潘建伟:人类究竟能否设计一个自己都破解不了的密码

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2018年5月18日，第21届科技博览会暨中国科技创新论坛主题报告会在全国政协礼堂举行。本次论坛的主题是“以主导产业发展推动科技创新中心建设”。中国科学院院士、中国科技大学常务副校长、著名物理学家潘建伟出席论坛并发表主旨演讲。

中国科学院院士、中国科技大学常务副校长、著名物理学家潘建伟

潘建伟指出，历史上，所有人类设计的密码都是自己破解的。人类能设计一个他们不能破解的密码吗？在追求问题的过程中，他在科学研究上取得了一个又一个突破。

以下是讲话的全文:

潘建伟:尊敬的施罗德先生，尊敬的鲁主席，尊敬的先生，部长，很高兴在这里与大家分享。因为我在德国学习多年，我对这个论坛非常满意。今天在场的所有客人都是中国人，所以我将用英语做我的报告，但要用中文。

考古学家发现，我们过去在欧洲有狮子座，但他们实际上比我们的祖先更强壮。为什么在上次竞争中，人类在上次进化中成为了我们的祖先？奥约告诉我们一个主要原因。一个偶然的原因发明了语言和符号。通过使用这种语言和符号，我们可以形成一个非常有效的团队。通过信息的互动，我们可以一个重要的话题是保护隐私。只有保护隐私，我们才能思考，才会有思考的自由，这也将成为我们不断创新和社会进步的源泉。从古代到现在，我们曾经是传递书籍的飞鸽，然后我们有电话，然后我们有电脑和互联网。在整个进化过程中，我们的信息互动变得更加有效。

因此，从某种意义上说，这种信息互动一直与我们人类的进化和社会进步联系在一起。我们经常问两个比较性的问题，如何使我们的信息交互有效，如何有效地保护我们的个人隐私或互联网的安全。在信息科学中，其答案是提高计算能力和保护信息安全。

事实上，为了实现信息安全的保护，这是一个从古至今的话题。早在公元前7世纪，斯巴达人就知道使用加密棒来加密他们的信息，所以只有拥有加密棒的人才能读取信息。我们可以通过在这个加密棒上标记布袋来读取它，但是其他人会无序地读取它。大约在公元前50年，罗马的恺撒大帝发明了另一种算法，这种算法也被打破了。阿拉伯学者告诉我们，我们可以分析并破解这个秘密。例如，在英语中，我们可以看到A出现的频率约为8%，B出现的频率为1%。在你收到一封信后，虽然这个字符是混乱的，但是你可以通过这个频率知道哪个字符是哪个字符，所以任何依靠算术加密的方法都可以计算出来。例如，在第二次世界大战中，它被德国人破解了，有1024位。它们都被破解了，所以我们开始怀疑人类的这种智慧是否能建立一种加密方法，这样我们人类就不能破解它。历史经验告诉我们，密码会被破解。此外，每个人都在谈论人工智能。我们的计算能力是有线的，不是每个人都能完成的。然而，主要的限制是摩尔定律，这可能会在不久的将来结束。摩尔定律告诉我们，晶体管的密度可以每18个月计算一次，而且它将在不到10年的时间内达到原子级，因此很难准确地定义0和1的逻辑值。

因此，非常有趣的是，由于许多德国科学家，如爱因斯坦和海森堡，经过100年的发展，量子力学已经能够为我们提供一种解决我们遇到的问题的方法。

量子的概念很简单。两只猫处于生与死的状态。看到一只猫处于活着的状态，另一只猫将在很短的时间内处于活着的状态。它的实现非常简单。我们说我们可以举起一束光。光的一个小例子叫做光子，它可以加载一点。如果有两个光子，我们可以用偏振态来处理下列正常状态之一。即使我们聚在一起很长时间，我们也能看到这种奇怪的举动，所以爱因斯坦写了一篇论文，认为这是错误的，但后来另一位科学家说，实验室检查了是否有这样的现象，这种现象并没有结束，并确认量子是正确的，但最终的结论没有得出，还存在一些漏洞。最主要的两个漏洞是仪器会欺骗我们，因为当两只猫相距很远时，我们会测量它。这种测量只能在人们去看的时候才能完成，所以很难满足爱因斯坦最早的要求。

虽然到目前为止在这个证明中还没有最终的结论，但是在这个过程中，我们发现了一种叫做量子关联控制的技术，它可以为我们提供一种量子通信手段和一种无条件的安全通信手段。然后利用我们的量子叠加和大规模生产纠缠可以提供一个非常快速的量子计算手段，所以它可以解决上述问题。

