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2023-01-31
量子力學正面應用很多，但也存在潛在負面影響
更新時間：2022-09-06 08:38:36作者：未知
導讀：中國科學技術大學副研究員、風云學會會長袁嵐峰所著的《量子信息簡話》于2021年11月發(fā)行。本書從普通讀者的視角出發(fā)，先介紹量子是什么以及較為容易理解的量子精密測量，然后講述量子力學的“三大奧義”，再介紹量子計算和量子通信，讓讀者了解量子信息的大圖景。 近日，袁嵐峰接受觀察者網專訪，分享了他著書的背景與過程；分析了量子力學與區(qū)塊鏈和人工智能的潛在關系；探討了量子信息對現(xiàn)有加密系統(tǒng)的沖擊性影響，以及其他潛在負面影響。本文為采訪前半部分。
【采訪/觀察者網 李澤西】
觀察者網：袁老師，您在2021年發(fā)布的《量子信息簡話》中，提到了自己本來不是量子專業(yè)的，也沒有直接從事這方面的研究，您原來的專業(yè)是理論與計算化學；為了寫這本書，您也算是學習了一個新的領域，可否分享一下您快速學習新領域的一些技巧？
袁嵐峰：量子信息是近40年來新興的交叉科學，就是量子力學加上信息科學的交叉科學。最近有些學校新開了一個一級學科，叫做量子信息科學，因為他們越來越重視量子信息的發(fā)展。
我的一級學科是化學，理論與計算化學算是二級學科，有時候我也會說我的二級學科是化學物理。理論與計算化學最大的特點是不做實驗。傳統(tǒng)上，當你提到一個人是化學家，你腦海里面首先浮現(xiàn)出來可能是一個穿著白大褂，甚至還戴著護目鏡，然后經常做實驗、煙熏火燎的。但是我從來不是，因為我知道自己的實驗能力非常的不行。就像楊振寧研究生時期的那句笑話：“哪里有爆炸，哪里就有楊振寧?！彼院竺嫠D到了理論物理，他的朋友說這對實驗物理是一種幸運。
那么這個理論與計算化學跟量子力學是什么關系呢？量子力學是理論與計算化學的理論基礎。首先，整個化學的理論基礎其實就是量子力學，然后是理論與計算化學；其中絕大部分內容叫做第一性原理計算，就是給定一個體系里面有什么種類的原子，這些原子有多少個，它們處在什么位置。只要給定這些基本信息，就可以預測出這個體系的所有性質，在原則上它的一切都是可以計算出來的。為此要解非常復雜的薛定諤方程。第一性原理計算的大部分研究，就是怎么去解這個薛定諤方程，然后怎么去編程序，怎么把結果算出來，然后從計算結果當中提煉信息。
薛定諤方程設定的波函數(shù)模型圖（圖源：“納米通訊”）
因此，我對于量子力學本來就可以算是相當熟悉的，因為那是我整天用的。量子信息當中，我不熟的是其中的信息部分；它是量子力學加上信息科學的一個交叉。書里面說過，我?guī)湍切﹤鹘y(tǒng)通信行業(yè)的人理解量子通信，比如說 “奧卡姆剃刀”（著名科普作家、原軍校通信專業(yè)副教授張弛博士），他的領導希望他開一門量子通信的課，他去看相關教材的時候就感覺滿頭霧水，因為他不懂量子力學，但是對于傳統(tǒng)通信他還是非常熟悉的。我跟他們正好相反。
我最初學習量子信息，是因為侯建國老師，科大當時的校長，他給我們提議，說最近量子信息這個學科蓬勃發(fā)展，大家都應該去學習一下，我就稍微了解了一下。通過一點點資料，我就明白一件事情：2015年初新聞報道里面說的所謂量子瞬間傳輸技術，實際上叫做量子隱形傳態(tài)。它是有一套明確的技術方案的，最終實現(xiàn)的效果是把一個粒子的狀態(tài)轉移到遠處的另外一個粒子上去。它不是移動物質，而是移動物質的狀態(tài)。當我看到大家對那個新聞都喊好但是不明覺厲的時候，我就覺得有必要向公眾解釋一下。這個事情完全是可以解釋清楚的，但是不能指望記者，因為記者肯定從來沒聽說過這么專業(yè)的東西，所以寫出來的全是這種語焉不詳?shù)膱蟮馈?/p>
