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袁嵐峰:科普需跟一線研究人員接觸,傳出正確內容
最后更新: 2022-09-18 10:45:30【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月發行。本書從普通讀者的視角出發,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塊鏈和人工智能的潛在關系;探討了量子信息對現有加密系統的沖擊性影響,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年發布的《量子信息簡話》中,提到了自己本來不是量子專業的,也沒有直接從事這方面的研究,您原來的專業是理論與計算化學;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。傳統上,當你提到一個人是化學家,你腦海里面首先浮現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。”所以后面他轉到了理論物理,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,我幫那些傳統通信行業的人理解量子通信,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。它是有一套明確的技術方案的,最終實現的效果是把一個粒子的狀態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。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的東西,所以寫出來的全是這種語焉不詳的報道。
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。我非常驚訝地發現,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了,因為我在此之前并沒有系統的學過量子信息。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。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,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的。我只是告訴大家一個最基本的原理,表明這東西可以實現,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,我們發射了墨子號科學實驗衛星。衛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,我國發射了墨子號科學實驗衛星(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益,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滿有道理,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。
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本文僅代表作者個人觀點。
- 責任編輯: 李澤西 
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