前言：
去年参加了中国科技大学物理学教授郭光灿院士的一个量子力学讲座，鉴于项目上的很多学生都对于物理学和数学有着浓厚的兴趣，事后老师用了两天时间把讲座内容进行了重新整理。
老师跟同学们分享一下自己做证券投研的经验。证券投研本身来讲，要接触很多前沿科技产业项目，例如芯片技术等，所以要储备一定的科技知识。老师后面会再给大家整理和分享一些重要的教授讲座。
郭光灿教授的这个讲座，同学们可以将老师给大家做的证券投研系列讲座第1讲和第2讲结合看。
郭光灿院士演讲正文：
一、量子技术的优势
量子信息考虑到量子力学的性质，那么我们通常把物理学分成两个层次，按照他们的运动规律。运动规律是经典物理的，比如牛顿力学、麦克斯韦方程，这叫经典物理，服从经典物理，那个物理世界我们叫经典世界。在微观里面还有另外一个世界，它的运动规律是服从量子力学的，它的性质跟经典完全不同。量子信息呢，就是从量子世界开拓出它的特性，然后开拓出新的技术，这个技术可以用到经典世界来，这就是量子技术。那么量子技术呢，比经典技术优越的多，比如说量子计算机，它的算力会指数级的超越经典计算机的算力。那么为什么呢？是因为我们充分用到了量子世界的特性，所以我们首先来讲讲量子世界有什么特性。
经典世界的研究客体大家都知道，要么粒子，要么波服从经典物理，但量子世界呢，就不一样，量子式的客体，比如说电子、光子、原子核，它是同时具有波粒二象性的离子，所以它的运动规律就服从量子力学。100多年来，凡是量子力学预言的所有的事实都被实验所证明，所以量子力学是人类历史上最成功的一个技术。那么量子世界究竟跟经典世界有什么不同？经典世界有两个物理上的特点，第一个叫确定性。第二个叫局域性，我一会儿解释，量子世界呢，正好跟它相反，它是不确定性，非局域的。好，我们来看什么叫局域性，什么叫确定性。经典世界里每一个时刻，物理客体的物理值、物理量，比如说动量、能量、角动量，所有物理量，它都具有确定的值，这叫确定性。经典世界就这个特点，大家都很熟，想想就对。第二个现象呢，可能不太熟，叫局域性。
局域性的意思物理客体的状态。不会受到与它没有任何相互作用的其他客体的影响，那我们自然界有4种相互作用力，如果一个物体不受到其他的物体的任何一种相互作用，那这个客体就不会受到影响。简单来说就没有相互作用，不会互相影响，这个性质就叫局域性。大家想一想，我们经典世界是碰到的物体是不是这个现象，肯定大家没有总结，但是一定知道有一个确定性跟局域性是经典世界的特点，好，我们今天要讲的是量子。量子跟它相反，量子世界的特征之一，就是不确定性。不确定的含义就是说每一个时刻，量子客体的物理量、动量、能量坐标什么量，都不具有确定的值。它的值是概率分布的，是个概率性的，而是这种概率性没法消除。我们说经典物理，你会说经典物理也有概率，统计物理就是概率，对不对啊？为什么统计物理是概率呢？因为统计物理研究的对象是大量的粒子，比如10的二十三次方粒子，我们不可能了解每一个粒子在这个时刻它的位置和动量。所以我没法精确地去描述它，我就用统计的观念来描述整体的性质，这叫统计物理，所以它的量也是概率的，但这个概率是可以消除的。
如果我们的技术达到我有办法把每一个历史，它在某一个时刻的位置、动量都了解清楚了，那所有信息都了解清楚了，这个概率性就消除掉了。所以经典物理的概率性、统计性是可以消除的。但是量子的不确定性是不可消除的，是原则性的，是本体的。这就是量子的不确定性和经典不确定的不同，所以不确定性是量子世界的一个重要性质。
比如说在空间里有一个粒子，在经典的世界里，我通过牛顿力学，我就能知道这个时间、这个空间的粒子在哪一个位置。但是同样一个量子世界，在这个空间里有一个粒子，这个粒子可能是电子，可能是光子，只要具有波粒二象性的粒子都是量子客体，有一个量子客体在这空间，我知道就一个。那你就问，这个时间它在空间哪一个位置。量子力学告诉你，空间哪一个位置都可能找到它，它是概率分布在整个空间，它不确定在某一个位置，这就是量子的不确定性。
路径也是这样，如果一个人从合肥，我从合肥来的，他到北京可以坐高铁，可以坐飞机，那么一旦到了北京，你就问他，你怎么来的，你的运动轨迹是哪一条？我是买的高铁票，我当然是走高铁来的，我的轨迹是确定的，我走哪一条路是确定的。同样有一个量子从合肥到了北京，你问你怎么来的这个量子，你需要告诉你，这个粒子是既坐飞机又坐高铁，两条路一块走。他不能走一条，它是不确定的，它的轨迹是不确定的，因为它所有物理量都是不确定的，轨迹也是物理量，所以是不确定的，这是很奇怪，一个离子从两个不同的路径到达。
那你说这很奇怪吗？所以一般人是想不通的。就像这个漫画，这个漫画里面有雪地，雪地上滑雪就留下痕迹，这个痕迹呢像这样，这个人的滑雪的痕迹呢，就在这，到了大树底下，他两边都有痕迹，它就过去了，所以，这个人的痕迹是两边都有，因此旁边这个人呢，回头一看，说他这家伙他怎么会两边一块划过去呢，他不可能，哎，但是呢，量子就是可能，因为路径是不确定的，所以这个量子只有两边一块走，他要是就走一边，他就确定了，确定是回到经典了。所以坐在旁边搞不清的这个人，他是经典世界的人，经典世界按经典的概念想象不出量子世界发生的事儿。所以如果你先承认。
