潘建伟:信息安全和计算能力瓶颈限制AI和大数据发展

　　12月16日消息，首届（2017）钱塘江论坛今日在杭州举行。中国科技大学常务副校长、中科院院士潘建伟出席论坛并发表演讲。

　　潘建伟表示，随着信息科技进一步发展，随着人工智能和大数据时代的到来，未来的发展是不是需要发展新的技术能力来支撑大数据时代的到来和人工智能时代的到来，其实原有的技术已经远远不能满足需要。信息安全的瓶颈和计算机能力的瓶颈已经限制了AI和大数据发展。

　　以下为发言实录：

　　潘建伟：非常高兴能够回到浙江，回到家乡给大家介绍一下我的工作。今天报告的题目是“新量子革命”。本来到这个地方很犹豫，后来有一个前辈曾经给我分享一个观点，因为在1999年的时候，就是说当时亚马逊的老总就来找我，能不能到美国人做一个公司做点量子科技的事情，当时觉得太早，我说1999年到现在18年过去，其实才有点有用的东西，但是后来回到中国之后，大概在将近十年之前，我去找中国的企业家，他说你能不能三五年替我挣钱，我说这比较科技，这就是为什么当时世界科技的中心当时在美国，其实到现在有很多企业家找我们，说愿意来投资相关的量子技术，从这种角度上讲对于科技的推进和发展，就是金融是非常重要的，美国为什么能够一直到目前为止还是在世界科技创新的中心，它的科技金融本身是在里面起到很大的作用。

　　其实习近平总书记在十九大报告当中他专门谈到创新驱动发展战略大力的实施，创新型国家的建设成果丰硕，他里面提到六大成果相继问世，这里面包括天宫、蛟龙、天眼、悟空、墨子和大飞机等。那么到了11月10号，他在越南IPCE峰会上做了主旨演讲，他就只提到了两项事情，说我们正在迎来新一轮的科技和产业革命，人工智能和量子科学等技术不断取得突破，他特别号召亚太不能等待和观望，我们应该抢抓机遇，加大创新投入，转变发展方式，培育新的经济增长点，所以说总书记的讲话当中大家可以看到金融、科技和经济其实是紧密相连的。

　　其实无独有偶，当时正好在柏林参加柏林的科学周，当时见到欧美理事会的理事长和德国的科研教科部长，他们正好把量子科技、人工智能和合成生物学选为他们国家的发展战略，其实稍早一点十九大之后美国国会专门开了一个听证会，在听证会过程当中他们就讨论量子技术是美国绝对不能失败，不然他们难以承受这种失败的代价，从这种角度上讲为什么大家对于量子科技非常的关心，主要原因从信息技术是紧密相关的。

　　古生物学告诉我们，大概在10万年之前当时尼安德特人和智人在欧洲同时存在，那么尼安德特人比我们智人要强壮一些，而且他的脑容量比现代人还大，因为大家知道头大比较聪明，但是为什么身体比较弱小，但是头又比较小的智人却在最后的进化过程当中最后胜出了，成为我们人类祖先，其实过程当中非常重要的原因，因为尼安德特人发明了基本的符号和语言，有了这些东西之后就能进行知识的共享，信息的交互，就能构成社会化的群体来共同的对抗在自然界当中各种挑战和灾难，正因为这样使得智人在进化当中胜出了。

　　除此之外在信息科学里面还有一个东西非常重要，我们要去改造世界，我们需要制定标准，所以在大禹治水的时候他是左准绳，右规矩，所以大家有一个统一标准之后才能够比较好的去治水，另外要改造世界需要通过各种各样的天文观测来制定立法、农耕、航海，所以只有观乎天文才能以差识辨，告诉我们什么时候下种，什么时候播种，什么时候收割等等。那么除此之外，还有一个比较重要的内容在信息领域，就是隐私的保护。其实隐私的保护才能够保证思想的自由和多样性，这样才能够带来我们各种思想的火花，能够带来各种各样的创新与进步。所以从某种意义上讲，从信息的感知和交互已经并将一直伴随着人类的进化和社会的发展，在这个过程当中其实有三项内容非常重要：

