子星座,能够形成全球性的量子网络,这是我们在应用物理方面希望做的一些事情。


与此同时,量子通信技术的发展也极大开拓了我们在基础物理领域的工作。其中一个非常有意思的是,当我们能够把光放在不同的重力影响下,来看它在不同引力场作用下,有没有光子极化或者光子状态的不同变化,就可以对一些广义相对论和量子引力的模型的理论做一些基础检验,这也是我们非常想继续推进的。


除此之外,我们的工作很大程度上也跟量子精密测量,就是现在大家所知的GPS全球定位系统紧密联系在一起。利用这种量子通信网络,可以给我们提供一种非常好的研究手段,保证时间信号在网络里精确传输,这也是我们在应用基础研究方面想做的一个重点工作。


第二个方面,我们的主要集中方向是在量子计算方面。量子计算具有非常强的计算能力。我们希望能够通过对量子计算的研究,找到一种或者若干种比较适合开展量子计算的系统,大幅度提高我们的计算能力。谷歌、微软、IBM、英特尔等许多公司的前沿研究部门也在做这方面的研究。我们希望在这一块也能做一些前瞻性的探索,能够为未来计算机的研制做一点事情。


 

王:关于您的专业研究,我还有两个问题想要问您。第一个就是,在量子技术当中最核心、最关键的技术究竟是什么?


潘:在量子技术里面,最关键、最核心的技术其实是两个。既然我们讲到量子,我们就需要用一种非常好的方式,能够去操纵一个一个的量子。所以在量子技术里最核心的就是操纵。操纵又分两方面的内容。你要把原子一个一个的抓出来,或者把光子一个一个抓出来,抓出来之后要让相邻的两个原子按照你的需要,通过相互作用演化到某种互相之间关联的状态,也就是我们所说的“纠缠”。操纵一方面能够把这个量子很好地抓出来,另一方面能够让它可控的按照你的要求来进行演化,这是这里面两个非常重要的技术。


我来讲一些具体的例子。量子通信里面最基本的元素就是光子。比如说电灯泡发出的光,能量经过不断的衰减,到最后就会是一个个不可分割的小颗粒。一个15瓦的电灯泡,大概每秒钟会发射出10的20次方个小颗粒,这种小颗粒我们就叫作光子。光子是构成光能量的最基本单位。又比如说水,就是由水分子组成的,不能再拿刀来切成二分之一的水分子或者四分之一的水分子。如果我们要用光子进行信息处理,用光子做量子操纵,需要从这么多的颗粒中一个一个挑出来。这个在技术上是非常困难的,因为很容易两个、三个、四个黏在一起,必须得发展一种非常精致的技术才能够把光子一个个挑出来,把信息加载上去,再把它送出去。


第二个非常重要的是,比如说有两个光子在空中飞,怎么让这两个光子在飞的时候相互作用呢?这其中,你得知道这边的光子什么时候出来,那边的光子什么时候出来。光源发射光子是非常随机的,你得让两个本来不相干的光子同时间到达同一个地方,然后把它们纠缠起来,这个在技术上也是非常非常困难的。总体上讲,所有一切都要基于量子调控,对一个个非常小的颗粒进行操纵,让两个互不相干的颗粒能够很好地通过相互作用按照你的要求去演化。


04 量子密码分发


王:那接下来想要问您的,一是量子密码分发是怎么回事?二是假设未来我们建设了一个量子网络,就像您一开始提到的最后在原理上实现无条件安全加密的这种通信,这样的量子网络会以什么样的形式存在,又会怎么样影响到我们的生活?


潘:第一,量子保密通信里最基本的内容,就是要把密钥从发射方送到接收方手里。这怎么办到呢?这种情况相当于,一道光飞过来了,我们把一个个光子挑出来,把信息加载上。加载上之后,通过自由空间,无线地从一个地方送到另外一个地方,或者是通过光纤传送到每个人的房间里面去,这也是可以的。从这种角度上讲,我们在这个过程中要找到一种方法,先挑出一个个单光子,然后通过量子网络,在城市里通过光纤传送到每一个房间里。如果更远的距离,像北京和上海就可以通过卫星中转。这就是密钥分发的基本情况。



王:在这样的路径中间会不会被人所监听或者所截取呢?


潘:我下面继续解释它为什么是安全的。基于两个原理:第一个原理,比如说我跟你说话之前,先发射一些单光子过来,形成一个密钥。因为是单光子,每一个光子携带一个密钥,如果中间有人窃听的话,他需要把信息提取出来,就得把单光子拿走。本质上他是没有办法只拿走半个光子的,因为光子不能再分割。所以当你没有收到这个光子时,你就知道这个密钥没有分发成功。没有分发成功怎么办呢?我们现在有一个网络,如果有一条线被它堵住了,那我们知道这条线始终有人在窃听,我们就不从这条线送,改从网上另外一个地方送到你的终端。就像我们发电子邮件,这个电子邮件可能有一段信息是从这条路走过去,另外一段信息是从另外一条路走过去,不一定从某个特定的地方走,而且每次走的路线也都不一样。你收到之后,就可以知道你的信息没有被别人偷听,那么我们俩就已经形成一种密钥,然后我们再开始通话。这里面的好处就是如果有人在偷听,你马上就能知道。你只用那些没有被别人偷听过的密钥来进行我们俩之间的安全的通信。


王:非常清楚。


潘:量子网络在城域网里面,我们目前的技术进展得很快。我们目前的网络本身是可以波分复用的,能够建立在已有的网络上。所以对同一根光纤,既可以用经典光通信来送传统的信息,也可以利用这根光纤来送量子的密钥。假定现在我在我的房间里面,你在你的房间里面,如果有光缆的话,我们可以通过光缆的帮助来传递我们之间的密钥,这是非常安全的。另外,对于无线,你可以想象在家里,比如说在手机上有一个密钥的存储芯片,这个芯片只能在某个特殊的场合写入,跟充电一样,你出去之后就可以给别人打安全的电话,一直到你手机上的密钥,相当于你的电用完为止。这是将来移动量子通信的目标,目前的技术很难直接通过无线把量子密钥送到你手机里面来,但利用光纤网络可以非常方便做到。这样的话,有覆盖全国或者全球的网络之后,就始终可以得到密钥分发的支持。简单来说,将来我们可以有一个量子加强下的安全的互联网。

 

05 寄语新人


王:非常棒的概念。您对刚刚踏入物质科学研究的新人有什么建议?


潘:我觉得无论做什么事情,兴趣是很重要的。要找自己感兴趣的事情去做。物质科学里面有很多研究方向,需要选择自己感兴趣的方向。还有就是对自己研究课题的鉴赏能力。知道这个东西到底是不是好,是不是非常有趣,这也很重要。从这种角度上讲,去做自己比较有兴趣的事情,自己能够理解到它的妙处的事情,可能是一个比较好的选择。


王:我非常赞同您的观点。再次感谢潘老师的时间,我们这次专访就先到这里,也再次祝贺您获得第二届未来科学大奖物质科学奖,谢谢。


06 写在最后

 

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访问人:未来论坛青年理事轮值主席王淮Harry,现行资本创始合伙人,原Facebook中国籍的第二位工程师和第一位研发经理,斯坦福大学管理科学和工程专业硕士,浙江大学计算机学士,Aspen Fellow。


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