导读：中国科学技术大学副研究员、风云学会会长袁岚峰所著的《量子信息简话》于2021年11月发行。本书从普通读者的视角出发，先介绍量子是什么以及较为容易理解的量子精密测量，然后讲述量子力学的“三大奥义”，再介绍量子计算和量子通信，让读者了解量子信息的大图景。 近日，袁岚峰接受观察者网专访，分享了他著书的背景与过程；分析了量子力学与区块链和人工智能的潜在关系；探讨了量子信息对现有加密系统的冲击性影响，以及其他潜在负面影响。本文为采访前半部分。
【采访/观察者网 李泽西】
观察者网：袁老师，您在2021年发布的《量子信息简话》中，提到了自己本来不是量子专业的，也没有直接从事这方面的研究，您原来的专业是理论与计算化学；为了写这本书，您也算是学习了一个新的领域，可否分享一下您快速学习新领域的一些技巧？
袁岚峰：量子信息是近40年来新兴的交叉科学，就是量子力学加上信息科学的交叉科学。最近有些学校新开了一个一级学科，叫做量子信息科学，因为他们越来越重视量子信息的发展。
我的一级学科是化学，理论与计算化学算是二级学科，有时候我也会说我的二级学科是化学物理。理论与计算化学最大的特点是不做实验。传统上，当你提到一个人是化学家，你脑海里面首先浮现出来可能是一个穿着白大褂，甚至还戴着护目镜，然后经常做实验、烟熏火燎的。但是我从来不是，因为我知道自己的实验能力非常的不行。就像杨振宁研究生时期的那句笑话：“哪里有爆炸，哪里就有杨振宁。”所以后面他转到了理论物理，他的朋友说这对实验物理是一种幸运。
那么这个理论与计算化学跟量子力学是什么关系呢？量子力学是理论与计算化学的理论基础。首先，整个化学的理论基础其实就是量子力学，然后是理论与计算化学；其中绝大部分内容叫做第一性原理计算，就是给定一个体系里面有什么种类的原子，这些原子有多少个，它们处在什么位置。只要给定这些基本信息，就可以预测出这个体系的所有性质，在原则上它的一切都是可以计算出来的。为此要解非常复杂的薛定谔方程。第一性原理计算的大部分研究，就是怎么去解这个薛定谔方程，然后怎么去编程序，怎么把结果算出来，然后从计算结果当中提炼信息。
薛定谔方程设定的波函数模型图（图源：“纳米通讯”）
因此，我对于量子力学本来就可以算是相当熟悉的，因为那是我整天用的。量子信息当中，我不熟的是其中的信息部分；它是量子力学加上信息科学的一个交叉。书里面说过，我帮那些传统通信行业的人理解量子通信，比如说 “奥卡姆剃刀”（著名科普作家、原军校通信专业副教授张弛博士），他的领导希望他开一门量子通信的课，他去看相关教材的时候就感觉满头雾水，因为他不懂量子力学，但是对于传统通信他还是非常熟悉的。我跟他们正好相反。
我最初学习量子信息，是因为侯建国老师，科大当时的校长，他给我们提议，说最近量子信息这个学科蓬勃发展，大家都应该去学习一下，我就稍微了解了一下。通过一点点资料，我就明白一件事情：2015年初新闻报道里面说的所谓量子瞬间传输技术，实际上叫做量子隐形传态。它是有一套明确的技术方案的，最终实现的效果是把一个粒子的状态转移到远处的另外一个粒子上去。它不是移动物质，而是移动物质的状态。当我看到大家对那个新闻都喊好但是不明觉厉的时候，我就觉得有必要向公众解释一下。这个事情完全是可以解释清楚的，但是不能指望记者，因为记者肯定从来没听说过这么专业的东西，所以写出来的全是这种语焉不详的报道。
我问了一下我认识的潘建伟院士研究组的同事陈腾云博士，他给我稍微解释了一下，然后我就写了一篇文章。我非常惊讶地发现，这篇文章的反响居然这么大，有很多人因此关注了我，尤其是像“奥卡姆剃刀”这样的人。后来我才明白，我是替他解决了这个问题，他不明白这个量子通信到底是怎么回事，现在知道它不是个伪科学，它不是个神乎奇迹的东西，它是完全符合物理原理的，而且它跟传统的信息论也没有矛盾。有些所谓科普文章说量子通信超光速之类的，把他的信仰都打破了，然后觉得天崩地裂一般。其实是这些所谓科普搞错了，量子通信是一个完全正规的东西。
