Quantum Information Science - Dr. Gerald Gilbert

那就是工程师，仅此而已，对吧？好的，哦，好吧，我们已经为接下来的演讲做好了准备，所以我们的下一位演讲者是杰拉尔德·吉尔伯特博士。杰瑞来自 MITRE 公司，并领导着他们的量子信息科学小组。他获得了德克萨斯大学的博士学位。他拥有非常杰出的职业生涯，曾与德克萨斯大学的史蒂文·温伯格以及斯蒂芬·霍金和他的一些学生共事。他将描述量子信息科学中的一些挑战。谢谢你，杰瑞。非常感谢。我需要把自己绑上什么东西吗？好的，很高兴来到这里。谢谢玛戈的邀请。你之前提到了量子笑话，它们通常不好笑，但你知道我的办公室，我在普林斯顿大学，当然，那是在新泽西州。所以，通常不好笑的工作是，不像说我来自新泽西州，我有一个你无法拒绝的提议，然后说我来自新泽西州，我有一个你无法理解的演讲。所以，我们来看看会怎么样。这是要按按钮的正确方式吗？好的，所以你提到我是一名理论家，不是实验家，是的，好的，明白了。所以，我将概述这个领域，希望能填补一些空白，而且无论如何，重复复杂的想法总是一个好主意。整个量子信息科学领域，或者说 QED，是由三个部分组成的，它们在某种程度上是相互依赖的。这三个部分是量子计算、传感和通信。这三个部分并不相同，但它们除了“量子”这个词出现在它们名称中的明显语言学事实之外，它们各自有两个共同点。它们各自解决了一组问题，这些问题要么在物理上无法解决，要么在实际意义上无法解决。这是它们共同拥有的两件事之一，另一件事是，它们通过我们设计的设备直接利用量子力学物理学的一个或多个特征来实现这一点，无论是硬件设计还是算法设计。在这三个领域中，我可以详细阐述一些有趣的挑战性问题，这些问题我们已经知道解决方案，但在经典语境下是无法解决的，但我只会举几个例子。这些可能对在座的各位都很熟悉，但在量子计算的情况下，我们知道存在一些数学复杂度的问题，以至于我们无法使用经典技术来解决它们。最著名的所谓“杀手级应用”，我相信大家都必须知道，就是 Shor 算法，它用于破解密码。我想顺便强调一下，Shor 算法并非未知，并非我们没有证明不存在经典方法来完成量子计算机实现 Shor 算法所做的事情。存在一些量子算法，它们可以解决没有经典机器能够解决的问题，而且我们确实有这样的证明，但这个著名的杀手级应用 Shor 算法目前并非如此。我们还没有证明它不可能，尽管它可能不可能。量子传感就像戴上你能戴上的最好的眼镜。我需要戴上老花镜才能阅读。量子传感实现了我们目前所理解的自然法则所允许的最好图像分辨率。量子通信是一系列协议，到目前为止，今天被提及最多的协议是量子密钥分发或量子密码学。这两个短语是同义词。正确的名称是量子密钥分发，但为时已晚，错误的名称量子密码学已经流行起来，并且已经发生。所以，这是两个同义词，它们的意思相同，并且有适当的解释，说明你指的是什么。它提供了一种绝对安全的通信方式。我将更详细地介绍这一点。在之前的演讲中也强调了这一点，但我想谈谈它，即将所有这些联系起来的统一特征，即比特向量子比特的泛化，而其基础是物理学不同部分与信息论之间的联系。所以，这里有一个三段论，它似乎几乎像内容列表，但它非常重要，而且并非没有内容。信息必然被编码在某个物理系统的状态中。我的意思是，如果我们想互相交流或互相做任何事情，我们必须手头有一个物理对象来做这件事。我们不能只是互相盯着看，所以必须有一个物理实体，而物理系统的行为自然受物理定律支配，这决定了什么可行。但今天，在 2018 年，这些物理定律的基础是量子力学。我们不知道任何事情，我们不了解任何事情，我们人类不比量子力学更了解任何事情。我们不听，你无法想到任何事情，玻利维亚的历史，哈萨克斯坦的鸡蛋价格。我们没有比量子力学更了解的东西。到目前为止，还没有任何实验偏差从其预测中得到验证。