我問了一下我認識的潘建偉院士研究組的同事陳騰云博士，他給我稍微解釋了一下，然后我就寫了一篇文章。我非常驚訝地發(fā)現(xiàn)，這篇文章的反響居然這么大，有很多人因此關注了我，尤其是像“奧卡姆剃刀”這樣的人。后來我才明白，我是替他解決了這個問題，他不明白這個量子通信到底是怎么回事，現(xiàn)在知道它不是個偽科學，它不是個神乎奇跡的東西，它是完全符合物理原理的，而且它跟傳統(tǒng)的信息論也沒有矛盾。有些所謂科普文章說量子通信超光速之類的，把他的信仰都打破了，然后覺得天崩地裂一般。其實是這些所謂科普搞錯了，量子通信是一個完全正規(guī)的東西。
這對“奧卡姆剃刀”留下一個非常好的印象，所以過了一段時間之后，他來找我，說是想請我去總參謀部做報告，講量子通信。
我說，我又不是搞量子通信研究的，你們找我干嘛？
他說，其實他們首先來找的是他自己，然后他推薦我。
我說，我們國家研究量子通信的人多的是，找他們去就好。
他說，實際上已經找過了，第一步就是找他們，但是他們講完之后還是聽不明白，所以希望找一個能聽明白的人，就來找我。
我說，好吧，既然是為國家出力，那就去吧。但是這對我來說是個非常大的挑戰(zhàn)了，因為我在此之前并沒有系統(tǒng)的學過量子信息。我之前已經買了一本非常著名的教材，叫做《量子計算與量子信息》。這本書但凡是關于量子信息的文章都會引用一下，所以成了現(xiàn)在整個物理學領域里面被引用最多的教材之一了。
在我去總參謀部之前，我有一個月的時間。那個月我閉門謝客，其他事情都顧不上，我告訴大家我得好好準備，我得趕快自己先把量子信息學一遍。我就在一個月里拼命啃這個教材，一邊看一邊提煉它的脈絡，一邊做筆記，決定我們到底要主要講哪些部分。所以這一個月是高度緊張、同時特別充實的一段時間。
到了出發(fā)之前不久，我才把全書的提綱寫出來，總結了這個書里面最重要的是什么，有哪些內容值得向大家講。我的一位朋友幫我打印出來，我拿著趕快去上火車，講課的PPT是在火車上做的！這是我印象中最緊張的一次“備課”的經歷，因為首先自己要拼命的去學，然后在學的過程當中有問題就趕快提，盡快的形成一個脈絡，才能拿去跟人講。
那時，我總結出跟量子信息關系最密切的量子力學原理有三個（疊加、測量、糾纏），我把它們戲稱為“三大奧義”，它們跟量子信息的關系是什么，這些都是看那本書總結出來的。我不但要將其看明白，而且還要飛快的做出一個提煉，想明白對于普通人來說最好的講法是什么，就是這樣一個巨大的挑戰(zhàn)。但是我想，這也是一個人生當中非常難得的經驗，是吧？如果不是因為有這樣一個急如星火的任務，我也不會想到要以這么高的強度去學這個東西。但是學了之后當然也是很有好處的，因為我自己增加了理解。
那次跟總參謀部交流，他們也是非常重視的。在下午跟他們技術人員的對話中，他們提的問題非常的專業(yè)，都是真正在一線搞軍事通信的人。很多問題我能答出來，但是也有一些問題我答不出來，而且這些確實是非常切中要害的問題。比方說，老有人在問的是，量子通信到底用的是什么編碼方案。我說，這個問題問得非常好，書上是寫了，但是我沒有完全看明白，所以我的報告里全面講了量子信息，量子通信只是作為其中一部分來講，而且講的是比較語焉不詳?shù)摹Ｎ抑皇歉嬖V大家一個最基本的原理，表明這東西可以實現(xiàn)，但是到底用什么具體技術方案，那本書寫的確實不太讀者友好，當時我是沒有完全看懂。我最后表示得回去再請教一下專家，然后自己再好好研究一下。
那次交流對我自己收獲也很大，我明白了他們一線的工作人員考慮的問題。而且這也讓我明白，科普必須是你自己把所有的問題都理清楚，才能給人講。如果你自己有地方糊涂不解，別人肯定能夠想到，因為那也是他們真正關心的問題。所以這對我也是一個很重要的教益，科普一定要有針對性。如果有一個你自己都說不清的地方，你不要想著糊弄過去，肯定會有人來問。
后來有一個契機，讓我對量子通信大大的加深了了解。一年之后的2016年，我們發(fā)射了墨子號科學實驗衛(wèi)星。衛(wèi)星上天之后有一大堆的記者來采訪，他們都把我看成一個量子信息專家，雖然我完全不是。
2016年，我國發(fā)射了墨子號科學實驗衛(wèi)星（圖源：央視網站）
