【编者按】4月7日，回到家乡金华的中科院院士、全国青联副主席、中国科技大学常务副校长潘建伟，为金华市民带来了一场题为《神话、哲学、互联网与未来》的演讲。一个多小时的演讲里，潘建伟院士以生动的语言和形象的比喻，讲解了量子物理、量子信息等领域的最新科研成果。浙江新闻客户端将讲座录音独家整理成文，与大家分享——
首先，我想给大家分享的就是信息交互的作用。考古发现，地球上的同一时代存在着两种人属，一种叫硕壮人，一种叫直立人，硕壮人和直立人当时都已经开始使用工具了。但是硕壮人的脑容量比较大大，直立人相对也没有硕壮人那么强壮，所以硕壮人在生存方面比较有优势。
有意思的是直立人发明了符号与语言，他能把自己的所见、感受通过语言，和同类进行分享，可以通过计算发现，当我们有50个个体的人，能够把各自所获得的知识进行分享的时候，就变成了不可战胜的团体。所以这就是为什么在人类进化的过程中，其他人属都慢慢地消失了，只有直立人，也就是我们的祖先，因为发明了符号和语言，然后才慢慢的演化为智人和现代人。大家可以发现，这一过程中信息的交互起到了至关重要的作用。而符号与基本的语言，又是信息交互的关键。
所以把一个小村或者部落的协同创新当做互联网的雏形的话，我们就可以说互联网的一个基本的概念其实就是信息的交互和共享。
神话传说的物理实现
与此同时，还有一个非常有意思的概念，我们每个人多多少少都是有独立自主的思想，所以每个人都有一定的自由度和多样性。那么这一特性靠什么保护？比如说我在台上给大家作报告，其实大家的理解是不一样的，而且我很难知道你到底在想什么，最多只能知道个大概，所以每个人就有了隐私的保护，正因为有了隐私的保护，才有了思想与自由的多样性。所以像古代的雅典学院等等，能够产生各类伟大的思想家，形成各种各样的创新，推动人类文明的进步。在春秋战国时期，也因为思想的自由和多样，导致了百家争鸣和整个社会的创新和进步。
所以有了信息的交互，信息就能传承；有了思想的自由和多样性，我们才能进行各种各样的创造。
有一个典型，比如说吴承恩，他写的《西游记》里面有许多千奇百怪的概念。第一个就是天上一日、地上一年，告诉我们，天上的神仙时间会过得慢一点，他们活得时间会长一点。
我们还有另外两位印象比较深刻的神仙，当时孙悟空从石头里蹦出来的时候，玉皇大帝就让顺风耳、千里眼，去听听、看看到底发生了什么事情。在很遥远地方发生的事情他们能够听到，能够看见。
当然在《西游记》里面给大家留下最深刻印象的应该是孙悟空。孙悟空有两个让人觉得最神奇的能力，一个是分身术，他毫毛一拔，到处一扔，就变出好多个孙悟空。他还有另外一种非常强大的能力——筋斗云。翻一个筋斗，就可以从一个地方消失，在十万八千里外的地方出现。
但是我们会发现，这些神话传说，也就是我们思想中自由创造出来的东西，随着科技的发展，都变成了现实。
大家都知道，在高中的时候我们就学过电磁学，慢慢地由马克斯韦尔在1864年建立了电动力学，电动力学预测，把一个带电流的线圈，在抖动的时候，就会发射出电磁波、无线电波，但是无线电波是摸不着、看不到的，但是正因为得益于电动力学的建立，我们能进行无线电的通信。
1888年，赫兹在卡尔斯鲁厄——德国的小镇，做了一个实验来验证电磁波确实是存在的。有一个小线圈在抖动，当线圈通电之后，在很遥远的地方，按道理应该发生电火花。但因为他这两个实验室本来是在两个不同的房间相距十米，所以他摇完以后赶紧跑到隔壁房间看，什么也没有看到。后来赫兹后来把这个墙拆掉了，这边一抖，那边即时的电火花就发生了。当时，就是因为无线电波以光速传递，跑得太快了，所以赫兹怎么跑还是跑不过这个无线电。
正因为有电磁波，随后有人发明了电话，在1926年的时候一个叫贝尔德的人发明了电视机，到现在我们还用上了手机，所以说之前的千里眼、顺风耳都成了现实。
那么大家可能会问，吴承恩小说里天上一日，地上一年的概念会不会实现？
到了1905年，又有一位伟大的科学家——爱因斯坦提出了狭义相对论，随后又提出了广义相对论。前阵子，爱因斯坦的百年之前预测的引力波，在科学家经过近一百年的努力之后，我们探测到了13亿年前发生的一个事件所留下的引力波痕迹。