量子世界有个特性是不确定性，它所有物理量都不确定的，你就可以理解这件事情的发生。是没有什么奇怪的，换一句话，如果一个粒子。有几种可能的状态，比如说4种，那么这个时候它在哪一个状态是确定的，是经典的，经典状态是确定的。量子呢？有4种可能的状态，你问这个时间，这个粒子在哪一种状态？量子就是告诉你它不确定，它是4种状态都能找到它，它是概率分布的4种状态，这是不确定，所以不确定呢，给我们带来很奇怪的东西，于是就产生了一个原理叫量子态叠加原理。
什么叫量子态叠加原理呢？如果一个波粒二象性的粒子，它有N种可能的状态。那么这个时间他究竟处在哪个状态呢？不确定，N种状态都有，于是我把N种状态按一定概率叠加起来构成的一个态，这个态就是他现在的态。所以我们就引出一个新的量子态的概念，量子态就描述某一个时间这个客体它所处的状态是各种可能状态的叠加态，这个叫量子叠加原理。
这个叠加原理经典是怎么样，经典是确定的，不要叠加，量子不确定导致一个叠加原理。比如说我们在信息领域里，经典世界的信息是确定的，要么0要么1，这个叫比特，所以在经典世界，我们说数码时代，所有信息都用0101来代替，所以我们发的经典信息实际上是0101串，对吧，这是确定的，这个大家现在都在用，对吧，那么量子呢，不确定。所以它可能处在0，也可能处在1不确定，那怎么办呢？把0这个态和1这个态叠加以后，那个态就是他现在状态，这个状态叫量子态，叫做量子比特。所以量子态是整个量子世界的灵魂。
我如果知道一个客体的量子态，这个客体所有物理性质都可以从量子态导出来。我们最多对量子世界的理解，量子客体的了解，也就是量子态，量子态知道了我就知道一切。所有一切就包含量子态，所以这个量子态你是量子，是量子世界的最核心的一个概念，在量子信息里也是，我们处理信息就处理量子态，我要传送信息，传送的是量子态，我要处理量子信息也处理量子态，所以这个量子态是我们最关心的。量子态不同了，那么它包含的信息就不同，体现在哪，体现在叠加系数阿尔法，贝塔，这是两个复数，它只要满足阿尔法平方加贝塔平方等于1那就行了，这表示是一个粒子，所以阿尔法代表什么呢？阿尔法绝对平方代表这个量子态处在0这种状态的概率。
贝尔塔平方呢，处处在1这种概率，所以这个就是量子态的物理含义，所以我们量子设计里碰到的都是量子态，那么量子态谁的量子态载体是什么载体？可以是光子，可是电子，可是原子、离子，什么都可能，但只要不同的载体量子态相同，这些载体携带的量子信息是一样的，所以核心的概念就是量子态。那我们看我们用这个量子态可以做点什么事，比如说量子密码，量子密码也是量子信息技术一个很重要的方向。
随机数是01 01的随机数是一个密钥，我要把这个密钥，是从这个密钥要送到对方去，密钥传输，密钥传输你当然最简单，我把密钥送过去。密钥送过去的过程里，中间有人窃听，他很容易把那密钥窃听完了，然后再模仿你的密钥的顺势发到对方，对方他不知道有人窃听，所以他就用这个密码来做保密通讯，这个他的信息就不安全了，就会让人偷了。现在我们用量子态。
我们用量子态来做量子密码，怎么做呢？我把量子态来携带01的这个信息，比如说光子，光子有各种量子态，我们用偏振量子态，我们假定。量子态处在圆的这种光子，这一个光子我代表1，说好了，事先如果是线偏光，我就代表0，然后呢，我现在要发送的是010011这样一个随机数，一是把这个随机数字编制在量子态上，如果碰到0，我用这个光子用线偏光来代表0编一个，如果是碰到1，我就用圆偏光，这样呢我就发现一系列的光子。对方呢，就来看我这光子是0啊，是一，他要测量它的偏振态，他把偏振态的测量了，他就知道，哦，01是一样的，这个就用量子态来把0101传过去。
那么好处是什么呢？中间有人去听。测定的人他不知道这个，我拿到一个光子，这个光子究竟是处在哪一个量子态，他不知道，他要测量，他测量可能猜对这个是圆的，就用圆的办法测量，那就对了，他把这个信息偷了，但是还有能猜错。50%的概率猜错，它用线偏光的方法测量圆偏光，这样测量有什么结果呢？它会把圆偏光的光子变成线偏光的光子，它得到的是0。然后呢，他在模仿一个0的这种偏振光子发到对方去，所以对方也收到了，对方收到以后，他把他们变成密钥，他肯定有错，本来0就变成1，1变成0了。
这个出错了，所以合法用户拿到了密钥，传到密钥以后，挑一些随机数比对，发现这个错误非常大，他就肯定中间有人窃听，这个窃听破坏，我原来是0就变成1了，1变成0了，所以误码就出来了，如果发现误码很高。这个密钥是不安全的，我们就不用，如果发现这个误码很低，那么没有什么误码，或者中间没有人窃听，我们传送密钥是安全的。这是用量子态传送密钥，它的好处是量子密码的安全性提高了，这就是一个例子，OK, 这是量子世界第一个特点叫不确定性，我们用来做密码。
第二个性质叫做非局域性，回顾一下什么叫局域性，局域性简单说就没有相互作用。我们不会互相影响的，就大家都很赞同这个观点并且看到这种现象，非局域性的，恰好没有相互作用。我仍然可以影响你。这就很不一样了，这叫非局域性，这件事情很难理解，人类花了将近90年。才把量子世界的这种性质搞清楚。最开始1927年，是爱因斯坦跟玻尔争论，争论的时候，爱因斯坦提出一个说量子力学如果成立的话，它会出来一个特殊的超距作用，但是这场争论的时候，玻尔学派那帮很牛的年轻人，没有人听懂爱因斯坦想讲什么，他们也没看到量子世界有一个超级作用，他也没有理解爱因斯坦到底想讲什么，所以没有讨论起来。但是对于爱因斯坦来说，这件事情是他心目中对量子力学说最大的疑惑。
