Charles H. Bennett，美国科学院院士，IBM Research 的物理学家和信息理论家。他在 IBM工作的重点是重新审视信息的物理基础，将量子物理应用于信息交换的问题。他在阐明物理和信息之间的相互联系方面发挥了重要作用，特别是在量子计算、元胞自动机和可逆计算等领域。他与 Gilles Brassard 一起发现了量子密码学的概念，是现代量子信息理论的创始人之一。曾获得沃尔夫物理学奖，哈维科技奖，狄拉克奖章，墨子量子奖等多个奖项。

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【墨子沙龙】 Bennett——Quantum nature of information

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量子密码学——量子纠缠的秘密｜Charles H. Bennett（中）

量子密码学——量子纠缠的秘密｜Charles H. Bennett（上）

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大家应该觉得量子纠缠很奇妙，而不是毫无意义。科学上有很多十分重要待解决的问题，一旦被解决将会引领新科学。产生矛盾的地方往往会诞生新的科学，其中一个最著名的例子就是迈克尔逊-莫雷实验。这个问题被爱因斯坦的狭义相对论解决了，狭义相对论联系了时间和空间。麦克斯韦方程式并不是不变的，它们遵从洛伦兹变换。目前最大的难题是黑洞信息问题，这也是量子力学和广义相对论交汇的地方，我们仍然不知道如何将这两个理论统一。不过有很多理由让人相信量子信息会帮上忙。

现在，我要将这些真正的科学危机跟下面这些危机做一个对比。我把这些称为 “解释的危机”。

“解释的危机”指的是这样的情况，所有人都赞同实验的结果，但是却在如何描述上意见不一致，可能最好的解决办法就是习惯它。同样的事在不断地发生，几千年前，人们发现2的平方根不是小数，当时的人们认为除了整数以外，剩下的数字都是小数，现在我们有了无理数。这些都是我们刚习以为常的关于这个世界的真相。我觉得量子测量问题正在变成“陈旧的老问题”。许多人仍然一直在会议中讨论量子测量问题。

量子信息就是换了一种方式的经典信息，量子信息是经典信息的一般化。量子信息更大、更美、更有力量。经典比特就是量子比特的两个任意选择的正交态中的一个，（译者注：这句话的意思是经典比特只能取一个值，“0”或“1”。）例如垂直偏振和水平偏振的光子。任意两个能够被完全区分的态都可以叫做比特。经典导线可以准确地传导两种状态，但是会将两种状态的叠加态随机化。所以一个经典信道就是一个有窃听者存在的量子信道。任何不能被窃听的信道本质上都是量子信道。经典计算机就是每根导线都被窃听的量子计算机。

如果问量子加速是从哪里产生的？为什么量子计算机解决因式分解要快很多？我会回答他们问错问题了。计算机是量子的，只不过一旦我们知道如何轻易地搭建计算机，并且计算机的每根导线都遭到窃听，这会让一些计算变慢了。打个比方，假如我现在打算做某个计算，然后有人在监视我，这会极大地降低我的计算速度。

事实上，有一些计算可以抵抗窃听。而其他计算则会被窃听极大地降低速度。

量子计算机可以极大地加速一些对经典计算机来说很困难的计算，例如因数分解问题。你甚至不需要一个经典计算机来将这两个质数相乘，从而得到那一个数（即下图左测的长数字，是右侧两个质数的乘积）。如果你有一个安静的周末，你不需要计算机就能做这个乘法计算了。不过将左侧的这个乘积分解成右侧的两个质数，即使用最好的算法也要需要花费经典计或者几个月，甚至几年。所以解决办法就是搭建一个量子计算机，然后利用它的纠缠态。但是必须保护它不被环境窃听。

将量子计算机与环境完全隔离是不可能的。但其实并不需要这样做。如果你可以让每一个器件都运行地接近完美，它们不需要运行地十分完美，然后你就可以运用量子纠错理论。下图是一个最简单的量子纠错代码，它可以纠正单个量子比特的错误。在这个纠错代码中，我们需要另外四个|0>量子比特。最后的结果是在五个量子比特形成的纠缠态中，如果你破坏了任何一个量子比特，破坏可以被消除，转移到这些备用量子比特上。