　　1、信息交互的效率

　　2、隐私的保护

　　3、信息感知的能力

　　这个里面涉及现代科学的三项能力，计算能力，信息安全和测量的精度。其实我们在人类历史上有过两此科学革命，上次提出所发生第二次科学革命是以量子力学为代表，在第一次两学当中马上产生新的应用，比如能源核能的应用，晶体管和信息科技，我们核磁共振在我们生命医学，超导聚磁组在材料科学方面已经全面影响到我们的生活，具体来说现代的信息技术就是在量子科学当中所诞生。那么在研究原子弹的过程当中发明了计算机，因为我们用笔算算不动，所以构建电子管的计算机，晶体管的发现又有晶体管的计算机。当时在西欧的核磁中心来探索宇宙本原的时候，我们需要把数据传到全世界各地，就变成今天互联网的雏形。

　　另外为了利用原子中检验所谓的相对论，又发展今天的GPS各种各样导航、精密测量的技术，从某种意义上讲正是因为第一次量子科学革命催生了信息技术，某种意义上讲科技革命与产业变革是紧密相关。第一次科学革命是牛顿力学为代表，随后随着蒸汽机的发现催生了第一次产业变革，那么英国在18世纪末抓住了机会成为世界的头号强国，最后又以电力技术的发展，德国和美国又抓住机会先后在19世纪中成为工业强国，美国在20世纪继承头号强国。那么第二次科学革命是得益于量子力学和相对论的发展，在此过程当中以信息技术为代表的第三次产业变革，日本抓住机会又加入到工业强国当中，某种意义上讲科技革命和产业变革是紧密相关。

　　随着信息科技进一步发展，随着人工智能和大数据时代的到来，未来的发展是不是需要发展新的技术能力来支撑大数据时代的到来和人工智能时代的到来，其实原有的技术已经远远不能满足需要。

　　1．信息安全的瓶颈

　　目前网络安全面临各种各样严重的威胁，其实信息安全早在几千年之前已经成为我们的梦想。所以公元前7世纪古希腊斯巴达人知道用加密棒来进行加密，只有拥有这个加密棒半径是正确的人才可以把信息读出来，不然就是一堆乱码。

　　另外在公元前1世纪的时候凯撒大帝用字母移动的方法发明另外一种所谓的移动的加密算法，这种所谓的移动加密算法其实用我们来分析字母出现的频率可以进行破解了，像英语A出现的频率大概8%左右，所以你不管怎么调换这个字母的次序，你通过分析频率就可以破解这个就是A了。

　　所以历史的经验告诉我们，其实所有的加密算法都是可以被破解的。比如说图灵二战的时候破解德军的Enigma的系统，目前大家广为使用的RSA公钥体系512位1999年就已经破解了，768，2009年破解，2014位尽管还没有人宣布，大家就已经建议不要再使用一，到了今年初google宣布破解，目前大家广泛用于文件数字证书中的算法，所以大家都有这么一个结论，依赖于计算复杂度的经典加密算法随着我们能力的提高，原则上都会被破解，所以我们自己就开始怀疑，以人类的智力没有办法构造一种人类自身不可破解的密码，比如说上帝不可能造出一块石头连上帝举不动的石头，所以大家说认不是万能的。

　　2．计算能力的瓶颈

　　目前人类拥有的计算能力相对的有限，阿尔法狗下一盘围棋需要用到10吨煤的电量，但人下围棋只要吃掉一碗饭就可以了，所以从某种意义上讲目前全世界计算能力的总和，尽管非常强大，但是按照需求来讲又是非常的渺小。

　　在一年当中把手机、电脑把所有东西集中起来都没有办法在一年里面完成对2的80次方数据穷举搜索，为了发展它我们希望利用摩尔定律，但是摩尔定律告诉我们单位面积集成电路上可容纳半导体晶体管的数目每隔18个月会增加一倍，计算能力也会增加一倍，但是随着它达到原子的尺寸大概不到5年左右，10年时间里面，我们量子效应将起到主导作用，晶体管的电路原理将不再适用。

　　刚才我也讲到经典超级计算机的能耗又巨大，所以原来的发展途径又难以为继，所以为了保证人工智能和大数据能够充分发挥它的效用，必须找到新的技术的解决途径，非常有意思量子力学在百余年的发展过程当中又带来第二次量子力学革命。