当时他提出，如果有一个物体能够进行高速飞行，比如说有对双胞胎兄弟，两人的年纪相同，有一个是宇航员，坐着宇宙飞船在宇宙中进行接近于光速的旅行。他飞行几分钟后，他地球上的双包胎兄弟，可能已经变成中年汉子了，而这个宇航员还是和原来一样年轻。
这些现象在相对论里也是允许存在的，但是我们还没有经历过这些现象，我们怎么证明这些现象是存在的，我们可以让有种高能粒子，π介子，如果把这种粒子抓在一个地方，囚禁住，它的寿命大概是几个微秒左右，但如果把π介子加速到光速，我们可以发现它是可以穿越大气层的，也就是它的寿命可以从几个微秒提高到几个毫秒，这也就告诉我们，目前在微观世界中已经可以实现天上一日，地上一年的概念。
信息交互的未来挑战
正是因为有了电磁波这些技术，我们信息交互的效率其实是越来越快的，在古代的时候，我们的语言是口口相传的，所以我们有一个部落或者村庄。后来慢慢有了文字后，我们可以以书面形式，把古人的知识给记录下来，这样就能进行千里传输，但是那个时候的信息交互还不是特别发达。
随着科技的发展，第一次工业革命，蒸汽机，铁路的出现，我们信息的传递效率和交互效率就变得越来越高了，整个世界也就慢慢变小了，我们就可以进行环球旅行。第二次工业革命是电动力学的应用，把整个世界都紧密地结合在一起。
到了现代，因为有计算机和互联网的出现，其实整个地球都变成一个村子了。所以说，我们整个人类进化的历史，信息交互的进步是一直伴随其中的。
在这一过程中，我们有两个基本的问题是需要解决的，一个信息交互的效率，一个是隐私的保护，也就是信息安全。
随着信息科技的发展我们也慢慢面临着相应的瓶颈，目前我们面临着两项重大的问题，第一个计算能力的瓶颈，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米量级，电子的运动规律就不再遵守经典物理学的规律了。而且目前所谓的超级计算机或者说是数据中心，但是它们的能耗是巨大的，进一步发展是难以为继的。所以随着大数据和信息爆炸的到来，我们需要迫切解决的问题是未来计算机怎么发展。
第二个问题和我们更加相关，就是需要解决信息安全的问题，比如说芯片从国外进口进来，可能芯片会留有后门，这样芯片本身可以把电脑里的信息主动往外泄露，一些存储条也可以预设木马，对信息进行截屏，往外发送，所以我们的终端因为种种原因是不安全的。
有一种解决方法，就是可以对超级计算机进行加密，但随着计算能力的增加，原来那些非常有效的加密算法也都已经被破解了。
这么一来，大家都希望能够建立下一代的标准密码。非常不幸的是，这些标准密码还没投入使用，又被发现是不安全的了。大家可能还没有直接受到过损害，其实网络犯罪每年给全球带来了大量的经济损失，我可以引用美国战略和国际问题研究中心的数据，目前网络犯罪每年给全球造成数千亿元的经济损失，更加不用说因为种种可能的其他原因，对国防安全、政务安全方面造成的损失。所以信息安全问题也是无所不在的。随着我们进入信息社会，信息安全的瓶颈也是必须要解决的。
量子世界的分身术和筋斗云
刚刚提到的种种问题，其实量子力学在近百年的发展过程当中已经为之做好了准备。这其中正好要用到吴承恩所说的两个概念：分身术和筋斗云。
具体来说，第一个就是要适当利用量子世界的分身术。这得益于上个世纪的一些物理学家建立的量子力学。量子力学和我们日常生活中的经验有一个很大的区别，就是我们日常生活的世界里，金华的市长在这儿听报告，他就不可能在他的办公室；我在金华这个地方，就不可能在上海或者合肥。这是经典世界告诉我们的：我们某个时间只能在某个地方。但在量子世界，对于一个微观的客体，它不仅在这里，也可以在那里，同时在好多个地方。 这个在我们的日常生活里是遇不到的。
在量子世界中，对于微观的客体可以在好多个地方同时存在，这是什么意思？
我举个例子简单解释一下。比如台下的金华市长带代表团去德国法兰克福访问，完成工作后飞机落在北京。从法兰克福回来，市长可以选择两条航线，一条从莫斯科过来，一条从新加坡过来。假定市长在飞机上太累了，所以睡着了。新加坡还非常温暖，莫斯科已经非常寒冷了。
假设到了北京之后，我见到了市长，我问他，你是从哪条航线过来的？因为坐飞机的时候市长睡着了，没看从哪一条航线过来，只记得当时睡着的时候，感到一冷一热。可大家都觉得不可能同时走两条线路，一定是市长工作太累了，发生了错觉，最好下次出访的时候睁大眼睛，看看到底是从哪条路线回国的。