这对“奥卡姆剃刀”留下一个非常好的印象，所以过了一段时间之后，他来找我，说是想请我去总参谋部做报告，讲量子通信。
我说，我又不是搞量子通信研究的，你们找我干嘛？
他说，其实他们首先来找的是他自己，然后他推荐我。
我说，我们国家研究量子通信的人多的是，找他们去就好。
他说，实际上已经找过了，第一步就是找他们，但是他们讲完之后还是听不明白，所以希望找一个能听明白的人，就来找我。
我说，好吧，既然是为国家出力，那就去吧。但是这对我来说是个非常大的挑战了，因为我在此之前并没有系统的学过量子信息。我之前已经买了一本非常著名的教材，叫做《量子计算与量子信息》。这本书但凡是关于量子信息的文章都会引用一下，所以成了现在整个物理学领域里面被引用最多的教材之一了。
在我去总参谋部之前，我有一个月的时间。那个月我闭门谢客，其他事情都顾不上，我告诉大家我得好好准备，我得赶快自己先把量子信息学一遍。我就在一个月里拼命啃这个教材，一边看一边提炼它的脉络，一边做笔记，决定我们到底要主要讲哪些部分。所以这一个月是高度紧张、同时特别充实的一段时间。
到了出发之前不久，我才把全书的提纲写出来，总结了这个书里面最重要的是什么，有哪些内容值得向大家讲。我的一位朋友帮我打印出来，我拿着赶快去上火车，讲课的PPT是在火车上做的！这是我印象中最紧张的一次“备课”的经历，因为首先自己要拼命的去学，然后在学的过程当中有问题就赶快提，尽快的形成一个脉络，才能拿去跟人讲。
那时，我总结出跟量子信息关系最密切的量子力学原理有三个（叠加、测量、纠缠），我把它们戏称为“三大奥义”，它们跟量子信息的关系是什么，这些都是看那本书总结出来的。我不但要将其看明白，而且还要飞快的做出一个提炼，想明白对于普通人来说最好的讲法是什么，就是这样一个巨大的挑战。但是我想，这也是一个人生当中非常难得的经验，是吧？如果不是因为有这样一个急如星火的任务，我也不会想到要以这么高的强度去学这个东西。但是学了之后当然也是很有好处的，因为我自己增加了理解。
那次跟总参谋部交流，他们也是非常重视的。在下午跟他们技术人员的对话中，他们提的问题非常的专业，都是真正在一线搞军事通信的人。很多问题我能答出来，但是也有一些问题我答不出来，而且这些确实是非常切中要害的问题。比方说，老有人在问的是，量子通信到底用的是什么编码方案。我说，这个问题问得非常好，书上是写了，但是我没有完全看明白，所以我的报告里全面讲了量子信息，量子通信只是作为其中一部分来讲，而且讲的是比较语焉不详的。我只是告诉大家一个最基本的原理，表明这东西可以实现，但是到底用什么具体技术方案，那本书写的确实不太读者友好，当时我是没有完全看懂。我最后表示得回去再请教一下专家，然后自己再好好研究一下。
那次交流对我自己收获也很大，我明白了他们一线的工作人员考虑的问题。而且这也让我明白，科普必须是你自己把所有的问题都理清楚，才能给人讲。如果你自己有地方糊涂不解，别人肯定能够想到，因为那也是他们真正关心的问题。所以这对我也是一个很重要的教益，科普一定要有针对性。如果有一个你自己都说不清的地方，你不要想着糊弄过去，肯定会有人来问。
后来有一个契机，让我对量子通信大大的加深了了解。一年之后的2016年，我们发射了墨子号科学实验卫星。卫星上天之后有一大堆的记者来采访，他们都把我看成一个量子信息专家，虽然我完全不是。
2016年，我国发射了墨子号科学实验卫星（图源：央视网站）