经许多人努力，量子纠错理论上发展出了容错计算理论，在容错计算理论中，你需要做的是保护它的纠缠态，你处理的方式如此微秒，以至于你甚至可以承受在纠错过程中产生的错误。

如今全世界都在努力建造量子计算机。这是IBM即将上线的量子计算机原型机，任何人都可以使用它来做运算，噪声挺大，但已经是我们现在能达到的最佳性能了。

人们提出过许多种系统来搭建量子计算机。如果是用来通信，你当然会想使用光子。如果是用来存储，你会想用某种原子或分子，这些原子或分子处在十分隔离的环境中，要么是在真空中要么是在固体中。

于是新闻记者又在那里说，太好了，我们有了新的计算方式了。摩尔定律正在走向尽头。事实上摩尔定律九年前就在走向尽头了。还是七年之前？因为人们已经习惯了摩尔定律的放慢了。量子计算会让摩尔定律迎来新的生机吗？因为量子计算可以指数级地提升运算速度，但答案是否定的。因为即使我们建造出能够完全纠错的量子计算机，它也无法加速所有的计算问题，只能加速一部分。

我想你们可能以前见过这个简图。这个简图根据问题难度将问题分类。有新的分类加入到我们之前拥有的分类，比方说P类，NP类和PSPACE类，这个新的分类是一些新的量子类问题， 其中包含一些问题，可以被量子计算机很快解决，但是经典计算机却需要很长时间。还有一些问题，经典计算机和量子计算机都很难解决。

一个更坏的消息是，想要搭建能够完全纠错的量子计算机是很难的。我们应该好好想想在中短期内，在通用量子计算机出现前，我们还能够做什么。我觉得其中最成功的一个方面就是，我们在不断扩展量子密码的通信距离。还有一个方面是我们改进了计量和计时。举个例子，如今已经很常见的铥钟。以前铥是属于那种几乎不会被使用的元素。不过铥元素却让我们得以搭建出更便携的原子钟，这种便携原子钟可以用来同步其他的钟。事实上，铥钟短期内就可以完全应用到计时领域。

“量子霸权”最近被广泛关注。所谓“量子霸权”，就是用一个小的量子计算机，去做一些无用的，但是对经典计算机来说很难做的事情。我对此的反应是，这样做的理由是什么呢？我觉得唯一的理由就是让人们相信量子计算机在原理上是可行的，如果建造一个更大的量子计算机，它可能就会有用了。不过如果你相信量子力学，你已经知道这一点了。如果有人不相信量子力学，那他们可能就是太顽固，也永远不会被说服的。你不该去做这些，而应该去逐渐地提升硬件，理解退相关的来源并找到解决办法，实现存储时间更长的量子存储，实现更长程持续时间更长的纠缠。或你可以去推动这些东西的实际应用。即使你无法解决纠缠的问题，你也可以用非纠错量子计算机来做一些事，这些事可能会对量子化学和机器学习等有帮助。不过我觉得以下才是在这个领域学习研究的最重要原因，至少从理论方面而言，它不仅已经改变了我们对信息的本质的理解。并且它有机会帮助解决物理学中最大的问题，即理解什么是量子引力。

这里存在一种文化差异。宇宙学家和高能物理领域的弦论学家喜欢思考这类问题。其他人则对这类东西不熟悉。有不少厉害的科学家认为，理解空间和时间的起源的方式，理解如何将引力和量子力学统一的方式，就是使用比量子信息理论中的更简单的概念。或许他们在使用一种新的方式来思考这个问题。我觉得这是最让人兴奋的领域之一。尽管很难想到近期内能有什么实际应用。

下图是一张我从约翰·普雷斯基尔那里借来的幻灯片。他这样说过，“回到量子力学诞生的时期，经典力学无法解释热辐射，导致普朗克创立了量子力学。我们无法理解黑洞蒸发时发生了什么，这一点是由霍金提出的，说明这里有一个可将量子力学和引力统一起来的问题。两个理论似乎都很有用。两个理论看起来都像是对的。一定存在一个可将这两个理论统一起来的问题。希望这个问题将在本世纪被解决。