因此，物理学家可以说，我相信它，这听起来像一个宗教声明，但我相信量子力学是正确的。所以，这实际上描述了物理对象做什么，如果我们把信息强加给物理对象，告诉我们信息能做什么。所以，你以前见过这张图表，但左边的是一个比特，在这种情况下是一个电容器。好吧，我的手是一个比特。如果我这样拿着，它就是零，如果我那样拿着，它就是一。任何我可以在两个状态之间翻转的物理事物都是一个比特的良好候选者。数字二没有什么神圣之处。信息科学的奠基人本可以选择了十七进制，他们本可以，如果他们是虐待狂的话。但以二为基数，在理论和思考的便利性方面，与其他任何基数一样好。它是最好的。所以，我们被困在以二为基数，但这是一件好事。所以，任何可以取两个值的东西都是一个比特，一个经典比特的良好候选者，仅此而已。一个杯子，这样或那样，就是一个比特。我真的不必想太多。好吧，如果我是克劳德·香农，在 1942 年，我不会过多地考虑将杯子倒过来使其成为零或一是否有什么特别之处，因为它没有。它只是一个杯子，或者是一个洞，或者打孔卡上的一个非洞，或者一个打开或关闭的管子。我不在乎它的物理原理。所以，这是我的比特，我有一个电荷，或者我没有电容器上的电荷。但是，你以前见过这个球体，它以费利克斯·布洛赫的名字命名，他是 20 世纪的伟大物理学家之一。你不需要太担心这个球体上悬挂的数学附加物的细节，但它是自旋 1/2 的物理对象的数学表示。正如玛戈早些时候指出的那样，它与相对论理论有着内在的联系，这需要太长时间才能深入探讨。但这个球体，以及一个箭头指向它，告诉我们什么是物理系统的自旋 1/2 状态的一部分。我可以拥有它，它是向量，我所说的特征，它指向某个地方。我可以让它指向上方，如果我愿意，我可以称那个方向为“上”，并将其识别为零。我可以让它指向下方，并称之为一。但我可以让它指向这里。这是量子信息与经典信息的一个非常重要的区别。不仅仅是与极点的倾斜告诉你，在某种意义上，你对这个状态的理解，以及零和一的混合，还有它在垂直轴周围的角度。这个相位无法在经典力学比特中描述，它不是经典力学比特的一部分。这个东西可以指向任何地方，现在我们有技术能力将那个箭头任意指向任何地方。这是 70 年前我们就能做到的事情，但我们实际上可以采取一个物理系统，让那个箭头指向某个地方。所以，在某种意义上，这个比特可以存储连续无穷多个值。当我们测量它时，它总是坍缩到两个可能结果中的一个或另一个。但在我们进行测量之前，它是这样的。我必须浓缩很多。大约一年前，如果你仔细看，它看起来不到一年，因为这张纸上的日期是几周前。但它是，这是这份论文的第三版。约翰·普雷斯科特，我以前在加州理工学院时的同事，提出了一个绝妙的名字：嘈杂的中尺度量子技术。他试图通过描述来捕捉我们在这个领域发展中的位置。制造任何量子技术的关键是拥有一个干净的、纠错的、容错的量子比特集合。我将在稍后讨论纠错和容错意味着什么。但对于任何数量相当大的这些东西，我们还没有做到。但我们非常接近进入一个实际构建的领域，我们可以拥有大约一百个量子比特。所以，它们可能或可能不完全纠错。这就是为什么他称这个领域为“嘈杂的中尺度”。对我们来说重要的是要理解，当我们达到这个值时，例如谷歌，谷歌已经公开宣布他们有一个 72 量子比特的设备。你可以从理论上证明，存在一些数学问题，对于拥有这个数量量子比特的任何经典计算机来说，已经无法解决。所以，我们现在正在开启一个新时代，我们现在正处于能够实际开发硬件来解决我们不知道的问题的时代。我们不知道它将把我们带到哪里。好吧，这就是约翰在一年前的论文中强调的。我想强调的不是量子计算方面，而是量子传感和量子通信方面。事实证明，而且不能保证所有这些都会如此，但大多数现有的量子通信协议和许多现有的量子传感协议与已知的量子计算协议不同。我之前提到的 Shor 算法，为了解决一个有意义的代码，破解一个代码，我将无法解释所有原因，但机器很可能需要数百万个物理量子比特，基于我们目前对纠错的理解，才能解决一个国家安全类型的问题，进行量子密码学，量子密钥分发。