我将简要介绍时间之间的关系。例如，量子通信，在我们的电灯泡里，可以捕获大量的单个光子，对它们进行编码并发送出去，这样我就可以产生一个无条件安全的密钥分配。如果有人在中间偷听，就可以被发现，这样，原则上我就可以实现无条件安全的密钥分发。

另一个非常有趣的事情是，量子计算是密切相关的。这有点像我们神话故事中孙武空的筋斗云。在这种纠缠的帮助下，我们可以把一个物体的状态发送到一个遥远的地方，但是我们不能把粒子本身发送到过去。我们用这种方法建造了一台量子计算机。有了这个概念，我们就可以。到2005年，欧洲、美国和中国的学者已经证明这种量子密钥分配已经扩展到100厘米以上。这个实验有各种各样的漏洞，一个是单光子制备困难，探测器也有漏洞，严重限制了我们的应用。这些问题只能在2005年和2010年左右解决。问题解决后，也就是说，我们可以在现实条件下实现安全的量子密钥分发，所以这得到了科学院的支持，我们的路院长当时也在那里，开始从一个小网络开始建设。事实上，到2012年，它已经在北京的一些部门投入使用。

这样，这个城市很好，如果我们走得更远，我们该怎么办？由于量子信号，很不幸它不能被放大。即使这个信号被分成许多点，我们在2003年和2004年开始做一些工作，我们将在2007年尝试它。外界没有损失。我们发现80%的信号可以到达地球，而垂直大气只有水平大气的10公里左右。因此，自2004年以来，我们已经摸索了近10年。这种光是否能穿过大气层可以在2005年进行测试。后来，我们用卫星来做这件事，以及它是否能与地面很好地对接。我们在青海湖的实验证明它可以很好的停靠。

经过近10年的努力，我们已经开发出了这样一种技术。我们可以用低轨道卫星进行量子通信。在这个地方，我们开发了所谓的高精度apt技术。然后，当来自天空的光到达地面时，我们也知道它什么时候到达。这里开发的技术有一个非常好的东西，叫做非常高的能量分辨率。如果这一次，我在月球上点燃了一根火柴。在这个地方，原则上，我们可以看到有人在月球上点燃了一根火柴。2016年，在中国科学院的支持下，我们发射了一颗以古代科学家和哲学家命名的接收量子卫星。

之后，人们发现效果非常好。例如，当我们的卫星飞越北京和乌鲁木齐时，我们每秒钟可以生成大约1000个密钥。我们最近的成绩有了很大的提高，已经发送了10万个密钥，基本上可以满足保密信息远程实时传输的需要。从去年到今年，我们把这个东西提高了两个数量级。

另外，我们在基础研究中做了一些事情来测试爱因斯坦遥远地方之间的奇怪相互作用，我们发现这种奇怪的相互作用在1200公里处仍然存在。从更长远的角度来看，我们将测试量子互联网的建立是否能够实现量子引擎的长距离传输，所以我们去年的实验也表明这个结果非常好。

在此基础上，我们与欧洲同行的合作，今年实现了从北京到乌鲁木齐到维也纳这样一个可以用于实时视频传输的密钥分发。目前，我们还在与德国、意大利、非洲、南美、俄罗斯和新加坡的同事合作，尝试使用我们的卫星，以及我们能否将信号发送到许多地面。

从长远来看，我们希望通过10到15年的努力，将星座与地面光纤网络连接起来，形成一个量子网络，以确保我们的互联网安全。

此外，我们的技术可以为探索宇宙提供非常好的望远镜。什么意思?如果我们能将纠缠分布和量子引擎传输结合起来，原则上，我们的技术可以让我们建造一个与地球直径半径一样大的望远镜。即使有汽车或牌照，它也在这条轨道上。我能非常清楚地看到这辆车的牌照。

所以在这种情况下，它提供了一个探索宇宙及其未来的好方法。

此外，我们的手段可以用于全球定位系统，非常准确的时间信息传输，这是非常有用的未来导航。我刚才提到，物理学家实现这种奇妙的分布还有很大的希望，这是我们完成的。爱因斯坦在近80年前提出了量子力学的定性检验，那么我们希望通过10到20年的努力取得这样的结果。最近，我们在地面上进行了一些理论实验。我们发现地球和月球之间的损耗大约是100分贝，我们已经达到了103分贝，这是我们实验室能够做到的。

目前，我们已经与世界各地的十几个实验室进行了合作，有10多万人参加了一项实验。我们发现我们可以用这种人类的选择来挑战爱因斯坦的非定型选择，所以我们希望沿着这条路走下去，一方面做基础研究，另一方面促进新技术的发展。谢谢你！