他們要我解讀墨子號到底干什么的，量子通信到底怎么做的，在這個時候我也感到有點迷惑。許多所謂科普文章都會說，量子通信用的是量子糾纏，可是根據(jù)我對那技術的理解，我好像看不出來這里面到底哪一步用到量子糾纏。那時候我已經認識了一線做相關工作的人，比方說陸朝陽教授。他看我的微博，看到我寫的那些文章，對于我能將他們這個領域解釋得這么清楚感到大為吃驚。我當時打電話去問他們說，你們天地之間的量子保密通信到底是怎么做的，到底在哪用的量子糾纏？
陸朝陽的回答讓我大跌眼鏡，他說，我們根本就沒有用量子糾纏。我們明明發(fā)的是單光子，哪有量子糾纏？量子糾纏需要至少兩個粒子。
我說，既然這樣，為什么那些科普上都說是用到量子糾纏？
他說，他們寫錯了，其實我們并沒有。
這個也對我是一個重要的教育，我也不知道這是我們國家特有的狀況，還是全世界都一樣：有很多你看起來好像說的蠻有道理，人人都能接受的、科普界到處傳的東西，其實是錯的。所以是需要有人跟一線人員保持非常密切的接觸，把正確的東西傳達出來。
觀察者網：量子力學的成果能如何跟如區(qū)塊鏈、元宇宙、人工智能等新科技領域互助結合作用？
袁嵐峰：這個問題非常有意思。如果有人問我量子信息跟區(qū)塊鏈是什么關系，我的回答就是一句話：最基本的一個關系是，量子計算機可以破解比特幣。因為區(qū)塊鏈最核心的技術是加密，要保證每一個交易都是保密的。當前比特幣用的加密技術叫做橢圓曲線密碼。我的書里面解釋了一個最常用的密碼，叫做RSA，可以被一個量子的因數(shù)分解算法破解。但實際上不止于此，同一個算法也可以用來破解一些跟它類似的數(shù)學問題。橢圓曲線密碼跟 RSA是同類型的，它們都叫做所謂離散對數(shù)問題，所以能破解這個RSA就能破解橢圓曲線密碼。結論就是說，量子計算機原理上已經足以破解橢圓曲線密碼，唯一的問題是硬件還沒造出來。所以那些比特幣等等還在用，但如果加密系統(tǒng)不改的話，早晚會被破解。
量子力學跟元宇宙有什么關系？我其實真看不出來它有什么關系，目前我沒聽說有誰把量子跟元宇宙拉到一塊去。
量子計算機跟人工智能這個關系還是挺密切的，據(jù)我所知已經有很多人在研究用量子計算來做機器學習了，所謂量子機器學習，這是一個很蓬勃的研究領域。這個問題也在于它仍然處于一個只有理論沒有硬件的狀態(tài)，因為適合做這些事的計算機，或者說有實用價值的量子計算機還沒造出來，現(xiàn)在都只有原型機。我不會說它是偽科學，這肯定是一個非常有前途的發(fā)展方向，因為機器學習或者說整個人工智能一個核心的限制就是計算力量。量子計算機能夠提供非常強大的算力，所以任何人都能想到它們之間肯定會有一個很大的結合的空間，但是前提就是要等到有實用價值的量子計算機出現(xiàn)。
袁嵐峰：量子機器學習未來可期（圖源：中國數(shù)字科學館）
觀察者網：您在書中提到的多數(shù)是量子力學的正面應用。那么，有沒有潛在的負面作用呢？比如說對社會、個人隱私、政治、經濟等的影響？
袁嵐峰：其實任何科技都可以有正面影響，也可以負面影響，就看你怎么用了。比如說量子保密通信的好處是完全保密，壞處也是完全保密，其實是同一件事，就看怎么用。因為加密和破解貫穿整個人類歷史，是一直存在的一對矛盾。核心問題在于，如果真的有個特別保密的技術，那假如犯罪分子用這個技術，我們怎么辦？所以保密通信始終是處在一個你又想用，但是又不想讓用的人太多這樣一個狀態(tài)。
全世界所有的國家政府推行的保密標準都是對于普通人來說非常難以破解，但是對于政府來說，它總要留個后門。例如，美國推出的那些加密的標準總是讓普通人破解不了，但是自己能破解，量子保密也是這樣。經常有人來問我說，犯罪分子用了這個東西，我們不是抓不到他了嗎？我就告訴他，數(shù)據(jù)不還是在運營商手上嗎？但如果兩個人中間什么中介都沒用，就用他們自己的硬件，做了一個量子密鑰分發(fā)（量子保密通信的專業(yè)名稱），然后他們倆之間通信，那確實就是任何他人都拿不到了，運營商也拿不到了。