一直到了1935年，爱因斯坦他又重新提这个问题，这回不是辩论了，这回就写了一篇文章，有三个人写的一篇文章在PRL上发表，这叫EPR的佯谬，这是爱因斯坦在这篇文章阐明的一个实验，这个实验呢，把那个特殊的超级作用变成更形象的一个幽灵，这个幽灵在量子世界一定会出来，这个幽灵，但这个幽灵一定不存在，所以爱因斯坦说量子力学是不完备的。这件事情的争论，争论呢，没有结果，因为大家都忙着在发展量子力学，对这种量子力学的基础讨论的没有兴趣。那么到1966年，有一个爱因斯坦他的忠实的信徒叫Bell。他提出的一个Bell定理来验证是爱因斯坦对呢，还是量子力学对？它的定理呢，体现在一个叫Bell不等式上面。如果Bell不等式能成立的话，永远成立在实验上。那么爱因斯坦就对了，量子力学有毛病，幽灵不存在。如果不等式被违背了，实验上看被违背了，那爱因斯坦错了，量子力学是对的，幽灵存在。这样，人们就物理学家可以用实验来验证谁是谁非这样一场争论。
但是实际上很难，1972年有人做，做的不成功，到82年，法国一个科学家叫阿斯佩的，第一次在实验上成功了。这个实验上比较靠谱，他认为可靠性很大。他的结论是，Bell不等式被违背了。量子力学是对的，爱因斯坦错了，幽灵是存在的，量子力学导出了那个幽灵是存在的。那么幽灵是存在说明什么呢？说明量子世界有一个性质，叫做非局域性。这就是它的结论，所以Bell定理就证明了量子世界有一个经典世界是没有的，经典是局域的，量子是非局域的，非局域就是说我没有任何相互作用，我可能互相影响状态啊，但是呢，82年的这个实验呢，还是有些漏洞，有点漏洞，但是阿斯佩他说了，文章他就讲了，我那个实验室还有点漏洞，但是尽管把这个漏洞都堵掉了，我仍然相信我的结论是对的。但是人们为了补漏洞又花了很多年，一直到了2015年，没有漏洞的Bell不等式被违背的实验才做成，这样就盖棺定论，到2022年，诺贝尔物理奖就给了三个做Bell不等式被违背实验的科学家，这样这场经历的90年的争论总算告一段落。
这个告一段落以后的结论就是量子世界有一个非局域性的间隔特性。那么这个特性很难理解，所以我呢，下面再稍稍花一点时间来简要的介绍为什么没有相互作用也会互相影响，这是纠缠，到底什么叫纠缠？这个故事稍稍讲的多一点，这是第一次，1927年爱因斯坦跟玻尔争论的第一个会，这个会是在量子力学建立以后的第一次国际大会。到会有29个人，都是当代最有名的科学家，其中有17个科学家先后得到诺贝尔奖，所以这个会的规格是历史上最高的。讨论的对象是玻尔和爱因斯坦的争论，就是爱因斯坦说，量子力学如果对的话，有个特殊的超级作用，那么没有讨论清楚，1935年他用EPR的佯谬的实验导出了量子力学会产生幽灵。这个幽灵是什么呢？这幽灵不存在，所以他认为量子力学错了。
从这以后又开始争论，那我们讲这篇文章究竟提出一个什么问题，他说我按照你量子力学的原理，我可以构造一个实验。一个量子态，这个量子态是两个粒子，一个A和B。那么AB的自旋要么向上，要么向下。那么，如果这两个粒子处在一个特殊状态，什么叫特殊状态呢？我要求A和B的自旋总相反。我就要求这个，这个要求就把AB连在一块了对吧，你不能单独的，我们总相反，所以这个态就是纠缠态。这就是它的自旋总是相反，这个物理性质把A和B两个客体连起来了，纠缠起来了，这个叫纠缠态。如果有了纠缠态，我们在现实上可以产生这种纠缠态，我把A放到地球，把B放在月球，然后我做实验，在地球上测量A。那月球上那个B马上发生变化，我测量地球上的A，它的自旋向下了，月球上那个粒子，你测量不测量，它的自旋一定向上，为什么？因为他们关联起来，他们两个总相反，我知道A向下，B定向上，对不对啊，这个就是纠缠。所以纠缠的意思呢，就是说两粒子有一个性质把它连在一块，一个粒子的状态发生变化，另一个马上发生变化。
所以这种叫做量子关联，关联会导致关联的双方的状态会互相影响的，这个我们在生活的当中也会感受到，比如说两个母女之间的关联，身份的关联，女儿跟母亲，女儿生孩子，女儿的身份从女儿变成母亲。他的母亲就从母亲变成外婆。这两个状态是同时产生的，是因为他们有母女身份的关联，关联会产生互相影响的，而且这种影响是同时发生的，A发生变化，B马上发生变化啊，所以这种关联是同时的，但是这个关联的影响没有信息传递。对吧，不需要传递任何信息，这件事情就发生了，这种关联导致的变化就发生了，所以没有信息的传递就谈不上超光速，因为没有什么东西可传的，所以就谈不上超光速。所以纠缠是量子关联导致的。
幽灵它的本质就是量子关联，量子关联的现象发生不需要传递任何信息，也不会超光速，所以这里要特别讲，很多人误导说纠缠就是超光速，可以拿纠缠来做超光速的通信，这是错误的，这是完全误解，因为在纠缠里面只是关联导致的现象发生，不需要产生任何信息的传递。所以这场争论应该是到此结束，那么结束就是Bell的功劳，Bell呢，搞出一个实验，然后这个实验呢的结果就发现Bell不等式被违背了，就证明非局域产生了，原因在非局域，而纠缠就是空间非局域性的一个体现，而纠缠就是关联，两个物理量，它某种内在的关系导致他们纠缠了。这才会产生我们的非局域的现象，所以局域性是相互作用才会互相影响，非局域是没有相互作用也会有影响。