　　量子非常简单，是构成物质的最基本单元，是能量的基本携带者，基本的特性之一是不可分割，就像水分子没办法拿刀切割变成二分之一的水分子，因为你切完之后它的化学性质就不再存在。那么照样像电灯泡发射出来的能量也是小颗粒组成的，我们把这种东西叫做光子，它也是不可分割，是一颗一颗小颗粒。

　　这样的东西与我们每天生活不一样的性质，我们在经典事件里面我们可以用猫的两个状态零或者一来加载一个比特，当到了量子世界不仅可以处于零这个状态或者一这个状态，同时也处于零+一的状态，也就是说这只猫在某种特征的情况下可以处于又死和活状态的叠加，另外如果说考虑两只猫的话，两只猫甚至可以处于活活和死死状态叠加，这样一来就体现为右边所体现的性质，就相当于有两个骰子，不管你怎么扔，一个在杭州，一个在上海或者是在北京，都会有这样一种在遥远地点之间诡异的互动。

　　那么通过对这样诡异互动这种性质的研究，经过近百年的发展慢慢能够对单个量子的状态进行人工制备，对多个量子间相互作用进行主动操纵，这样像从前比如说对于遗传学规律里面基因工程。那么早一点孟德尔定律告诉我们，种瓜得瓜，种豆得豆，有些人个子长的高和矮都是有基因方面的原因。

　　当随着双螺旋分子结构发现之后，大家知道其实这些东西都有分子层面的原因，所以通过对基因的调控可以来调控物质的形状或者生命体的性状。量子科学也是这样，随着你能够量子主动调控操纵一个新的学科就诞生了，我们把这个学科叫做量子信息科技或者叫量子科学。正因为有这种主动调控之后，那么第二次量子革命正在诞生，具体来说第二次量子革命有三方面的功能：

　　利用量子通信可以在原理上实现无条件安全的通讯方式，利用量子计算和模拟能够实现超快的计算能力来揭示复杂系统的规律，利用所谓的量子精密测量能够来测量精度超越经典的极限。

　　具体来说比如利用量子通讯量子分发存可以实现存在窃听必然被发现，同时你又可以保证加密内容不可以被破译这么一种通讯方式。另外一种方法就跟科幻故事非常相似，我们把量子比喻成常态，利用量子纠缠可以把所谓的量子信息传到很遥远的地方，而不传送信息载体本身。那么这里面就相当于比如我在北京开会，今天赶不过来，今天怎么能够以很快的方式，我们这里可以用一种所谓隐性传态的方式来想一些科幻的故事，比如说北京的我和杭州有纠缠物质，那把北京的我和纠缠物质做一点操纵，那么会测量数据，这组数据通过无线电台传到杭州，在杭州可以用同样多的物质分子给我构造出来。

　　那么这种现象就叫做量子隐性传态，那么这种现象当然我们要传送还比较困难，因为人有10的28次方粒子构起来太困难了，但是我们来送几十个粒子几百个粒子完全可以，那么利用这样的操作本身构建量子计算机的电子单元。

　　因为我们在电脑里面，也是比特在里面变来变去，我们利用量子计算可以实现一种可操纵的计算能力随着量子比特数指数增长的这么一种量子计算机，这里面我可以举两个例子，利用万亿次经典计算机要来分解一个300位的大叔大概需要15万年，但是利用万亿次的量子计算只需要1秒钟。另外求解一个线性方程组的话，比如说求解一个亿亿亿变量方程组的话，利用亿亿次的经典超级计算机需要100年，利用万亿次的量子计算机只需要0.01秒就可以了，从这种角度上来讲是非常有效的。

　　另外可以用于自主导航，比如说利用量子陀螺，可以保证在潜艇导航100天之后，精度大概只有几百米左右，那么目前导航精度是几十公里，所以它可以把导航的精度提高好多个数量级，这样技术本质上医学检测，检测引力波的探测和自主导航水箱定位里面都会起到非常重要的作用。那么在这方面因为我们国家起伏比较早，从2007年取得一些比较好的结果，到2012年有一些系统已经投入永久性使用。