假定市长就很老实地坐1万次飞机，结果发现，随机的5000次是浑身寒冷，5000次是非常地温暖。这样市长就觉得非常放心了，认定第一次是自己发生了错觉，终于可以安心睡觉了。但是他又做了1万次实验，发现非常不幸的是，每次只要睡着了，醒来的时候感到的总是冷热交加的感觉。
刚刚讲到的就是量子世界中很有意思的现象，那么它什么时候会存在呢？但凡是整个宇宙间没有任何一个人知道市长是从哪条航线过来的时候，市长就处于同时存在两个地方的状态，就是没有任何人看到他，这是一个很重要的前提。这点就非常有意思，也就是说只要有人睁开眼睛稍稍看一眼，市长就只处于某种状态，这就是量子世界里的分身术。
为了解释这样的现象，在量子力学里面就说，第一，在某些特殊的情况下，如果说你没在看这个客体到底是处于哪个位置的时候，在某些特定情况它可以同时处在两个位置。第二个又告诉我们，就是量子客体的状态，你只要轻轻地去观测一下，对它的影响就不可逆转了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。
这套理论在哲学上讲是非常积极的，整个世界是唯物的，但只要人睁开眼睛看看又是对世界能产生影响的，所以量子客体的状态是会被测量所影响的。所以平常一个人不会同时出现在两个地方，因为哪怕一个人睡着了，日光灯一照也知道他在哪个地方，或者说别人看你一眼就知道你在何处了。但是到了微观世界的某种特定条件下，如果说没有任何信息告诉你是从哪来的，你就会处于这种不确定的状态，利用这种状态就可以做很多事情。
前面说到量子客体的状态会被任何微弱的测量所影响，这样一来量子力学和牛顿经典力学是完全不同的。牛顿力学告诉我们一旦一个粒子和这个体系的初始状态是决定的话，那么所有粒子未来的运动状态，根据牛顿力学的F=ma这个方程我就可以预测出来了。如果我们人的所有的粒子都是由牛顿力学在控制的话，那么我们今天在这个地方开会、我们什么时候死、谁做生命学家、谁做物理学家，在宇宙大爆炸这个时候就已经确定了。所以从哲学上来讲，牛顿力学是决定论的，或者是宿命论，也就是说我只能当一个老师，市长只能当一个市长，但是在牛顿力学里这个是早就决定了的，与个人的奋斗没有任何关系。
但是量子力学却告诉我们，你只要稍稍努力一下，哪怕是睁开眼睛看一下世界，都会对整个世界的进程有所影响，所以从这个角度上讲，量子力学比牛顿力学，要更加积极一些。
那么什么事量子，量子就是构成物质的基本单元，同时也是能量的最基本携带者，量子除了有叠加态外，还有不可分割性。具体来说，我们可以用粒子的状态来加载0和1的信息。在一个经典的世界，它只能处于上海或者北京，只能处于0或者1。到了微观世界之后，我们可以同时处于0和1的状态相干叠加。正因为有了这个相干叠加之后，新的定理就发生了。你若对这种状态去测量，就会对这种状态产生不可逆转的影响。它本来是处于冷热交加的，你一测它就变得冷或者热了。这么一来，量子力学告诉我们，未知的状态你是测不准的，这是量子测不准原理。
爱因斯坦不仅是相对论的建立者，同时也是量子力学建立者之一。但他也非常不喜欢这样一种不客观的理论。因为他认为客观世界是独立于我们的意识而存在的。他说怎么可能你去测一下，结果对这个状态会发生影响？
这儿要提出一个量子纠缠态和纠缠粒子的概念。这是什么概念？比如说我今年春节回金华老家来，正好见到了市长，我就想着送市长一个骰子作为礼物，我就把两个纠缠粒子的其中一个送给了市长，我事先做好了，他的这个骰子跟我这个骰子是纠缠态。回到合肥的办公室后，我就给市长打电话，要求市长把手中的骰子扔一下，结果每次都是六分之一的概率，每次都能得到1到6其中的一个数。于是市长就扔了几百次，并把每次的结果写下来，每次都是随机得到1到6里面的某一个点数。我就跟市长说你第一次是多少，第二次是多少，每次我都可以猜得出来。为什么呢？因为市长的骰子一扔6，我这边的骰子也变成6了，所以一旦处于两个粒子的叠加态，就会有这样一种神奇的互动。这样的现象，爱因斯坦把它叫作遥远地点之间的诡异互动。