什么导致非局域的相互作用影响？就是纠缠，就是关联，量子关联导致，所以它的物理本质就是量子关联，这就我们说的。那么好，我们看看量子纠缠以后有什么新的用途呢？实际上量子设计的基础就是这两个性质，不确定性和非局域性。我们看纠缠有一个特别有意思的妙用。说爱因斯坦呢，在地球上突然消失掉，然后在另外一个星球上蹦出来，这个叫做隐形传物，就是跟我们风神把土行孙一样，土行孙在某一个地方突然没了，然后在另一个地方出来，就过去了，这个莫名其妙，我们不知道怎么过去，这是神话科幻，可以这么做，真实的情况做不到。但是量子纠缠出来以后，科学家提出一个类似的这种方案，叫隐形传态。
隐形传态的意思说爱丽丝手头有个粒子叫C，波粒二象性，那爱丽丝想把这个量子信息的送到远方她男朋友鲍勃那儿去。但是这个信息的载体，这个载体可能是离子，是电子、光子，这个载体不送过去，把信息送过去。这种呢，能不能做到，用经典办法做不到，用量子的办法也做不到。但是，把量子跟经典联合起来一块做就能做到，所以我们来看看这里发生了一些什么事。
首先你这一个纠缠关联，然后A和B纠缠呢，他就有关联了，对不对啊，有量子关联了，把A送到爱丽丝那里去，把B送到鲍勃那去，那么爱丽丝手头就有两个粒子，那爱丽丝对他两个粒子去做一个测量，这个测量叫贝尔态测量，这个测量的细节我们不管，我们知道它测量的结果有四种可能，每一种可能是4分之1概率。但是我测量一次就有一个结果，我测量了一次，我不管它是什么结果，我把这个测量的结果告诉鲍勃，那就需要一个两个比特的经典信息，要通过经典通道才能算到波波那去，波波得到这样一个信息以后，他就对他这个粒子B进行一个操作。操作以后，这个粒子B就会变成粒子C那个状态。这个他就跑到鲍勃那来了，所以这相当于这个C的这个粒子的信息消失掉了，在爱丽丝这方消失掉了，在鲍勃那出来了，这个过程呢，就叫隐形传态，这个已经在现在做成了，实际上是量子通信的基础。
量子信息传播到对方去了，这就是量子通信是吧？但是我要提醒的是，这个过程里被很多人误解了，误解说量子技术非常奥妙，我们可以把人在地球上突然消失掉，送到远方去。或者说我要旅游了，我不用买飞机票，我就用隐形传态一下就奔过去了。这是有些科学家这样的宣传，这样观点对不对，完全错了，为什么第一个，这个隐形传态的过程需要经典信息，如果没有经典信息，鲍勃就不会操作到那个量子态上去，所以经典通道是必须的，纠缠通道也必须的，两个都是必须，所以这个有经典通道传信息就不会超光速。所以隐形传态整个过程没有超光速，不可能超光速，所以瞬时的能送到远方去，或者瞬时的从合肥，从北京到纽约。这完全不可能，这是第一个，第二个人，这里传的是量子态，人是宏观的，宏观有没有量子态，这就涉及到另外一个佯谬，叫薛定谔猫。是吧？薛定谔的猫是一个死猫跟活猫的叠加态，在微观世界引起的，在宏观看不到，宏观的量子性消失掉了，所以宏观上没有薛定谔的猫，要么死猫，要么活猫，人是一个宏观的客体，人不可能是量子的，所以你也不可能用这隐形传态把人传走，哪怕不超光速也传不过去。所以这件事情是一个误导，完全不可相信的一个误导，这就是我要讲的这件事。
我们现在是回到已经两个信息，一个叫不确定性，一个叫非局域性量子纠缠，我把这两个信息综合起来，我们可以造出量子计算机。
量子计算的工作原理就这两个性质，这个很容易理解，比如说电子计算机有电子芯片。电子芯片是很多很多晶体管做单元组成的，一个一个比特的一个芯片。每一个比特呢，因为它是确定的，他要么0，要么1，所以在某一个时间，电子芯片的N个比特处在一个这种状态，这个状态就一个数据。对不对，所以在电子计算器的芯片里，某一个时间只有一个数据，好，电子计算呢，就要编程，要操作，操作一次就把这个数据变成另一个新的数据，再操作一次，再变成另一个数据，最后把程序做完了，算的答案就出来了，这是电子计算机运行的模式对吧？这叫串行运算，因为每一个时间芯片只有一个数据，这就是最核心的是最关键的。
下面这个量子芯片，量子芯片是由N个量子比特构成的。每一个量子比特就不是0和1了，是个量子态，0 1叠加态，0 1的叠加态含有阿尔法、贝塔两个数。所以一个量子比特含有两个经典数据，注意，这是最要害的，一个量子比特含有阿尔法贝塔两个经典数，要是2个量子比特呢？可能还有多少数啊，4个数。N个量子比特的芯片，同样的时间还有多少经典数呢？2的N次方的经典数。这就是量子不确定性带来的叠加原理给我们的好处。
有了叠加，一个量子，比如可以带两个经典数，N个量子比特存储的数据有的2的N次方个数据。这个是惊人的，而且随着N是指数上升的，如果N=300，这个存的数据有多少，数据跟整个宇宙的原子数目还要多，所以存储数据的能力是电子计算机的2的N次方倍。好，计算呢，计算就编程操作，操作一次，我把这么多数，2的N次方个数同时变成另外新的2的N次方个数。再操作一次，再变成2的N。所以每操作一次，我可以把这么多数同时变换，这叫并行运算。
这个并行运算就是量子计算机为什么能指数的这种量子超越电子计算机的内在的物理基础，就是这个原因。这样操作就科学家在80年代就想好了，利用这种不确定性，我可以并行运算，加快运算速度啊，那么怎么算呢？把数据经典数拿进来，然后呢？把它在量子计算机里做并行运算，最后运算的结果是什么？还是一个量子态，这个量子态呢，包含有计算的结果，那我怎么把量子态的信息提出来呢？我要做量子测量，测量了以后呢，它会探测到一个数。再测量一次呢，会它测到一个数，说测量出来的不是一个值，是一个概率的，在概率的这个数值分布里，哪一个是我的答案我搞不清楚，所以物理学家就说这个没办法，到了最后量子态取出我的，我需要的数据取不出来。所以量子计算机虽然有并行运算能力，但是没有用，因为我提不出这个信息来。