已经发明了各种协议，但如果你使用最简单的那个，而且最简单的那个和其他任何一个一样好，你只需要在任何一个时间点控制一个时间单位。在这个讨论中，我将称之为比特单元周期，一个量子比特。我们可以做到。并且进行量子传感并获得有意义的结果，这些结果比你能获得的最好的经典结果还要好，如果你能控制大约 10 个量子比特，而不是量子计算所需的数百万个，就能获得真正的优势。所以，我们已经处于 NIST 时代，并且在过去几年里一直是传感和通信领域。这张图，这是一张概念图，我不想让你看数字，或者这就是为什么我故意把这些气泡做得有点模糊。这是大致正确的。那两条虚线大致描绘了我们在国际上的位置，以及我们在实验室里能制造多少量子比特。有几种方法可以参数化我们在量子技术规模化中的位置。我选择了一种方法，任何一种方法，如果只有两个轴，都是不够的。但在这里，我有你可以控制的量子比特数量，以及我所说的控制，包括使它们纠错，以及你能够让它们相互碰撞的量子比特数量。纵轴是这样的。这些是对数轴。我们大约是，正如我所说，谷歌大约有 72 个，微软大约有 50 个，这是大致的范围。你们中的许多人会知道，有一家加拿大公司叫 D-Wave，他们声称他们有并且确实有 2000 个量子比特在他们的芯片上，他们使用的是超导量子比特。我稍后会展示，你可以选择不同类型或口味的量子比特来构建你的设备。谷歌和 D-Wave 都使用超导量子比特，谷歌有 72 个，D-Wave 有 2000 个。那么，为什么 D-Wave 不会因此而失败呢？它们不是同一种量子比特，尽管它们都是超导的。所以，讨论这个问题有很多细微之处。而且，关于我们所处的位置的说法，不仅仅是计算量子比特的数量。量子电路还有另一个方面叫做深度，这与算法相关的时间步长有关。所以，这不一定是一个不完整的画面，但尽管有它的缺陷，它给了我们一个大致的理解，我们现在在哪里。我们已经能够进行 QKD。我们正处于能够有意义地进行重要量子传感的边缘，并希望很快就能做到量子计算的两种主要类别之一，那就是左上角的气泡。约翰·普雷斯科特所指出的这个 NIST 时代。这就是左上角气泡中的内容。那个区域中的问题可能不像破解你想了解的人的代码那样浪漫和戏剧化。但这个领域有非常非常重要的问题，包括潜在地开发新药物和以我们现在无法做到的方式理解分子结构。我必须清楚我所说的。我们理解描述分子结构的量子力学方程，对于任何你可能想到的东西都是如此。我的意思是，我们知道你需要写下的方程来表征任何东西，但我们只能解析地解决最简单的系统的方程。即使使用经典计算机，当涉及到足够复杂的系统时，你也会很快遇到一个点，你无法以任何有效的方式使用经典机器来解决它。这是我们将能够克服的。在这个时代，我想谈谈现实。我最近沮丧地发现，当我问观众中有人是否还记得菲利克斯猫时，这个数字一直在下降。所以，我将不同意阿瑟·C·克拉克的说法，这是一个很好的说法。所以，这就是为什么当你使用主题时，总是有乔纳森在观众中。菲利克斯有他的魔法道具包，有了这个魔法包，他可以解决任何问题。如果他面前有一座山，他会把它拿出来，把它放进去，然后走过去，再把它放回包里。量子信息科学不是这样的。我不同意阿瑟·C·克拉克对任何足够复杂的技术都无法区分的描述。它不是，你只需要上一门物理课，然后你就会看到它不是魔法。所以，这是硬道理，可计算的物理学。物理学与哲学或上帝保佑的政治不同。你坐下来，拿着一张纸和一支铅笔，然后计算。无论你在阿拉斯加还是马达加斯加，这都无关紧要。如果你得到相同的答案，你就做了物理学。也许这里有人知道托恩·斯托夫尔是谁，来自高地。所以，没有免费的午餐，这在物理学中尤其如此，在量子力学中更是如此。这是科学。我们知道什么是工作。有界限。你不能只是挥挥手让某物碰撞，即使纠缠一开始看起来是这样。