他们要我解读墨子号到底干什么的，量子通信到底怎么做的，在这个时候我也感到有点迷惑。许多所谓科普文章都会说，量子通信用的是量子纠缠，可是根据我对那技术的理解，我好像看不出来这里面到底哪一步用到量子纠缠。那时候我已经认识了一线做相关工作的人，比方说陆朝阳教授。他看我的微博，看到我写的那些文章，对于我能将他们这个领域解释得这么清楚感到大为吃惊。我当时打电话去问他们说，你们天地之间的量子保密通信到底是怎么做的，到底在哪用的量子纠缠？
陆朝阳的回答让我大跌眼镜，他说，我们根本就没有用量子纠缠。我们明明发的是单光子，哪有量子纠缠？量子纠缠需要至少两个粒子。
我说，既然这样，为什么那些科普上都说是用到量子纠缠？
他说，他们写错了，其实我们并没有。
这个也对我是一个重要的教育，我也不知道这是我们国家特有的状况，还是全世界都一样：有很多你看起来好像说的蛮有道理，人人都能接受的、科普界到处传的东西，其实是错的。所以是需要有人跟一线人员保持非常密切的接触，把正确的东西传达出来。
观察者网：量子力学的成果能如何跟如区块链、元宇宙、人工智能等新科技领域互助结合作用？
袁岚峰：这个问题非常有意思。如果有人问我量子信息跟区块链是什么关系，我的回答就是一句话：最基本的一个关系是，量子计算机可以破解比特币。因为区块链最核心的技术是加密，要保证每一个交易都是保密的。当前比特币用的加密技术叫做椭圆曲线密码。我的书里面解释了一个最常用的密码，叫做RSA，可以被一个量子的因数分解算法破解。但实际上不止于此，同一个算法也可以用来破解一些跟它类似的数学问题。椭圆曲线密码跟 RSA是同类型的，它们都叫做所谓离散对数问题，所以能破解这个RSA就能破解椭圆曲线密码。结论就是说，量子计算机原理上已经足以破解椭圆曲线密码，唯一的问题是硬件还没造出来。所以那些比特币等等还在用，但如果加密系统不改的话，早晚会被破解。
量子力学跟元宇宙有什么关系？我其实真看不出来它有什么关系，目前我没听说有谁把量子跟元宇宙拉到一块去。
量子计算机跟人工智能这个关系还是挺密切的，据我所知已经有很多人在研究用量子计算来做机器学习了，所谓量子机器学习，这是一个很蓬勃的研究领域。这个问题也在于它仍然处于一个只有理论没有硬件的状态，因为适合做这些事的计算机，或者说有实用价值的量子计算机还没造出来，现在都只有原型机。我不会说它是伪科学，这肯定是一个非常有前途的发展方向，因为机器学习或者说整个人工智能一个核心的限制就是计算力量。量子计算机能够提供非常强大的算力，所以任何人都能想到它们之间肯定会有一个很大的结合的空间，但是前提就是要等到有实用价值的量子计算机出现。
袁岚峰：量子机器学习未来可期（图源：中国数字科学馆）
观察者网：您在书中提到的多数是量子力学的正面应用。那么，有没有潜在的负面作用呢？比如说对社会、个人隐私、政治、经济等的影响？
袁岚峰：其实任何科技都可以有正面影响，也可以负面影响，就看你怎么用了。比如说量子保密通信的好处是完全保密，坏处也是完全保密，其实是同一件事，就看怎么用。因为加密和破解贯穿整个人类历史，是一直存在的一对矛盾。核心问题在于，如果真的有个特别保密的技术，那假如犯罪分子用这个技术，我们怎么办？所以保密通信始终是处在一个你又想用，但是又不想让用的人太多这样一个状态。
全世界所有的国家政府推行的保密标准都是对于普通人来说非常难以破解，但是对于政府来说，它总要留个后门。例如，美国推出的那些加密的标准总是让普通人破解不了，但是自己能破解，量子保密也是这样。经常有人来问我说，犯罪分子用了这个东西，我们不是抓不到他了吗？我就告诉他，数据不还是在运营商手上吗？但如果两个人中间什么中介都没用，就用他们自己的硬件，做了一个量子密钥分发（量子保密通信的专业名称），然后他们俩之间通信，那确实就是任何他人都拿不到了，运营商也拿不到了。