解决这个问题也是数学家，数学家说，你把量子纠缠的性质也用上。我就可以编码，我编码的特点就是让操作的时候相干相消，相干相涨，我所需要的数据慢慢涨涨，操作完了最后一个数据就是我的答案。这样呢，就解决了物理学家没法解决的问题，你这样做就出来了，是吧，我有并行运算，我也能把运算的结果提出来，那么这个就是量子计算机的优点。这就是量子计算机用到了两个特性。那么用这两种性质除了做量子计算以外，还可开拓一系列的量子技术，包含量子计算，它有并行运算能力，处理数据能力远远超越电子计算，而且它的能耗大大的降低，这是现在超算中心遇到了一个非常重要的阻碍，能耗太大。
第二个量子密码，刚刚也说了，量子密码提高它的安全性，还有量子传感，我们可以做量子传感器，这个传感器的灵敏度跟精度大大超越经典的传感器，还有量子模拟等等一系列的技术都利用量子这两个特性出来的。所以我们说，量子开拓了一系列的这种新的技术。这个新的技术比现在的技术高明的多，性能好的多，它的物理技术就是量子的特性，哪两个特性，不确定性，所以有叠加，非局域性有纠缠，这两个性质来开发出来的。
但是量子也有它的毛病，毛病在哪呢？就是你的优点在你量子性，你的缺点是量子性非常脆弱，在我们宏观世界里，所有任何的因素都会把量子性破坏了，量子性破坏掉了，量子计算的并行能力就没了，又变成串行了，又回到电子计算了，所以这就是量子器件它应用的阻碍障碍，我们要在宏观世界搞一个量子世界来用，你要保证它量子性不要变，量子线很脆弱，那就没办法，所以这也是他的量子信息发展的一个主要障碍。
这个我们就总结一下。我们利用不确定性和非局域性，叫量子特性，利用量子特性开拓出来的一个量子器件就叫第二次量子革命。那么量子力学出来以后，比如电脑、手机，这都靠量子力学原理出来的器件，但是到了器件这个层面呢，它又是经典的。所以是基于量子力学开拓出来的经典器件，就是我们现在信息社会所用的器件，这叫第一次量子革命，所以两次量子革命不同，他们相同都是量力学来的，不同的是到了器件层面，量子器件的就第二次革命，经典器件的第一次革命，那我们现在处于第一次量子革命到第二次量子革命交界的地方，这就是新的时代来了。
二、量子计算机
那我们下面来讲，其中最重要的就是量子计算机。量子计算的原理我们讲清楚了。它靠叠加，靠纠缠就把量子计算机做出来，但实际上在实验上要把量子计算机做出来是非常困难的。那量子计算机跟电子计算机一样，都是算题。所不同的是处理器不同是量子计算机，经典计算机算的题是一个串行运算，量子是并行运算，就这一点不同，这一点不同的就使它的速度可以变很多。
现在量子计算已经有了，有云端的量子计算机可以供大家用，你只要在电脑上，然后把你要算的问题输进去，然后这个软件呢，就会给你自动哪一种算法最合适，然后利用这个算法再来编程，编程以后再来操控，最后操控到芯片并行运算，然后运算的结果再测量，测量又回到你的手机，所以你最后量子使用的，你可以不管量子怎么运行，你只要到电脑上操作就行了，这个可以现在就可以做，我们已经有几台量子计算机在云端可以大家通过你的微机可以用啊，这就是量子计算机发展的几个关键性的问题，量子计算机最大的问题就是，它的相关性保持不住，所以科学家在研究量子相关性提高以后，到了2012年左右，发现相关时间可以达到100个微秒，美国大公司他们就意识到，到了这种水平的相关性，就可以开发出有用的量子计算机，所以从那以后，IBM、Google大公司投入到量子计算的运行当中，发展的非常快。
典型的几个阶段，第一个阶段呢，就2016年，IBM就在云端上搞一个五个量子比特的量子转机，全世界所有用户通过微机上网都可以使用，现在30多万人在用这个计算机进行算题，或者演示，或者学习，看看什么叫量子计算等等，这是第一个，关键性的进展，第二个进展是2019年，IBM呢，推出一个商用的量子计算机，20个量子比特作为商品可以卖出去，所以这是很关键的一步，就是变成了量子计算机，已经从遥远不太可能变成现在可以当商品用了，这当然是一个非常重要的进展。第三个阶段是，2019年下半年，Google他说我用了53个量子比特的一个处理器，我解的一个问题，这个问题呢，我就花了3分20秒我就解完了，但是用美国最好的超算中心要花1万年。
于是他就非常傲慢的宣布，我已经达到了量子霸权的阶段，就是量子计算机的运算能力远远超过电子计算机，这叫霸权。但实际上这个霸权是打引号的，因为后来我们国内的几个物理学家，他们搞了一种算法，他们可以解这个问题，可以用跟他们相当的时间然后就完成了，并不是像你说的，我要1万年，所以这个霸权没有实现，没有实现，但是意味着量子计算机的实际的运算能力已经跟超算相当。这就是现在发展的水平，然后最新的今年刚刚不久，IBM又宣布很多新的，量子比特越多越好，但是难度越来越大，所以他想办法用一种分块的，比如说每一块，每一块用三块，每一块33个比特，然后一条总线叫数据总线，把三个拿起来做一个大的计算机，所以这是他们最新的一个进展，我想办法让比特数增加，我采用个分块的办法。
那么他也公布了一个，我现在最新搞的就是1000个量子比特，这是现在超导这个方面是世界上比特数最多的超导比特，但这个比特每一个比特都是物理比特，本身有噪声，所以它真正能达到那个超算还很难，因为这个有噪声就会影响你测量的计算的精度。那噪声越大，最后计算的结果就不可靠，所以这种含有噪声的物理比特还不是最终能用的物理比特，那么最新的一个重大进展。就是今年。