所以，我将告诉你一点纠缠不能做什么，但与其含糊不清，我想展示我们实际上如何产生纠缠。我说“我们”，我是一名理论家，所以我不会这样做，但实验者。这是其中一种方法，也是我们普林斯顿实验室目前正在使用的方法。无论人们在哪里产生纠缠光子，他们都使用这种方法。它有一个名字，叫做自发参量下转换。当然，它有几个版本，我不会深入细节。但你有一个激光，激光辐射另一个激光。第一个就像一个手电筒，它是一个连续波激光。第二个就像一挺机关枪，光弹从中射出，那是第二个激光。许多光学元件被照射。光被允许通过特制的、编码和成型的晶体，这些晶体对光进行处理。当光进入时，最重要的是这个。如果切割正确，一个具有一定能量的光束会从前面到后面，然后两个光束以一定的角度出来，能量是入射光束的一半。然后，我们对出射光进行偏振。我想提醒你什么是偏振。所以，当他们看起来让你感觉，当你打开灯，就像来自太阳或灯泡的光一样，你在电动力学中学到各种各样的矢量。有一个叫做电矢量，它不同于电场矢量，也不同于所谓的电场移动。它描绘了一个画面，就像一个艺术家，当场向前移动时。如果它不连贯，就像任何普通的光一样，它会画出一个扭曲的乱码，当它向前移动时。如果光被偏振，这意味着它已经通过了一种材料，这种材料会产生这种有趣的现象，叫做偏振，那么它就不会再产生那种乱码了。电矢量的尖端描绘了一个图形，通常是一个椭圆。如果你这样挤压它，它就变成了一条线，那个矢量沿着一条线来回移动，那是一个线性偏振场。如果你以另一种方式挤压它，它就是一个圆。那个圆形的偏振光，现在，通常是一个椭圆。所以，让我们谈谈垂直偏振。我可以做到。我可以让它就像你小时候可能玩过的偏振滤光片一样。光线变黑了。所以，你可以组织这条线，使其水平。我们称某个方向为水平，那么垂直于它的方向就是垂直。我们对晶体的输出应用了这种偏振，它产生了一个光锥。所以，这张图实际上不是，这是卡通图，但这张图是我们实验室的实际数据。颜色是人造的，但当两个圆锥的底部重叠时，那里的光子是纠缠的。那个符号，它意味着纠缠，就是说两个部分不再是两个部分了。它们是两个部分，但它们不是两个不同事物的组成部分，它们是同一个事物的两个组成部分。不可能在不谈论这两个光子整体的情况下谈论这两个光子的复合物。这可能不是，但要正确做到这一点，你需要详细写下我所说的。但它们不可能被单独描述。所以，有一个水平部分与垂直部分相连，还有一个垂直部分与水平部分相连。有趣的是，尽管它不再是两件事了，但它开始时是两件事。所以，我们认为它是两件事。你们都听过那个实验，你把这两个部分中的一个放在普林斯顿我的办公室里，然后把另一个送到匹兹堡。所以，那是去匹兹堡的技巧，并保持纠缠。但让我们忽略工程挑战，想象一下它以某种方式保持纠缠。有四种方法可以纠缠两个自旋 1/2 的粒子。其中一种方法是，如果我测量其中一个指向另一个，它们可能会指向下方。所以，人们首先想到的显而易见的问题是，保罗·里维尔本可以做一个，你知道，向上，陆路；向下，海上。你不能那样做，你不能通信经典信息。我想给你一个快速的思想实验。我们对为什么你不能那样做的描述需要一些数学上的精确性，但我可以用语言来表达，这些语言在这种情况下实际上是正确的。我说的方式是，通常物理学家告诉你某事，它总是错误的，部分原因是我必须省略我省略的部分。但在这种情况下，我可以在口头描述实验中告诉你一切。所以，约翰·道林在巴吞鲁日，他有这两个中的一个，我在普林斯顿，我有另一个。我们同意做一个实验，但我们这样做是科学过程，我们做很多重复来获得良好的统计数据。所以我一直在测量我的自旋，我得到上、下、我做了任何我得到的事情，我都会记录下来。我们提前约定了一个时间，我们的一些时钟是完全同步的。约翰看着他的那端，他保存着他的记录。然后我给约翰玩个把戏。我没告诉他，但我回家了，我停止了这件事。他不知道，因为我没告诉他。所以，他继续做他的记录。那不是，但我真的不坏。我之所以不坏，是因为如果我这样做，你的结果看起来会一样。