　　比如说这里面尤其在十九大期间保证15个会议的区域已经用上这么一个基于量子通信高安全保障通信系统等等。当然在这个东西当中有一个问题，因为量子态传不远，目前做的最远的举例是400公里，因为它不可复制，如果我从北京传到杭州过来成为1000多公里的商业光纤，大概每秒能够发射百亿速率光子的话，每百万年只有一个信号能够到达杭州，这样这个技术不太有效。所以当时做一个思考，能不能利用卫星自由空间的量子通信，这样大气的损耗大概只有20%左右，那么80%的光可以到达地面。其实我们经过十多年的努力之后，2016年的8月中旬，在九泉发射了世界首颗量子科学实验卫星，发射之后经过一年多努力，到今年底已经基本上完成所有实验任务。

　　第一可以用卫星实现地面和卫星之间量子变化，在卫星的帮助之下，也可以乌鲁木齐的量子密钥分发，这样一来我们分发的数率比光纤数率提高了20个数量级，也就是说是万亿亿倍，这是第一项工作。除此之外，我们也在实验上验证爱因斯坦所说的量子纠缠，在1200公里的距离里面也照样是存在的，与此同时也验证千公里量级量子隐性传态，这也是实现上得到了相关的完成。那么相关的工作也在国际的学术界也得到了比较好的反响。

　　那么在目前为止在9月29号，我们已经实现北京和维也纳之间的洲际量子通信实验。按照我们前几天，刚刚国际上有一个杂志在点评世界十大科技进展的时候，说我们的工作比目前的所有前期与地面的工作大概领先10到15年左右，另外我们目前和德国、意大利、俄罗斯、新加坡同事在进行合作，希望能够构建一个全球化量子通信网络。

　　那么除此之外我们在量子计算方面也是比较早的，大家可以看到国内相关的学者已经完成几乎所有重要量子算法实验验证，尤其2012年的结果为了纪念图灵赞成一百周年的工作是大大推动了量子计算机相关研究，那么到了今年我们终于首次在上海完成多光子可编程量子计算原型机，超越早期计算机的能力。大家也注意到google、IBM、英特尔很多公司都在做这样的相关的工作，那么目前在国际上经过权威机构认定的最好的结果是由我们中国的学者所保持，这些东西将来可以比较好的用于机器学习，退化机器的研究，这里面可以广泛的用于优化网络，实现高效全局搜索等等，开展这方面的相关工作。

　　那么做个总结，我们这个领域我们希望能够通过5到10年的努力能构建天地一体的光与量的通讯网络体系，能够形成新的战略性的新兴产业，来改变国家信息安全的生态系统。除此之外，我们也希望能够把量子精密测量的手段用到下一代的导航系统里面去，并且用到相关的基础研究。

　　在量子计算上面，我这里有一个图，一旦我们能够达到100个粒子纠缠的时候，在一个小小的实验室里面，它每天所需要用的电大概几千瓦左右，计算能力可以达到全球计算能力综合100万倍，这样当然非常省电，计算能力非常强，所以用这样的方法我们可以用量子计算和方法做很多的事情，当然我国在量子精密测量方面也有相关的安排，比如时间的标准，潜艇的导航，自主导航各种各样的灵敏探测等等。

　　所以做一个小结，我愿意做一个比较，大家在第一次量子革命当中，其实是以曼哈顿计划为代表的，美国通过迅速实施曼哈顿计划率先研制出第一颗原子弹，根本影响了二十世纪的政治格局，其实量子信息从某种意义上讲可以算是和平时期的核武器，那么对于未来信息时代的综合国力和国际竞争力必然会产生根本性的影响，如果不解决这些问题的话，人工智能或者大数据很难得到充分的发挥。某种意义上讲第一次量子革命已经在上一世纪对于社会面貌和生活方式产生巨大的影响，可以预期以量子信息技术为代表的第二次量子革命一定会给物质文明带来巨大的进步，同时也给了我国一个从经典信息技术时代的跟随者、模仿者，成为未来信息技术引领者这么一个伟大机遇。但这些事情所有的发生都有赖于得到科技金融强有力的支撑。

　　谢谢大家！