一二十年后如果能把量子安全中继真正发展起来就能轻松实现全球没有死角的安全通信｜龙桂鲁

  大家好！我是龙桂鲁，来自清华大学和北京量子信息科学研究院。今天和大家聊一聊神奇的量子通信。

  首先介绍一下什么是通信。通信，简单的说就是信息的传输，把信息从一个地方传到另外一个地方。古代通信处于语言文字通信阶段，如马拉松跑步送信，面对面的交谈，还有烽火传信，也就是用烽火作为信号传递军情。

  近代通信主要是电通信阶段，有几个重要的历史事件，如：1844年美国发明家摩尔斯成功发出第一封电报；1876年贝尔发明电线年赫兹发现电磁波并证实了麦克斯韦方程；1895年马可尼取得无线电报专利。

  到1946年，第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，开启了科学计算的大门，触发了更高级的通信机制——数字通信。

  当代通信是电子通信阶段，电子通信包括数字通信和互联网，人们使用电子设备上网就属于当代通信。

  ▲ 在香农定理中，S/N是信噪比，B是带宽，C为传输速率；图为克劳德·艾尔伍德·香农及其建立的通信模型（下）

  所有这些通信，都满足通信领域最伟大的科学家香农所提出的著名的香农定理。香农建立的通信模型包括信源、发送设备、信道、接收设施和信宿，其中还有不可避免的噪声，他给出了一个噪声信道的最高可靠传输速率，即最多能传递多少信息。

  不过，上面所说的通信只管信息的可靠传输，不管信息的安全性，安全性要靠密码实现。上图是一个双信道结构，由两个通信完成，上方信道为“密文传输”。比如滚筒式的滚轮密码：把纸条缠在滚轮上，其上有文字，将它展开以后就是密文，它通过一个经典信道传过去。

  这里还有一个密码，它经过另外一个信道“密钥分发”来传输。在这里，密钥相当于滚筒的型号。一般来说，密钥分发用非对称密码算法完成，比如AES（高级加密标准）和“一次一密”。所有经典密码中，只有“一次一密”被证明是绝对安全、不可破译的。

  现代的密码分析和计算机硬件的发展，对信息安全构成了严重威胁。在2020年，有西方媒体透露，西方集团伪装成中立国，把装有窃听后门的通信机器卖给了120多个国家，给这些国家造成了严重的信息泄露和损失：比如在1982年英国和阿根廷的马岛之战中，阿根廷就使用了这些带有后门的通信机器，信息泄露严重，最后导致战争的失败。

  下面这是一张人的照片，将它不断放大，看到手是分米级，看到皮肤纹路是厘米级，每次10倍放大，最后就到了微米、纳米——这个量子力学发挥作用的尺度。量子力学就是原子、分子大小的微观体系所遵循的规律。

  量子神奇在啥地方？我们从测量、量子纠缠、量子并行三个方面来看。首先，量子的测量和经典的测量完全不同，我用三条规律进行概括：结果受限、结果随机和状态改变。

  上图左边圈中带有“加号”，它表示一个光子偏振的测量仪器。对微观体系来讲，我们测得的光子偏振最多只有两个结果，而经典的测量则可以有多个结果。比如这个“加号”测量仪器，水平的进去以后，出来的还是水平；垂直的进去以后，出来的还是垂直。这种情况是它本征态特有的状态，前后没有改变。

  但是，如果水平的进了中间这个“叉号”的测量仪器，那它的结果就是随机的。它可能有两种结果：一个是斜杠的，一个是反斜杠的，这两种结果是完全随机的。

  现在反斜杠的这个再进一个“加号”的测量仪器，它又会出现结果随机，对吧？有很大的可能是水平的、也可能是垂直的。这是啥意思呢？就是说这个水平的东西，如果中间没有被人捣乱、没有被人窃听，那么再用“加号”测量的话，它应该还是水平的。但是中间如果有人窃听了，而且拿了个“乘号”的测量仪器，把它状态改变了的线%的可能性出现错误。总是就是三个点：结果受限、结果随机，还有状态改变。