无论哪种情况，你得到的记录，如果我真的坚持我的立场并继续测量，都将是完美的白噪声。他会得到上、下、随机分布，我也会得到同样的结果。如果我实际上离开了实验室，什么也没做，你只能在你的那一端产生同样的东西，而我们无法区分这两个实验记录。换句话说，我可能已经死了，这和你无法……不仅如此，换句话说，你无法传递信息，你无法传递任何事情发生，使用纠缠。所以，你可能会问，如果这是真的，你什么也做不了，那么你能做什么吗？答案是，是的，你可以做很多事情，但你必须做更聪明的事情，而不是说“是时候买股票了”或“是时候开枪了”。使用纠缠并不简单，你必须想出一个非平凡的协议。但你可能认为你可以做的简单事情，你可以做到。我想再说一件你不能做的事情。你不能进行超光速通信。确实，无论它是什么，如果我在普林斯顿进行测量，约翰在巴吞鲁日观察到的相关效应确实会瞬间发生。我的意思是，数学形式主义描述它没有时间的位置。通常会为时间留出位置，在这种情况下没有。没有办法，它甚至没有被包含在内，或者更准确地说，你可以把时间卡扔掉。它不在表达式中，它发生得没有任何时间流逝。那么，这是否违反了特殊相对论，它告诉我们你不能超光速？答案是，它没有。原因是没有，尽管爱因斯坦在写下所有这些的德语描述时并没有这样制定它，但如果他当时在考虑信息论，他会这样写。但你可以，这个狭义相对论确实阻止了信息携带信号的超光速传播。但在这种情况下，没有信息，所以没有理由它不能超光速。它不违反任何狭义相对论的定律。非常非常简短地，因为我在这里的演讲不专注于量子计算，粗略地说，有三种，还有第四种我没有包括在这里，量子计算的各种类型。你可以形式上地、数学上地证明它们是相同的。D-Wave 机器，在媒体上被广泛讨论，是第二种类型的受限版本。第二种我称之为绝热量子计算。D-Wave 机器实际上不是绝热量子计算，而是它的一种受限版本，称为量子退火。相比之下，谷歌正在开发的是一个功能齐全的通用量子计算机。我想谈谈量子传感，我提到它提供了最好的图像分辨率。所以，瑞利勋爵在 19 世纪就得出了一个公式，它告诉我们图像分辨率与重要的物理参数之间的关系：光的波长和光通过的孔径的大小。它大致是 λ/D。如果你正确计算，在量子力学主题课上，运气好的话，有一个数字大约等于一，但不完全等于一，你必须计算。但它大约是 λ/D。这就是为什么有大望远镜，因为分母中的 D 这个因子，因为你希望这个比率尽可能小。这个比率以波长的单位告诉你，两个物体可以靠得多近，仍然可以被区分开来。所以，你希望这个分数尽可能小。因此，对于固定的波长，你希望望远镜的直径 D 尽可能大。在量子成像中，这被修改了。瑞利勋爵不知道这一点，因为量子力学在他计算时还没有被发现，但如果他这样做，他会得到这个结果。还有一个额外的因子 n，其中 n 是我辐射到你正在观察的目标的每脉冲光子数。所以，让我们来谈谈。经典结果是 λ/D。如果你考虑到量子力学是正确的描述，因此你不仅仅是将光照射目标建模为光波，而是量子力学对光的描述，这意味着它既是波又是粒子，称为光子。那么，这些光子的数量是多少？每脉冲的 n 出现在这里的分母中。但我怎么回去呢？没关系，它在这张幻灯片上。所以，结果是，如果你计算，你会得到那个数字的平方根。你从头开始计算，你会得到瑞利勋爵得到的所有结果，包括我告诉你的那个数字，那是因为运气好。这就是为什么我没有等号。如果你然后取这些光子，你已经数过了，然后纠缠它们，你会得到一个额外的因子，再一个平方根 n，这给了最终结果，一个完整的因子 n。这意味着，如果你每脉冲有十个光子照射你的目标，你将看到比你原本能够看到的近十倍的物体。这项技术使用了一种纠缠光子的状态，称为“努尔态”。你可能会想，他付钱给我了，但他没有。道林博士实际上在二十年前就完成了这项开创性工作，几乎是现在，他识别了努尔态的重要性。它是一种特殊的纠缠类型。