这就是所谓道高一尺魔高一丈，技术就看你怎么用。量子计算机也是这样，你可以用它来做好事，也可以用来做坏事。你可以用它来做天气预报，交通控制，你也可以用它开发新的核武器，全看怎么用。
观察者网：一个相对近期的负面作用，就是推行量子信息应用的过程：所有的加密系统全部都需要更新一遍。这据您的预估大概要花多大成本，然后会产生什么样的困难？
袁岚峰：但凡在加密行业周边人士都知道传统密码要保不住了。虽然它当前还是可以用，因为能破解密码的量子计算机还没造出来，但这是早晚的事。你不可能等到那个量子计算机已经造出来，然后再去改，那当然就来不及了。不要说量子计算机，经典计算机也是在不断进步的，所以这个算法无论如何都是要不断改进的。
业界内有一个很大的运动，有很多人在研究所谓后量子密码（post-Quantum Cryptography），或者叫抗量子密码（Quantum resistant）。这个东西是什么意思？它仍然是一个基于数学的密码，在这个意义上它跟传统密码是一样。但是密码设计之初的指导思想就是要抵抗任何已知的量子算法，就是说如果没有开发出一个新的量子算法的话，你是破解不了它的。当然，问题在于，你怎么知道人家开发不出来？到目前为止，没有任何一个数学问题已经被证明了不可能被经典计算机破解，更不用说量子计算机了。所以现在整个密码学其实处境都非常的微妙，我们认为任何一种基于数学的密码是安全的，其实都是一种信仰，而不是事实，因为并没有这样的数学证明。我们只是觉得在实践当中它用了很久，没有人公开提出一个破译它的算法，所以我们认为它是安全的。
袁岚峰：我们认为基于数学的密码是安全的，其实都是一种信仰（图源：“半岛电台”）
业界现在正在征集后量子密码标准，也有很多研究的投入。前不久国盾量子的副董事长赵勇博士说在征集过程中遇到很多困难。一开始，业界提出了很多后量子密码的方法，准备上升为标准。可是那个时候后量子密码还处于一个自由研究的阶段，大家会觉得这事好像雨后春笋一般，冒出很多思路都可以。真到了要从中选择几个作为标准的时候，那就要真刀真枪“PK”了。那时候发生的事情就是，大家一方面提出自己的想法，一方面互相去破解别人的，立刻就有很多人发现可以破别人的方法，都搞不清楚到最后能不能有几个存留下来。
基于数学的密码有个好处，它切换的代价是比较低的，它是基于数学问题。但是最大的问题就在于你永远都不知道它是不是真的能保密，你永远不能排除别人哪天灵机一动提出一个更好的算法。随着后量子密码越来越保密，同时也有个必然代价，就是计算量越来越大。
一般人可能没有意识到，加密解密其实也是需要计算量的，而且这个成本会变得越来越高。比如说，我们现在最常用的RSA，它把加密寄托在一个大的合数上面，就是两个很大的质数相乘，然后得到一个很大的合数。那个合数变得越来越长了，早年128位就行了，然后后来有人破解了，就翻成256位，然后逐渐上升，现在常见的是1024位，然后业界现在说，1024也保不住，推荐2048了。但是加密解密的时间成本随着密钥的长度，上升的也是非常快的，所以 RSA也变得越来越不经济了。类似的事情对于后量子密码同样存在，而且后量子密码的计算量会变得更大，某一天就会到一个大家都要承担不起的成本阈值。相对而言，量子密钥分发有个好处，它完全不需要算力，因为它根本就不是基于计算的。在那种场景下，它会变得非常有价值，它可以节约大量的算力。
切换密码体系对于业界是要付出一个成本，但是这个成本是必要的，你如果不改的话，密码就完全等着被破了。但是怎么付成本，这当中会有多个路线的选择。这是当前业界一个非常有意思的进展，所以这是很值得密切关注的。
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