他们只对科学能做的对他们有用的东西感兴趣，即能解决他们所能看到的最迫切的问题。不过我认为科学发展大多数时候是渐进的。新闻记者喜欢重大进展。不过重大进展发生的时候，往往是带来重大进展的科学已经发展十分成熟了，以至于会有不同的人几乎在同一时间发现同样的东西。可能大家需要的是耐心一点。如果有人将威斯纳在1968年发现的东西更好地推广了，或者我们俩更好地推广了，可能这个领域会早诞生十年。但是在五十年或一百年的时间尺度上，我们中的任何一个人都是不重要的，总有其他人会做出这些工作的。

举个例子，如今有个特别火热的领域，人工智能。我从七十年代开始就关注这个领域了。在那个年代，人工智能被认为是，他们说是他们会首先使用计算机做的事情。人工智能的一个重要应用就是语言翻译。然而计算机在语言翻译上简直是个悲惨的失败，且持续了差不多五十年。计算机在语言翻译上的能力比过去强了很多，并且会继续进步。让我们继续支持好的科学研究，而不用去担心它在干什么。它最后的应用可能会被你开始认为的要更重要。也可能它们永远不能被用来做任何事。

25年前，我正在参观喷气推进实验室。我遇到了一个科学家，他研究“旅行者号”探测器的动力系统。他说当他们计划这个雄伟的计划的时候。“旅行者号”探测器是在七十年代发射的。他们希望它能够探测全部四个巨行星。但是主管的人说，只去木星和土星就行了。人们只听说过木星和土星。他们不会真的关心其他的巨行星的。然后他们说，现在几乎所有的行星都排成一行了，我们现在可以一次性探测所有行星，也就是多次使用重力弹弓。同样的好机会，两百年内都不会再发生。但主管的人说，国会理解不了两百年有什么，他们只能理解两年有什么。就只去木星和土星。后来工程师们密谋在很多地方过度设计了探测器。他们说这是一个如此昂贵的项目，我们决不能让它失败。让我们把所有东西都做得更牢固更耐用。我们不知道木星上的辐射场是怎样的。所以他们基本上将“旅行者号”建造地足够经久耐用，在“旅行者号”发射升天后，他们调整了它的行程，让“旅行者号”去做那些曾被否决的事情，拍下的照片到现在为止仍然是其他两个行星的最好照片。

有人问法法拉第，电磁感应有什么用。发动机和发电机都是基于电磁感应原理制成的。法拉第回答，问电磁感应可以用来干什么，就像问新生儿有什么用处。不过他实际上说的是….. 他当时在讨论一些新发现的元素，在伦敦的一个公开讲座中。法拉第在讲座中说了下面这段话。这段话是有记载的，因为有人将讲座记录了下来。“在讲完物质氯之前，我想讲一下它的历史。”最终氯气被用在了很多地方，比方说漂白等等。“对于那些习惯质疑所有的新发现有什么用的人，”然后他说，对于这种问题，最好的回答来自本杰明·富兰克林，当人们问他的一些发明，如电，有什么用的时候。这个回答就是“新生儿用什么用呢？”

量子信息提供了一种清晰的思路，来研究通信、计算，甚至是物理里的相互作用。量子信息将信息科学和物理学结合在了一起。对量子信息来说，经典行为其实是特例。经典信道就是有窃听者存在的量子信道。经典计算机就是每个导线上都有窃听者的量子计算机。量子信息会带来很多令人振奋的应用，我们仍需要不断去探索。但是就像地球是圆的这个事实，或者像物质是由原子构成的这个事实，或者爱因斯坦展示了时间和空间是相连的这个事实。虽然他们写不出来洛伦兹变换的完整形式，但是他们知道是爱因斯坦发现了这个。并且知道这个很重要且很奇特。我觉得大众应该以同样的方式去理解纠缠。

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墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海市浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众，力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。