前不久，哈佛大学。公布一个我用逻辑比特来做，就若干个物理比特是有噪声的，我变成个逻辑比特，逻辑比特是没有噪声，我用逻辑比特来处理数据，就速度就非常快，那就非常准确，这是用原子的办法，所以这不是超导，这是原子，所以这个体系具有比超导更好的优越性，这就是现在做的。最新用原子体系做量子计算，他们成功在一个280个物理比特的体系里，然后制造出48个逻辑比特，并用这个逻辑比特进行编程，解决实际问题。这是最新的一个阶段性的重要突破，因为原来我们用的都是物理比特，现在他们开始用逻辑比特，这是量子技术发展的一个新的阶段跟突破。这是一个非常有意义的工作。
第三个方向也是最近，就清华我们段路明小组，他用离子来做物理比特，他现在能做到512个离子构成一个二维的平面来做编码来处理问题，这是第三条路。所以现在量子计算机已经从前几年的只有超导一家独秀的这种状况，变成是离子、原子、超导相当在一块并列的竞争的一个态势，这样呢，我们人类最后要达到通用计算机，要逻辑比特，那么这个时代会越来越快，这就是现在的状况。那么我们国内呢，也做了一些工作，我们在云端上也有两台计算机，6个量子比特，那商品上我们有24个比特的超导量子计算的商品，实际应用已经两年了。
后来发现72个量子比特的一个商品也达到应用级，所以现在已经有两台在实际应用，这就是我们国内做的量子计算机。
那么我们做的一些软件就是用司南的操作系统，我们国内自己产的，所以我们整个水平不如美国，我们硬件上跟美国差距还很大，而这个差距现在有越拉越大的这种趋势。但是我们可以自豪的说，我们是在靠自力自强的办法把它做出来，而且所有的量子计算机的器件和零件全都是国产的，这样我们就有可能靠自己力量在这个赛道上跟国际竞争，这就是量子计算机，它的用途呢？各种各样的用途很大，那么它现在的特点就是把量子计算跟超算中心两个最好结合起来，叫量超融合，然后搞到合适的量超融合的算法，就可以来解具体问题，这个问题的解决的速度比单纯靠超算中心要快得多，所以现在已经好多超算中心把量子计算机引进来进行量超融合的这种试点，在这个领域里正在做大量的工作，我们现在这个领域的发展可以使我们更快的追上和赶过国外的水平。
三、量子时代的信息安全
最后讲一个量子计算出来以后，信息会受到影响，尤其信息的安全会受到严重的挑战，因为量子计算机有并行运算的能力，所以呢？现在的量子密码体系会受到影响，现在的所有量子密码体系就这么一个图，一个靠密码，就是如果你要发一个明文，然后呢。用一个密钥来加密，变成密文，密文在传到对方，对方在用密钥解密，把明文拿出来，这是保密通信的过程，但中间有人窃听，从密文能把那明文给取出来，如果能取出来，那你就安全性差了，如果取不出来，那你就保密通讯也是安全的。那么现在的状况是这样的，我们现在有两种体系，公钥体系，私钥体制，那么所有的这些都是靠数学的复杂度。靠数学复杂度来保证安全，量子计算机就会破的，所以它将来会不安全。唯有一种叫做一次一密，就是用密钥的长度跟明文的长度一样长，就用一次，不重复用，用一次就扔掉，这叫一次一密。
这种保密的方式，量子计算机没办法破。但是这里最要害的是，密钥本身的安全，如果密钥本身不安全的话，一次一密也是不安全的，也会被人破，密钥安全不安全，现在的密钥分配是不安全的，它靠人工或者是靠信息去传密钥，这是不安全。
所以量子出来以后。科学家又提了一种叫新的办法来解决这个问题，这个办法有两种，一种就是物理办法，就用量子密钥这种办法来保证安全，这个现在能做到相对安全，不能绝对安全。所以。在这个情况下，如果你能把现阶段的量子密钥攻不破了，我说相对安全，再加上一次一密。这个我们保证量子计算机你破不了。
第二种办法是最新的办法，叫做后量子密码或者公开密钥，它就不用数学的难度，它用一个量子计算机没法破的数学问题来构造新的公开密钥，这个公开密钥量子计算器也没法破，这叫后量子密码，或者叫抗量子工具的密码，那现在美国已经从60几个方案当中筛选出3个方案，现在已经开始用了，就是为了防止量子计算机一旦出来了，我的所有保密系统都用新的办法能保密，所以后量子密码是用数学的办法来保证量子计算机时代，我的信息仍然是安全。
所以在量子技术的时代里面，2点：没有绝对安全的保密系统，也没有无坚不摧的破译手段。所以信息安全的攻防进入到量子对抗的这个新阶段，这就是量子时代的量子信息安全的一个办法。
量子密码的防御能力如何？用物理的办法，或者我们通常叫QKD的办法，他还是有脆弱的，所以美国国防部和英国的网络安全中心，他们认为在军队不能用这种方法，那么他们更关注的是数学方法，叫做后量子密码。美国经过四轮的选举筛选，从83个方案里面筛选出4种可行的方案，今年已经在各种保密的体系里已经开始使用了，为了防止量子计算的工具，这个他们走的路，而且走的很成功，我们国内在这两方面也都在做，也取得很大的进展。
四、结语
这就是我要讲的内容，所以最后总结一句，量子信息技术包含了量子计算、量子密码、量子传感、量子模拟、量子互联网等等。它可以突破现有信息技术的物理极限。信息技术的性能会大大提高。一旦社会进入到量子技术时代，社会的生产力会走到一个新的阶段，人类社会会发生翻天覆地的变化，因此量子信息技术是人类未来新一代的技术，谢谢大家，我的报告完了。