就在2015年，这么一种对普通人来说不可思议的现象基本在物理角度上被确证了。目前，台下的陆朝阳等年轻科学家已经能把10个粒子纠缠起来，将来能够纠缠起更多的粒子时，好多新奇的现象就会发生。有了这些基础后，就诞生了一个新的学科———量子信息科学。
量子信息科学我们国家参与的比较早，目前我们与国外是处于并跑，甚至在某些方面处于领跑状态。这其中量子通信和量子计算及模拟是比较重要的，可以为计算能力和信息安全这两个问题提供一个变革性的解决途径。
正因为其重要性，目前国家在 十三五设立的重大科技专项，将通过15年的支持，推动这方面的技术研发和产业化进程。
具体来说，比如说量子通信，我们可以将其用于保密通讯，也就是量子密钥分发。因为它是不可复制的，所以不管你是窃取还是拍照复制，只要你去测密钥就会不一样。所以如果我从合肥给金华市长发送一份电子邮件，最后只要拿出密钥比对下，如果两者的错误率很低，我们就能肯定这组密钥没被人偷看过。这就是一种绝对安全的通讯方式。
那么孙悟空的筋斗云又是什么意思呢？
比如说我从北京到金华给市长带了一个装在箱子里的礼物，但是我忘了把钥匙给带来了。如果这是更高级的锁和钥匙，它是量子态的，而我们知道量子态又是不能被测量的，一测量它的状态就会改变，这该怎么办呢？1994年的时候，一群美国科学家提出利用量子纠缠的概念我可以对上海的这个潘建伟和旁边这种纠缠物质进行一种测量，把它都变成一个个纠缠粒子，我们可以实现一种叫量子隐形传态的操作，把那把钥匙以光的速度传到金华。
怎么做呢？具体来讲就是让北京和金华之间又很多的纠缠物质，我就把他们组成纠缠对，把纠缠对的信息，通过无线电台可以把它发射到金华。到了金华之后，可以对这团物质再做一种所谓的幺正变换，就可以用同样多的物质把它给重构出来，而且这种旅行速度是光速。这样一种过程，我们就把它叫作量子世界的筋斗云。
当然，要传送人、传送比较复杂的客体，估计还需要100年甚至更长的时间。但是，这样一种能力就保证了量子信息可以在网络里面走来走去了，这就是多体多终端多自由度的量子隐形传态，它能够构成一种分布式的量子信息处理的单元。其实我们所谓的计算机，也就是信息跑来跑去、处理的过程。如果利用这种过程，我们就可以来构建所谓的量子计算。
因为时间关系，我只举一个例子。比如说要求解一个10的24次方的变量的线性方程组，用目前最快的天河2号超级计算机大概需要100年左右的时间。而利用万亿次的量子计算机，尽管计算的频率比天河2号要慢1万倍，但它只需要0.01秒就可以把这个方程给求解出来。所以它可以广泛地应用于药物设计、金融分析、气象预报、密码分析、石油勘探等等，这是一个惊人的突破。所以量子计算也代表了我们计算的未来。
当然，也可以直接用于对一些物理问题的研究。因为物理问题研究更加直接，它也需要有非常强大的计算能力。有了这些理论之后我们就可以利用量子通讯，来构建一个非常好的天地一体化的网络，有城域网、城际网，利用卫星实现的这种广域的量子通信，就可以比较好地来保证我们的网络安全。
目前，我们正在做一些事情，比如说量子通信我们从1996年开始，已经做了将近20年了。比如说今年将开通北京到上海之间的一个量子保密通信京沪干线工程，今年还会发射一颗量子卫星。另外在量子计算方面，其实我们觉得可能还需要一点路要走，但是已经有一个比较好的目标了，大概会用10年左右的时间，我们能够实现50个量子比特的操纵，它对某些问题的计算能力大概可以达到天河2号的数千倍左右。
今天，我们京沪干线工程的总工程师也在台下，我们也希望将来在适当的时候，也可以在家乡（金华）开展一些相应的工作。
《自然》杂志在2012年特别指出中国已经在量子通信领域崛起，已经成为世界的劲旅。他们预测随着 京沪干线和量子卫星的成功实施，中国在量子通信的应用领域将领先于欧洲和北美。
我们想通过5年的努力，我们国家能初步形成一个天地一体的，可以覆盖全球的量子通信的基础设施，通过5到10年的努力，可以形成完整的量子通信产业链，我想最迟15年左右，我们的手机上或者千家万户都会有量子通信的应用。
我们也希望能够通过20年或者30年能够形成规模化的通用的量子计算机，不过我觉得量子计算本身在10年到15年时间内就能对我们的生活产生影响。所以，在可预见的未来，我们应该看得到量子通信和量子计算将极大地改变我们的生活。