  其次，量子世界里有一个特有的性质：量子纠缠。它无法在日常经验里体会，比如上面t=0这个状态，我们正真看到的是水平、水平加上垂直、垂直。就是说这两个光子是两种状态的叠加，不能做因式分解，这种状态就叫做量子纠缠。

  右边我写了三点。第一就是说即使分开很远，这个纠缠依然存在。我们把这两个光子一个放在地球上，一个放在月亮上，这时候已经拉得很开了，它们还是这种叠加状态。这种特性可以概括为“即使很远，纠缠仍在”。

  第二就是要测量这种纠缠状态，必须把两个粒子放在一起测量。比如说这两个光子我可以构成四个Bell-态。假如测量是水平，那这四种状态都可能会是水平，我分不出它是从哪一个状态里边出来的。那么就是说你要把它测量出来，就必须把两个粒子放到一块儿一起测量，才能得到它的状态。如果我拿到一个的话，我对这两个粒子的状态，信息是零。不像经典，如果有两个粒子，我拿到了以后我知道它一半的信息。这被称为“要想知态，需要全在”。

  第三是“测量一个，坍缩关联”。对其中一个粒子做测量，它的结果是关联的。如左边粒子是水平的，那一定知道右边粒子也是水平的；如果左边粒子是垂直的，右边粒子也一定是垂直的。如果有人去窃听，就会破坏这种关联，通过比较结果，就知道有没有人动了手脚。如果我们用这种纠缠对进行保密通信，只要不让窃听者同时拿到两个粒子，就能够保证信息的安全。

  量子世界最后一个重要的特有性质是量子并行。两个粒子可以有00、01、10、11四种情况，在量子里能做成叠加态，同时把四个状态表示出来，经典只能表示其中一种状态。有N个粒子就是2的N次方，可以把2的N次方同时表现出来。

  量子并行有两大优势。首先它的信息存储量大，有2的N次方量级比特的信息量；其次，它有并行解决能力，可以同时对2的N次方个状态进行操作。

  《西游记》中的孙悟空有个本事，他拔3根毫毛一吹就变成了3个孙悟空。而“量子孙悟空”的本事比经典孙悟空还要大，一吹能变成8个“孙悟空”，即2的3次方。8个孙悟空一块干活，肯定比1个孙悟空干活要快、要多。

  这就是量子计算机比经典计算机快的原因：4变成16，5变成32，粒子数、比特数越多，并行能力就越大，能力就越强。

  利用量子体系，能够直接进行信息的处理、传输和提取测量，这就是量子信息。这中间还包括三大领域：量子计算和量子计算机、量子通信和量子精密测量，比如说潜艇用的原子钟这些。这些就可以比经典的要快很多、精密好多、安全好多。

  1980年，Benioff和Manni分别提出了量子计算的概念；1982年，诺贝尔奖获得者Feynman提出了模拟量子体系的量子计算机；1985年，Deutsch指出量子计算的概念是准确的，具有普适性，并提出了量子并行的概念。量子计算机的概念就这样建立起来了。

  1994年前，大家都在靠自由探索做基础研究。1994年和1996年，分别出现了两个重要算法：Shor算法和Grover算法。

  Shor算法是做一个大数分解。在经典计算里大数分解很难，一个300位的大数，如果每秒运算10的12次方次，用传统计算机来做需要15万年，而量子计算机只要1秒。大数分解是现在密码学的基础，这轰动了整个密码界。

  另外一个是Grover提出的无序数据库搜索。搜索一个庞大样本的数据库，如果用经典计算机需要2万年，用同样速度的量子计算机只需要1秒，这个算法对对称密码构成威胁。

  我们组从1998年开始做量子信息的研究，第一个工作就是改进了Grover算法。Grover算法原来只有180°，我们把它换成一个任意的角度。我们得知，这两个任意角度必须相等、相位匹配。

  按照图上公式取这个方面，就能让Grover搜索的成功率达到100%。后来就有人把这个算法叫龙算法，或者是叫Grover/Long算法。量子计算提出人Benioff还有Grover都在他们的报告里肯定了我们的工作。

