【科学强国】星际穿越可以实现吗？——潘建伟圆桌现场放送

　　“星际穿越”真的有朝一日能实现吗？量子技术可以做到吗？在12月6日墨子沙龙演讲活动“从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技”上，潘建伟院士现场解答了观众的提问。

　　Q：我对星际旅行比较感兴趣，最近看了刘慈欣先生写的《三体》这部小说，如果要实现星际穿越的话，能不能通过量子纠缠来进行与地球信息的交流？

　　A：我认为量子纠缠无法进行遥远地点之间的超光速信息的传递，信息传递还是光速。刚才讲的两个过程，一是先有纠缠，两个粒子纠缠在一起，再与第三个粒子纠缠在一起；二是测量其结果，须通过无线电波(或是别的手段)发射到更远的地方，这个还是光速。所以它肯定是不能进行超光速的传递，但用来通信肯定是可以的，但量子通信和传统通信一样，都是以光速进行的，在通信的速度方面应该是没有任何优势的。

　　Q：量子这样的前沿科学对其他学科，比如生物或者化学，有没有什么影响？A：今天主要是面向高中的同学们，其实“贝尔不等式”的检验以及量子计算优越性，是一个非常深刻的道理。生命的过程和化学的过程，本质上都是量子的过程，所以埃尔温·薛定谔曾说：当量子力学建成之后，化学就已经变成了物理学的一个子门类了。因为所有的原子、分子的过程原则上都是薛定谔方程。但这个方程很难解，一旦涉及到刚才讲的50个电子或者50个原子，基本上就算不动了。这时如果想用传统的计算机对这些问题做全面的理解，是不可能的。所以我们为了得到它的一些规律，必须做种种近似，但这些近似都只能得到部分的信息。所以第一，如果希望对这个物质世界有一个完整的、全面的了解，根据费曼曾说的“世界是由原子构成的，原子是服从量子叠加原理的”，我们必须用量子计算机来测算。第二，生命科学也是同样，比如生物制药等很多方面，如果量子计算机能够造出来，我相信对某些生命过程的机理的研究，乃至对生物制药肯定会有巨大的推动作用。对生命也好，对化学也好，正如我们跟宇翱老师、赵博老师，以及其他很多科大的老师们合作，专门把它用到量子化学研究领域，是非常有意思的。

　　Q：青少年应该投入于物理理论的研究，还是投入于物理应用方面的研究？A：我认为物理是不分理论和应用的，例如我自己，我的本科和硕士都是学理论物理的。我学完理论物理之后，对后面做实验非常有帮助，因为如果理论不行，自己没有大脑，就只能沦为别人的一件工具。所以我认为如果对理论和物理概念理解比较深入，就更容易抓住新的方向，新的技术的精华之所在。我女儿现在也刚刚上大学，她告诉我：“爸爸，我将来可能十有八九不会学物理，但是我在本科的时候还是会学物理”，因为她觉得物理是所有学科里能够给她一些智慧的一门学科。因此以我个人为例，我觉得理论和实验都很好，先把理论学清楚，再去做实验。例子很多，例如我们一位华裔科学家丁肇中先生，他硕士就是学理论物理的；还有沃夫冈·克特勒，他本来也是学理论化学的。因此建议先把理论学好，然后再转实验，那么将来就会走得比较远，因为理论功底扎实，实验肯定做得比较好。

　　Q：为什么量子在被观测的时候，会从它的叠加态坍缩到一个确定的状态？我们在没有观测的时候，怎么知道它是叠加态呢？A：你的第一个问题是一个永恒的话题，目前大家都还不知道坍缩的过程。我当时大学就开始考虑，到现在为止，很多人还在拼命地努力，希望能够去找到波函数坍缩的原因，但目前仍不清楚。第二个问题是我们怎么知道系统处于叠加态，其实我们无法从一次测量就知道它是叠加态，我只能用实验手段先制造出很多“纠缠态”，因为纠缠态是叠加态。量子力学的奇妙之处就在于，仅一份不能说明问题，需要很多份。有很多份之后，就可以做“贝尔不等式”。假定它不是处于叠加态，会测得一个小于等于2的值，如果它处于叠加态的话，它最大值可以达到2√2，这就是去年与诺奖成果相关的“贝尔不等式”。他们设计实验来判定它是处于叠加态，而不是处于某一个态。不是靠测一个，而是要用同样的实验手段测很多份，造出一堆纠缠态，然后测一个不等式，通过测完之后得到的数值，就知道它是处于叠加态了。这个很有意思，如果有兴趣的话，你们都能推出来，不需要用高等数学。你们可以上网找到一个我的演讲（推导在视频30:50左右），那里有一个比较细致的，方便高中生推的东西。

　　Q：量子通信相对于传统计算机有极高的安全性，而面对量子计算机时是否还有如此高的安全性？A：它是迄今为止唯一信息论可证的安全通讯方式，而且按照我的观点，很可能将来是唯一一个。所以是否有量子计算机制造出来，对它的安全性没有影响，因为它的安全性有个非常强大的特性。如果中间被窃听过了，它就变成了冷的或者热的，就是坍缩了。那么利用这个特性去测贝尔不等式，只要贝尔不等式基本靠近2√2，它就是安全的。所以从这种角度上讲，它的安全性是非常强大的，不依赖于计算复杂度，量子计算机也无法进行破解。