所以，使用努尔态，你可以实现这种最高的图像分辨率。这不仅仅是理论，它已经在许多实验中得到证实。我在这里只举了一个例子。几年前在日本做了一个实验，当然我用了字母 Q，他们雕刻了它，然后成像了它。在一些实验误差范围内，他们展示的改进分辨率与理论预测的完全一致。这些量子效应非常非常真实，但我们不知何故不认为它们是直观的。我想花点时间和你谈谈。为什么会这样？有一位著名的美国拉比，他现在已经 90 多岁了，名叫亚伯拉罕·托尔斯基。他写了一件非常深刻但听起来很简单的事情。如果你走在湿滑的台阶上，然后摔倒在地上，你会在理论上知道这会很疼，但在实际体验之前，没有什么比实际去做更能让你感受到它到底是什么样的。所以，我们可以理论上谈论量子力学，但为什么我们感受不到它，就像我们摔倒在地上一样，当我们滑下台阶时？所以，有各种各样的物理参数可以用来描述我们周围的世界。非物理学家和物理学家都想知道一些最著名的参数，比如质量、速度、角动量等等。有一个可能对非物理学家来说不太为人知的物理参数叫做物理系统的作用量。出于我无法解释的原因，它在决定一个现象是否是量子力学的，还是可以用我们称之为经典力学的量子力学近似来描述这个问题上起着特殊作用。结果是，重要的量，我讨厌说“结果”，没有时间详细解释为什么，但结果是决定这个的量是所讨论的系统的作用量与一个特定的步长和标准的作用量称为普朗克常数的比率。普朗克常数是什么？作用量是什么？作用量大致来说，它的单位是能量乘以时间。大致来说，它说明了一个系统在给定时间内消耗了多少能量。它是一个复杂的积分。这就是它的近似含义。如果你四处走动，打开冰箱，拿出三明治，这是衡量能量的一种方式，时间是焦耳秒。所以，如果你打开冰箱，或者拿出三明治，或者走路，或者启动汽车，或者做普通的事情，你将消耗大约 10^3 焦耳秒的作用量。它不完全是这样，取决于你做什么，但这是衡量宏观活动作用量的一个很好的指标。我刚才提到的普朗克常数，单位是焦耳秒，是 10^-34。所以，你的宏观人类作用量 10^3 与 10^-34 的比率是 10^37。换句话说，一万亿亿亿倍。你必须将这个数字代入的公式是，大约为 1 的数字乘以 e，自然对数的底数，指数函数，然后是那个比率的幂。所以，那个比率，我刚才告诉你，是 10^37。所以，e 的 -10^37 次方是 1 除以 e 的 10^37 次方，也就是 1 除以几乎无穷大，也就是几乎为零。那个数字是衡量你所谈论的现象的量子力学程度的衡量标准。所以，如果你做我们日常生活中做的事情，你可能看到的量子力学效应大约为零。这就是为什么我们不会穿墙而过，但如果你是一个电子，同样的比例不是，它实际上不是我提到的那个巨大的数字，大约是 1，因为电子的作用量接近普朗克常数。所以，一切都是量子力学的。但因为我们的大小，以及我们接触的东西的大小，进化大概让我们适应了与我们所处的环境相处得很好。所以，对我们来说，对那些从未发生在我们身上的事情敏感是没有用的，因为我们的规模和尺度。所以，我们对量子力学的东西没有直观的感受，除了我们通过学习物理学和大量接触计算来培养的。我从获得博士学位以来，每天都在做这件事。所以，我欺骗了自己，认为我 somehow 比非物理学家更了解这一点。在某种意义上，我确实了解，但没有人真正理解这些现象。没有人能理解，因为我们没有经历过它们。我们只能通过我们建造的仪器来做到这一点。量子传感存在一个问题，那就是我们必须将这些纠缠光子传播到真实的空气中。我大约十二年前写的一篇论文，与几位作者合著，其中我们首次计算了当我们将这些纠缠的努尔态通过有损耗的大气传播时会发生什么。结果是，由于发生的物理现象，存在必须克服的挑战。已经做了很多工作来解决这个问题。今天早些时候已经讨论了量子密码学。我想谈谈它的绝对保密性。如果做得正确，它是绝对保密的，除了不保密的部分。奥曼教授正确地指出了不保密的部分，那就是第一步，零阶步骤，即身份验证的需要。