  在2013、2016年，有两组科学家证明，龙算法是精确优化的，而且是最简单的。

  我们现在可以总结一下：在量子算法取得突破之后，如果有了量子计算机，现有的密钥分发的非对称密码算法将不再安全，将对现在的保密安全形成了严重的威胁。

  2016年以后，量子计算机的硬件也慢慢的出现突破迹象。当年IBM推出了5比特的量子计算云平台，几个著名的国际大公司进入量子计算机的研究行列参与竞争。

  2019年，谷歌宣布在53比特超导量子计算机上用200秒完成超级计算机1万年的计算量，表现出量子计算机强大的能力。

  2021年9月，中国科学技术大学等多家高校院所实现了60超导比特的超导量计算机，也演示了这个量子霸权。同一时间，北京量子院研制了503微秒的量子比特，这是全世界寿命最长的超导量子比特。因此，我国在量子计算方面也是很先进的，处在第一梯队中。

  量子计算机对我们的传统保密通信形成了威胁，主要是在密钥分发此阶段。这样的一个问题有两种解决办法：第一，采用量子通信的方法，把经典的密钥分发换成量子密钥分发；还有一个就是发展经典密码算法，使它能够抵抗量子计算机的攻击。

  目前美国NIST在主导经典抗量子密码的制定标准，在2020年已经进行到第3轮，有了7种候选算法。但经典算法有一个缺陷，它只能证明现在还没找到破译的方法，但不能证明破译这些算法的方法不存在。

  因此NIST的首席科学家Dustin Moody表示：我们之所以选用不同的方法，就是要预防以后有人破译了其中一种。

  接下来谈谈量子通信。从严格的定义上，量子通信跟经典通信是不一样的，它是广义的。移动量子态完成的任务都叫做量子通信，而经典通信是信息的传输。从经典通信的意义上来说，量子钞票、量子密钥分发、量子密集编码等都不是通信。

  在上图的六种量子通信里面，我认为最主要的是两种：量子密钥分发和量子直接通信。其中量子密钥分发研究最多，也是离实用最近的；还有一个就是我和我的博士生刘晓曙在2000年提出的量子直接通信。

  1984年，首个量子密钥分发协议由美国人和加拿大人提出。双方协商一个随机数，挑选后确认没有窃听、是安全的，就把这个随机数作为密钥，再用于经典加密。目前在研究方面，中国在国际处于领头羊。2009年，中科大郭光灿院士团队在芜湖建立了世界上第一个量子政务网。

  2016年，我国发射了世界上第一颗量子实验卫星；2020年，我国做了第一个高轨道同步卫星的量子通信的可行性实验，王巍院士团队证明了在3.6万公里做量子密钥分发的量子通信是可行的。

  保密通信是双信道结构，有没有可能不用双信道，就用一条信道实现可靠通信、安全通信、保密通信呢？答案是可以的，这就是我们的量子直接通信。

  2000年，我和我的博士生刘晓曙提出了第一个协议；2003年，我俩及另外一位博士生邓富国提出第二个协议，这两个协议都是基于纠缠的。第三个协议是我和邓富国2004年提出来的，该协议基于单光子。

  这是最早的三个量子直接通信的协议。有了量子直接通信，保密通信就是一条结构，一条信道的结构，而不是双信道结构了。

  它有四个特点：第一，既可靠又安全；第二，经典通信实现的是香农理论，而量子直接通信实现的是维纳搭线信道理论；第三，它既可发现窃听，又可阻止窃听；第四，它的用途广泛，尤其是在网络的结构中更有优势。

  这是第一个协议，它是利用纠缠对。只要不让窃听人同时拿到两个纠缠对，就能保证它的安全。我们直接把信息加载在EPR对里边，为了不让窃听的人拿到，分两步传输。第一步我们运用块传输技术，先把其中一个传过去，插入几个窃听的光子对做测量，再比对一下，这样我们就能发现有没有窃听。确认在第一队传输的时候窃听者没有拿到后，我们再把另一个传过去。把两个都拿到了以后放在一起测量，就能够获得信息了。这样就实现了可靠和安全通信。