這就是所謂道高一尺魔高一丈，技術就看你怎么用。量子計算機也是這樣，你可以用它來做好事，也可以用來做壞事。你可以用它來做天氣預報，交通控制，你也可以用它開發(fā)新的核武器，全看怎么用。
觀察者網：一個相對近期的負面作用，就是推行量子信息應用的過程：所有的加密系統(tǒng)全部都需要更新一遍。這據(jù)您的預估大概要花多大成本，然后會產生什么樣的困難？
袁嵐峰：但凡在加密行業(yè)周邊人士都知道傳統(tǒng)密碼要保不住了。雖然它當前還是可以用，因為能破解密碼的量子計算機還沒造出來，但這是早晚的事。你不可能等到那個量子計算機已經造出來，然后再去改，那當然就來不及了。不要說量子計算機，經典計算機也是在不斷進步的，所以這個算法無論如何都是要不斷改進的。
業(yè)界內有一個很大的運動，有很多人在研究所謂后量子密碼（post-Quantum Cryptography），或者叫抗量子密碼（Quantum resistant）。這個東西是什么意思？它仍然是一個基于數(shù)學的密碼，在這個意義上它跟傳統(tǒng)密碼是一樣。但是密碼設計之初的指導思想就是要抵抗任何已知的量子算法，就是說如果沒有開發(fā)出一個新的量子算法的話，你是破解不了它的。當然，問題在于，你怎么知道人家開發(fā)不出來？到目前為止，沒有任何一個數(shù)學問題已經被證明了不可能被經典計算機破解，更不用說量子計算機了。所以現(xiàn)在整個密碼學其實處境都非常的微妙，我們認為任何一種基于數(shù)學的密碼是安全的，其實都是一種信仰，而不是事實，因為并沒有這樣的數(shù)學證明。我們只是覺得在實踐當中它用了很久，沒有人公開提出一個破譯它的算法，所以我們認為它是安全的。
袁嵐峰：我們認為基于數(shù)學的密碼是安全的，其實都是一種信仰（圖源：“半島電臺”）
業(yè)界現(xiàn)在正在征集后量子密碼標準，也有很多研究的投入。前不久國盾量子的副董事長趙勇博士說在征集過程中遇到很多困難。一開始，業(yè)界提出了很多后量子密碼的方法，準備上升為標準?？墒悄莻€時候后量子密碼還處于一個自由研究的階段，大家會覺得這事好像雨后春筍一般，冒出很多思路都可以。真到了要從中選擇幾個作為標準的時候，那就要真刀真槍“PK”了。那時候發(fā)生的事情就是，大家一方面提出自己的想法，一方面互相去破解別人的，立刻就有很多人發(fā)現(xiàn)可以破別人的方法，都搞不清楚到最后能不能有幾個存留下來。
基于數(shù)學的密碼有個好處，它切換的代價是比較低的，它是基于數(shù)學問題。但是最大的問題就在于你永遠都不知道它是不是真的能保密，你永遠不能排除別人哪天靈機一動提出一個更好的算法。隨著后量子密碼越來越保密，同時也有個必然代價，就是計算量越來越大。
一般人可能沒有意識到，加密解密其實也是需要計算量的，而且這個成本會變得越來越高。比如說，我們現(xiàn)在最常用的RSA，它把加密寄托在一個大的合數(shù)上面，就是兩個很大的質數(shù)相乘，然后得到一個很大的合數(shù)。那個合數(shù)變得越來越長了，早年128位就行了，然后后來有人破解了，就翻成256位，然后逐漸上升，現(xiàn)在常見的是1024位，然后業(yè)界現(xiàn)在說，1024也保不住，推薦2048了。但是加密解密的時間成本隨著密鑰的長度，上升的也是非常快的，所以 RSA也變得越來越不經濟了。類似的事情對于后量子密碼同樣存在，而且后量子密碼的計算量會變得更大，某一天就會到一個大家都要承擔不起的成本閾值。相對而言，量子密鑰分發(fā)有個好處，它完全不需要算力，因為它根本就不是基于計算的。在那種場景下，它會變得非常有價值，它可以節(jié)約大量的算力。
切換密碼體系對于業(yè)界是要付出一個成本，但是這個成本是必要的，你如果不改的話，密碼就完全等著被破了。但是怎么付成本，這當中會有多個路線的選擇。這是當前業(yè)界一個非常有意思的進展，所以這是很值得密切關注的。
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