我不会主张是否应该或不应该做 QKV，但一个人们会提出的论点是，无论使用哪种加密技术，你都必须始终进行身份验证。既然你必须这样做，而且目前还没有已知的绝对安全的身份验证方法，既然你必须这样做，那么你必须这样做。然后，在此基础上构建其余的 QKD 协议，剩下的部分是绝对安全的，如果做得正确。所以，至少你获得了那种优势。这张幻灯片主要指出了身份验证的局限性，以及之前没有被强调的效应，那就是 QKD 及其所有当前变体（大约有 20 种不同的协议，其中最好的四种已被发现）本质上是点对点协议。所以，它不能干净利落地、轻易地实现互联网化，我们可以同时将消息发送给尽可能多的人，并受到相同的安全保证的约束。这是不可能的。你必须分别与每个接收者进行 QKD。我将快速展示另一张 QKD 幻灯片。这显示了协议的详细信息。我想向你展示我们如何做一个网络。这里是一系列山脉，它在地理上并不准确。我没有意识到我的动画有声音。我犹豫按下开始的按钮，因为还有另一辆车要来。这是微软的错，不是我的。爱丽丝和鲍勃，他们之间没有视线光路连接。让我们假设他们不想在他们之间拉一根光纤。所以，如果他们都能单独看到卫星，他们可以这样做 QKD。爱丽丝可以首先设置一个密钥 K_A 与卫星。鲍勃也可以用一个不同的密钥 K_B 做同样的事情。然后，如果卫星是一个所谓的“可信节点”，这已经违反了 QKD 的精神，因为你不应该依赖信任，而应该依赖物理学原理。如果你确实信任卫星，并且以某种方式知道上面没有黑客或有人入侵它，那么现在拥有两个密钥的卫星可以计算两个密钥的二进制和，即 XOR。这个二进制和是……这些是随机比特序列，所以它们是无信息的。但你想让你关心的密钥远离敌人的信息。但这个其他的密钥 XOR(K_A, K_B) 就像任何随机字符串一样是无信息的。我可以从卫星发送给鲍勃，它不会给敌人任何信息，里面没有任何信息，而且它不是我真正关心的特定信息字符串 K_A。所以，这很好，我可以做到。然后鲍勃，他当然拥有密钥 K_B，用他的密钥与这个 XOR 进行运算。这是我们都知道的二进制算术的一个属性，如果我们进行这个双 XOR，我们会得到第一个项，也就是 K_A。所以，现在鲍勃终于有了密钥 K_A，他现在与爱丽丝共享。现在他们可以……他们现在可以使用这个密钥作为一次性密码本。而且，我再也不会使用这张幻灯片了。网络中有 N 个鲍勃，任意多的鲍勃。这不是一个真正的量子网络，其中端到端的功能是因为量子力学物理学的性质。这是一个替代方案，这就是中国人公开宣布的，一年前，当他们在北京和维也纳之间进行视频通话时，他们做了这种……为了拥有可行的量子通信和量子传感，我们需要的是量子中继器。量子中继器这个词是一个误称。经典中继器会削弱信号。我有一个信号想从俄亥俄州发送到新西兰的奥克兰。当它从俄亥俄州出发时，它会越来越弱，然后我对其进行整流，并用经典中继器对其进行放大，然后发送出去，它就能顺利到达新西兰。你不能用量子力学状态来做这件事，因为已经多次提到的“不可克隆定理”。好的，这很好。但“量子中继器”这个词也是一个误称。实际上并没有什么被重复。实际上所做的是，纠缠，纠缠在分离节点之间共享的距离被增加，再增加，再增加。所以，各种不同的技术，它们一起被称为量子中继。在这个过程的结束时，你现在在奥克兰，新西兰和你在纽约的起点之间共享纠缠。然后你可以将其用作计算、量子通信或量子传感的资源。所以，这就是量子中继的真正含义。它的净效应就像我能够重复量子信息一样。但我不能。所以，这就是我们所说的量子中继。这是阻碍我们拥有大规模、国际分布式量子网络的必需的缺失技术环节。我预计这将是……我们已经有一些在实验室里建造的量子中继器，但我们还没有任何可扩展的、健壮的设备可以投入到实验室外的实际通信网络中使用。我预计这很快就会到来。所以，我想我讲完了。非常感谢。[掌声][音乐][掌声]非常感谢。非常感谢。