感谢郭院士的精彩演讲，请您留步，刚刚您给我们分享了很多关于量子信息的内容啊，那其实呢，听到量子信息好像觉得距离我们普通老百姓的生活有些遥远，那您觉得在未来我们日常老百姓的生活当中，有没有希望用上量子计算机呢？哦，这个量子呢，确实比较高深，大家很奇怪，然后现在的社会是现在发展到一个非常独特的时代，在我当年学生的时候讲的量子非常奥秘，深不可探，现在已经走到开始从实验室走到了人类社会来，但走到人类社会是一个过渡，这个过渡还在进行，但还很难短时间到达老百姓使用的阶段，老百姓不能用，但是国家的重要部门，比如说我国国防或者国家机密，我需要很快处理数据，我就靠量子算力提高，这个是国家其实但是不是个人，但整个社会来说，它是很有价值，将来用处很大，比如说我们现在是人工智能，将来有个量子人工智能，那人工智能的能力就更不得了了，所以对人类社会整体来说是一个新的发展趋势，但还没有用到真的社会，所以有的人说量子计算机出来，我们电子计算机就消失掉了，不会的，他跟电子计算的关系是互补的关系，是个提升的关系，你电子做的慢的，需要快的，我量子加快，你做不出来的，你解不出来的，像破密码，你破不了的我能破，所以你破不了我能做，他在这些领域你发挥作用，他更重要的不是在老百姓的生活当中来发挥作用。
1）A股指数原先是符合经典物理运动规律的，但是由于IPO在2018年之后提速，导致它现在符合量子力学的运动规律。经典物理学有两个特点，第一个是确定性，第二个是局域性。什么叫确定性？经典世界里每一个时刻，物理客体的物理值、物理量，比如说动量、能量、角动量，所有物理量，它都具有确定的值，这叫确定性。什么叫局域性？局域性的意思是指物理客体的状态。不会受到与它没有任何相互作用的其他客体的影响。
我们自然界有4种相互作用力，如果一个物体不受到其他的物体的任何一种相互作用，那这个客体就不会受到影响。简单来说就没有相互作用，不会互相影响，这个性质就叫局域性。确定性跟局域性是经典世界的特点。量子跟它相反，量子世界的特征之一，就是不确定性。不确定的含义就是说每一个时刻，量子客体的物理量、动量、能量坐标什么量，都不具有确定的值。它的值是概率分布的，是个概率性的，而是这种概率性没法消除。
需要注意的是，热力学和统计物理研究的对象是大量的粒子，比如10的23次方粒子，我们不可能了解每一个粒子在这个时刻它的位置和动量。所以我没法精确地去描述它，我就用统计的观念来描述整体的性质，这叫统计物理，所以它的量也是概率的，但这个概率是可以消除的。
在上一期讲座中，我指出A股原先的运动规律是符合热力学与统计物理的麦克斯韦-玻尔兹曼运动规律的。在麦克斯韦-玻尔兹曼运动规律中，每一个粒子实际上它的运动规律之所以我们用一个概率来表达，只是因为信息的缺失，但是实际上每一个粒子我们都能观察到它具体的物理量（可以通过DCF现金流来观察）。比如说动量、能量、角动量，所有物理量，它都具有确定的值，这叫确定性。反映在A股上，就是我们能够明确知道，这个公司成交量是多少？它的股价是多少？它的PE、PB目前是多少，虽然我们由于信息不足的原因，没法很精确的去描述一个具体的A股粒子，但是理论上这个公司所处的位置和动量的概率是可以消除的。
2019年之后，由于IPO的大量提速，导致了A股指数进入到了量子力学，波粒二象性的特点。这时在量子世界，一个重要特质是不确定性。A股指数的5000多个公司变成了量子客体，那你就问，这个时间它在空间哪一个位置。量子力学告诉你，空间哪一个位置都可能找到它，它是概率分布在整个空间，它不确定在某一个位置，这就是量子的不确定性。这时你问，贵州茅台股价有可能是多少，用传统的DCF现金流方法已经计算不出来了，它有可能是800元，有可能是1600元，这时一个A股粒子会出现量子力学的不确定性。
通俗一些就是A股粒子已经出现了量子态叠加原理。举一个例子，如果一个人从合肥，我从合肥来的，他到北京可以坐高铁，可以坐飞机，那么一旦到了北京，你就问他，你怎么来的，你的运动轨迹是哪一条？我是买的高铁票，我当然是走高铁来的，我的轨迹是确定的，我走哪一条路是确定的。同样有一个量子从合肥到了北京，你问你怎么来的这个量子，你需要告诉你，这个粒子是既坐飞机又坐高铁，两条路一块走。他不能走一条，它是不确定的，它的轨迹是不确定的，因为它所有物理量都是不确定的，轨迹也是物理量，所以是不确定的，这是很奇怪，一个离子从两个不同的路径到达。
2）现在我们知道，量子客体可能有4种可能的状态，你问这个时间，这个粒子在哪一种状态？量子就是告诉你它不确定，它是4种状态都能找到它，它是概率分布的4种状态，这是不确定，所以不确定呢，给我们带来很奇怪的东西，于是就产生了一个原理叫量子态叠加原理，也可以说是概率分布的四种状态。
什么叫量子态叠加原理呢？如果一个波粒二象性的粒子，它有N种可能的状态。那么这个时间他究竟处在哪个状态呢？不确定，N种状态都有，于是我把N种状态按一定概率叠加起来构成的一个态，这个态就是他现在的态。所以我们就引出一个新的量子态的概念，量子态就描述某一个时间这个客体它所处的状态是各种可能状态的叠加态，这个叫量子叠加原理。
经典是确定的，不要叠加，而量子不确定导致一个叠加原理。在量子力学中，它可能处在0，也可能处在1不确定，那怎么办呢？把0这个态和1这个态叠加以后，那个态就是他现在状态，这个状态叫量子态，叫做量子比特。所以量子态是整个量子世界的灵魂。
3）量子力学第二个性质叫做非局域性，局域性简单说就没有相互作用。我们不会互相影响的，生活中大家都很赞同这个观点并且看到这种现象。而非局域性是指，两个物体之间恰好没有相互作用。我仍然可以影响你。