　　Q：在它安全的时候，窃听者为什么只能测定一次的量子状态，而不能测量多次进行破译或者多设置几个破译的人？A：刚才已讲，这跟我们的牛顿力学不同，它跟测量次数没有关系。我们知道，一个物体的性质是由什么决定的呢？其实有两个：第一是在什么时候处于什么位置；二是动量，这个位置会以哪个方向怎么动，再乘以质量这个重要的参数，即速度乘以质量就是动量。所以位置和动量就是描述一个客体性质的基本特征。我们目前的高中物理即传统物理告诉我们，这两个特性是可以同时存在的，都是可以同时被精确测定的，测位置不会影响动量，测动量不会影响位置。即测之前这个量就存在，测之后对它没有影响。测动量的时候，可以把影响减到忽略不计，测位置也可以减到忽略不计。但是量子不同，即使你对它测的影响极小，当你一测，它就变成了非叠加态。因此，不管干扰多么小，别人只要测一次得到信息，就破坏了它的叠加，那么它自然就被别人知道了，密钥也就被丢掉了。所以从这种角度上讲，这跟测量次数、测量人数都是没有关系的，它本质上是一测就被破坏，从理论上根本不可能把这种影响减到极小而不破坏叠加。

　　Q：量子通信既然是最安全的，为什么不在现实生活中全面推广？A：大家知道，一种新事物的推广，是要有很多条件的，第一就是成本。如果成本很高，像100多年前的“德律风”，既然电话这么好，为什么不推广，而只能皇帝和太后用，因为太贵了。所以量子通信第一步是要把成本降下来。第二，正如汽车刚刚发明的时候，没有公路，用起来也是很不方便，需要配套的基础设施；而且大家认为汽车可能很不安全，比如当时英国汽车制造出来后，有些人喜欢开汽车，但开汽车的人前面必须有人引路，相当于拉马车一样，而且速度也要有限制。第三，新的事物推广之前，需要得到大众的接受和认可。比如现在汽车都有雨刷，这是非常简单的，但是雨刷刚被发明出来的时候，不被大众接受，大家觉得雨刷大逆不道，因为挡住眼睛视线会引来不安全性。因此，要推广新事物，首先需要降低成本，第二是需要配套的基础设施，第三还要转变大众的观念。我觉得大家很快会看到它的全面推广，就像中国电信今年已经有三百万的量子密话用户了，明年可能就一千万了，这个时代正在快速到来。

　　Q：量子效应能不能在宏观的物体上体现，如果能的话，人类是不是可以对自己形成观测？A：是不是只有原子、分子这样的微观粒子体系才存在量子效应呢？不是的。只要两个粒子之间靠近的距离小于它的“德布罗意波长”，量子现象就发生了，所以在宏观世界是完全可以出现的，而且“超导现象”也是宏观世界的一种量子现象。并且，大家知道在宇宙当中有中子星，中子星里面就是一种非常强关联的量子物质体系。中子星至少有几十公里大，通常是10公里的量级，我曾经计算它的重量是万亿吨。即使是中子星这么大体积的物体，它的内部是处于一种叫做“超流”的状态，这也是一种量子现象。所以从这种角度上讲，宏观世界只要满足条件就可以发生量子现象，而不是只是在微观世界。玻色-爱因斯坦凝聚也是如此。

　　Q：量子技术的发展对我们将来的职业和生活有什么直接的影响？A：本质上我是不太关心这些问题的，因为我当年搞量子力学基础研究的时候，从未想过量子信息会有什么用，所以我还是比较建议，对什么感兴趣，就去做什么。做了之后，说不定哪天就会有点用。比如大家当时非常担心人工智能的出现会让很多人失业，我觉得不是这样；当年大家说织布机批量制造出来，织布工人就全失业了，事实也并非如此。任何一种新的技术的发展，核武器除外，从很大的程度上讲，只要不被误用，只会让我们的生活变得更好、更便利。我觉得新的技术的发展，不是挑战，而是更好的机遇。所以我建议还是去做你感兴趣的。

　　Q：刚刚您讲到围棋选手和超级计算机进行下棋比赛，超级计算机耗能非常巨大，而人没有，是不是可以理解为人脑其实是一种类似于量子计算原理的机制？A：我个人是强烈地认为有这种可能，所以我也希望对量子计算的研究，能够给你刚才的问题提供部分的答案。但是也有一些专家是强烈地不认可，这就是科学的美妙之处。但认可也好，不认可也好，最后还是要靠实验来实证。比如前几年得诺奖的，因为黑洞方面做出很重要工作的人——罗杰·彭罗斯，他就认为我们的脑就是量子脑，因为确实我们做很多事情是很省能量的。有时很奇妙，自然界进化出来的东西往往比我们人造的东西更精妙。所以我认为你讲的非常有可能。自然界是慢慢进化的，大爆炸后只有质子、电子、光子，后来形成了氢和氦元素，慢慢地形成第一代恒星开始燃烧核聚变，第一代恒星“死亡”后的超新星爆发才形成了重元素，然后才能形成我们的生命。而后我们又回过头来理解这个世界，理解这个世界之后，我们又造出各种机器来更好地理解世界。更进一步说，一位华人科学家，清华大学目前的一位教授，图灵奖获得者——姚期智先生，他认为将来可能人工智能是向人脑学习的，量子计算是向自然界学习，把这两个结合在一起，可能是一种新的生命，我们制造了新的生命，可能世界的进化变得更加有意思，所以我觉得这方面有无限的可能性。

　　来源：本文转载自墨子沙龙（ID：MiciusSalon）

　　审核：龚紫陌