  英国皇家工程院的院士LajosHanzo评论说：量子直接通信发展了通信的理论和密码学，把香农理论保证的噪声信道下的可靠通信提高了一个更高的层次，为既有噪声又有窃听的信道下的可靠和安全通信。

  这张图中黑色部分是香农理论保证的经典通信，是噪声信道下的可靠通信。有量子直接通信后，现在即有噪声，还有窃听，仍旧能进行可靠和安全的通信。

  刚才说了原理，那么量子直接通信现在发展到什么地步了？前面我们讲了QKD（量子密钥分发）的情况，这里着重介绍一下量子直接通信的情况。另外，从经典通信的意义来讲，量子直接通信就是通信，而不仅仅是密钥分发。

  2016年以来，清华大学和北京量子院的联合团队合作，提出了5种关键技术，解决了量子直接通信实用化中的一些关键难题。这些技术包括：完成定量安全性分析、高损信道编码、无量子存储方案、掩膜增容技术以及单向传输协议。

  有了技术以后，我们在2020年研制出国际上第一台实用化的量子直接通信样机，在当年的中关村论坛作为重大成果发布。2021年的国务院新闻发布会上，北京市副市长、秘书长靳伟在提到北京原创成果科技能力时，把量子直接通信作为四个世界级重大原创成果之一做了介绍。

  网络方面，在2021年，上海交通大学陈险峰教授和江西师范大学李渊华教授的团队实现了15个用户的量子直接通信网络，这引起了很大的关注。

  在使用这些通信技术的时候，一个最关键的技术是组网。在现有的情况下，如果要实现更远距离的量子通信，就要有量子中继和量子存储。

  现在还没有量子存储，这使它的应用受到了限制。我们提出了安全中继，把量子直接通信和经典密码结合起来。利用量子直接通信传输经典密码加密的东西，在经典中继这个环节有经典密码保护。这样我们可以在整个网络里组网，网络中任意两个端点都能够直接进行安全通信。于是就可以在现有条件下组量子的网络，一直到以后有了量子中继，仍旧能并行使用。

  左边是量子网络欧洲方案，在没有量子中继通信的情况下，可以做一些基础原理的研究，但无法大范围使用。右边就是我们提出的量子网络北京方案，把红色部分加进去了以后，现在就可以组网。它具有SDCA的特点，可以用“山东国航”来记。S是端对端的安全性，D是对现有网络增加了窃听感知，C是与现有网络完全兼容，A就是将来有了量子互联网以后，仍旧能并行使用。

  北京市在2021年11月3日发布了《北京市“十四五”时期国际科学技术创新中心建设规划》，明白准确地提出重点支持开展量子信息前沿基础研发，将建成基于安全中继的城际量子示范网络。

  下面我做一下展望。2021年年初，包括张平院士、科学院外籍院士V H Poor、工程院外籍院士沈学民等在内的50名国内外著名通信专家提出了6G白皮书。他们这样提到：如果量子通信能全面发展起来，它将在下一代安全通信方面发挥出巨大的潜力。

  如果我们将来可以把量子安全中继真正发展起来，在十年二十年以后进行组网，将基于安全中继、量子中继的城际量子网络，星地量子网络与星际量子网络组合在一起，然后把量子计算机、量子传感系统、量子通信的用户都连接起来，构成一个全球量子网络，就能轻松实现全球没有死角的安全通信。

  量子计算机能轻松实现算力重组倍增，增强计算能力；量子传感的互联和预警可以尽早发现火情等灾害。形成全球量子网络，就能实现单个量子计算机、单个传感没法实现的一些功能。

  在这个建设过程中，关键的环节就是量子通信。量子通信目前最大的作用可能是保密通信，与经典保密通信密码通信形成互补。经典通信靠数学，让你拿到了以后看不懂，而量子是进一步，让你拿不到它，就是有再强能力也破解不了。这是第一，安全通信的需要。

  第二，它还是建设量子互联网的需要。将来有了量子计算机，有了量子传感要组网的话，一定要有量子通信的手段。基于这两个原因，量子通信将来一定会发展起来。

  在这里也感谢中国科学院、中国工程院、科技部、教育部、基金委、北京市还有清华大学的支持。