到了2022年，诺贝尔物理学奖给了三个做贝尔不等式被违背实验的物理学家，这说明量子纠缠是存在的，量子世界是非局域性的。
量子世界有一个非局域性的间隔特性。例如，我按照你量子力学的原理，我可以构造一个实验。一个量子态，这个量子态是两个粒子，一个A和B。那么AB的自旋要么向上，要么向下。那么，如果这两个粒子处在一个特殊状态，什么叫特殊状态呢？我要求A和B的自旋总相反。我就要求这个，这个要求就把AB连在一块了对吧，你不能单独的，我们总相反，所以这个态就是纠缠态。这就是它的自旋总是相反，这个物理性质把A和B两个客体连起来了，纠缠起来了，这个叫纠缠态。如果有了纠缠态，我们在现实上可以产生这种纠缠态，我把A放到地球，把B放在月球，然后我做实验，在地球上测量A。那月球上那个B马上发生变化，我测量地球上的A，它的自旋向下了，月球上那个粒子，你测量不测量，它的自旋一定向上，为什么？因为他们关联起来，他们两个总相反，我知道A向下，B定向上，对不对啊，这个就是纠缠。所以纠缠的意思呢，就是说两粒子有一个性质把它连在一块，一个粒子的状态发生变化，另一个马上发生变化。
这种叫做量子关联，关联会导致关联的双方的状态会互相影响的，这个我们在生活的当中也会感受到，比如说两个母女之间的关联，身份的关联，女儿跟母亲，女儿生孩子，女儿的身份从女儿变成母亲。他的母亲就从母亲变成外婆。这两个状态是同时产生的，是因为他们有母女身份的关联，关联会产生互相影响的，而且这种影响是同时发生的，A发生变化，B马上发生变化，所以这种关联是同时的，但是这个关联的影响没有信息传递。在量子纠缠态里，AB之间不需要传递任何信息，这件事情就发生了，这种关联导致的变化就发生了，所以没有信息的传递就谈不上超光速，因为没有什么东西可传的，所以就谈不上超光速。所以纠缠是量子关联导致的。
纠缠就是空间非局域性的一个体现，而纠缠就是关联，两个物理量，它某种内在的关系导致他们纠缠了。这才会产生我们的非局域的现象，所以局域性是相互作用才会互相影响，非局域是没有相互作用也会有影响。
4）什么导致非局域的相互作用影响？就是纠缠，就是关联，量子关联导致，所以它的物理本质就是量子关联，这就我们说的。那么好，我们看看量子纠缠以后有什么新的用途呢？实际上量子设计的基础就是这两个性质，不确定性和非局域性。我们看纠缠有一个特别有意思的妙用。
量子纠缠是A股形成的基础，A、B两个物理量，他们之间的某种内在关系导致他们纠缠了，才会产生我们量子力学中的非局域性现象。例如：贵州茅台净利润的提高和贵州茅台股价的提高是一个量子纠缠态，一旦A变化了，B就可以变化。由于目前A股越来越体现出微观的量子力学运动，这就导致A股的非局域性越发明显，反映在交易上，就是美股对于A股的指导性会更强。
5）隐形传态的意思说爱丽丝手头有个粒子叫C，波粒二象性，那爱丽丝想把这个量子信息的送到远方她男朋友鲍勃那儿去。但是这个信息的载体，这个载体可能是离子，是电子、光子，这个载体不送过去，把信息送过去。这种呢，能不能做到，用经典办法做不到，用量子的办法也做不到。但是，把量子跟经典联合起来一块做就能做到，所以我们来看看这里发生了一些什么事。
首先你这一个纠缠关联，然后A和B纠缠呢，他就有关联了，对不对啊，有量子关联了，把A送到爱丽丝那里去，把B送到鲍勃那去，那么爱丽丝手头就有两个粒子，那爱丽丝对他两个粒子去做一个测量，这个测量叫贝尔态测量，这个测量的细节我们不管，我们知道它测量的结果有四种可能，每一种可能是4分之1概率。但是我测量一次就有一个结果，我测量了一次，我不管它是什么结果，我把这个测量的结果告诉鲍勃，那就需要一个两个比特的经典信息，要通过经典通道才能算到波波那去，波波得到这样一个信息以后，他就对他这个粒子B进行一个操作。操作以后，这个粒子B就会变成粒子C那个状态。这个他就跑到鲍勃那来了，所以这相当于这个C的这个粒子的信息消失掉了，在爱丽丝这方消失掉了，在鲍勃那出来了，这个过程呢，就叫隐形传态，这个已经在现在做成了，实际上是量子通信的基础。
这个隐形传态的过程需要经典信息，如果没有经典信息，鲍勃就不会操作到那个量子态上去，所以经典通道是必须的，纠缠通道也必须的，两个都是必须，所以这个有经典通道传信息就不会超光速。
第二个人，这里传的是量子态，人是宏观的，宏观有没有量子态，这就涉及到另外一个佯谬，叫薛定谔猫。是吧？薛定谔的猫是一个死猫跟活猫的叠加态，在微观世界引起的，在宏观看不到，宏观的量子性消失掉了，所以宏观上没有薛定谔的猫，要么死猫，要么活猫，人是一个宏观的客体，人不可能是量子的，所以你也不可能用这隐形传态把人传走。
宏观的量子性会消失，所以在微观量子力学中会有一个薛定谔的死猫和活猫的叠加态，但是在宏观上这种量子性就会消失掉，宏观上没有薛定谔的猫，要么是死猫，要么是活猫。实际上原本来说，A股的量子性是非常脆弱的（但是大量的IPO会让A股市场处于一个量子力学的玻色爱因斯坦效应上，而且这个阶段会持续三到五年时间），在我们宏观世界里，很多很小的因素就可以把量子性破坏掉，所以在美国股票市场里会表现为一些大的龙头公司总是有机会上涨，在美国股票市场里，量子性是很弱的，大部分时候都是表现出经典物理状态，所以像苹果，富国银行，这样的大型公司，用DCF现金流模型是有用的。在实际投资当中我们也应当去寻找自由现金流较高的公司，而不应当在小公司上做过多的投资，虽然投资小公司的获利会很高，但是挑中的小公司上涨的概率是要低很多的。
