導(dǎo)讀
聽到“全光量子中繼”這個名子，大多數(shù)人似乎都搞不清這個詞的重點(diǎn)何在：是“全光”？還是“量子”？還是“中繼”？而看見論文的標(biāo)題《沒有量子儲存的量子中繼》，你們就可以明白了，這項(xiàng)工作真正的要點(diǎn)是“沒有量子儲存”，全光就是實(shí)現(xiàn)沒有量子儲存的手段。
2019年7月初，好多人都很開心地見到了一條其實(shí)很高大上的新聞：中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院在世界上首次實(shí)現(xiàn)“全光量子中繼器”（比如）。
新華網(wǎng)對全光量子中繼的報(bào)導(dǎo)
開心，同時“不明覺厲”。我相信，絕大多數(shù)讀者看見這條新聞的反應(yīng)都是：我連量子中繼是哪些都不曉得，你竟然在跟我說哪些全光量子中繼？！
看不懂是正常的。倘若如此容易就讓普通人讀懂了，那博士寒窗苦讀十幾年豈不是白讀了？世界上沒有那么實(shí)惠的事。
如今，好消息來了！我可以向你們來解釋這項(xiàng)工作。但是我相信，只要認(rèn)真聽，大多數(shù)觀眾都可以理解個八九不離十，雖然不能把握所有的細(xì)節(jié)，起碼也可以理解這項(xiàng)成果的背景。
為何呢？
由于第一，這項(xiàng)工作屬于“量子信息”這個領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域我寫過好多科普文章，所以我曉得在宏觀大圖景上，這項(xiàng)工作處于哪些位置。我關(guān)于量子信息的最重要的科普文章稱作《你完全可以理解量子信息》，有4萬字，你看了之后就真的可以對量子信息獲得一個全面的了解了。因而按照同樣的風(fēng)格，本文就稱作《你完全可以理解全光量子中繼》！
第二，這篇論文發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上，標(biāo)題稱作《沒有量子儲存的量子中繼》（“”）（）。我仔細(xì)閱讀了這篇文章，了解了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。
第三，這項(xiàng)工作是我的交大同學(xué)潘建偉教授的團(tuán)隊(duì)做的，兩位主要負(fù)責(zé)人陳宇翱院士和徐飛虎院長都是我的同事。通過直接向她們咨詢，我了解了好多愈發(fā)深入的洞察。
事實(shí)上，這正是我做科普的一個基本的方式論：了解宏觀背景，督查原始文獻(xiàn)，之后假如有條件的話，尤其重要的是跟一線研究者進(jìn)行深入溝通。這個方式論在科普之外也具有愈發(fā)普遍的意義，歡迎你們感悟和應(yīng)用。
好，我們言歸正傳。見到“全光量子中繼”這個名子，大多數(shù)人似乎都搞不清這個詞的重點(diǎn)何在：是“全光”？還是“量子”？還是“中繼”？而看見原始論文的標(biāo)題《沒有量子儲存的量子中繼》，你們就可以明白了，這項(xiàng)工作真正的要點(diǎn)是“沒有量子儲存”。
如同那條知名的廣告：我們的目標(biāo)是，沒有牙齒！
我們的目標(biāo)是，沒有牙齒！
因而，你們也可以明白，“全光量子中繼”的重點(diǎn)在于“全光”，全光就是實(shí)現(xiàn)沒有量子儲存的手段。
好，只要你理解到這一層，你就早已趕超90%以上的人了。
假如你還想理解更多，這么你的下一個問題自然就是：量子中繼是哪些？為何我們希望在量子中繼中去除量子儲存？
對此的回答，就出現(xiàn)了一個真正出人預(yù)料的地方。傳統(tǒng)的中繼你們都很熟悉，就是通訊網(wǎng)路中拿來擴(kuò)充通訊距離的中繼站。顧名思義，量子中繼就是量子通訊網(wǎng)路中拿來擴(kuò)充通訊距離的中繼站嘍？
但是，出人預(yù)料的是，量子通訊網(wǎng)路的中繼站并不一定要用量子中繼！另一種中繼也是可行的，稱作“可信中繼”（）。也就是說，我們有兩種選擇，量子中繼和可信中繼。
這兩個名子很容易讓人搞糊涂，由于它們的命名方法并不是根據(jù)同樣的標(biāo)準(zhǔn)。如同近來的垃圾分類一樣，干垃圾和濕垃圾前面又冒出個有害垃圾和可回收垃圾。
垃圾分類
這么你認(rèn)為，可信中繼和量子中繼那個更好呢？
這真是讓人頗費(fèi)思忖。很容易覺得，可信中繼更好，由于你不可能選個不可信的啊。但也許，這是一個名稱引起的誤會。真正的回答是：量子中繼更好！
我們來解釋一下，可信中繼和量子中繼這兩個詞實(shí)際上是哪些意思。
可信中繼的意思是，這個中繼站在依照傳統(tǒng)的形式存儲數(shù)據(jù)，例如說用c盤。發(fā)送方和接收方曉得的所有數(shù)據(jù)，中繼站也都曉得。
這樣做的缺點(diǎn)是哪些呢？數(shù)據(jù)儲存在中繼站，敵軍就可以去偷，但是假如中繼站的工作人員有內(nèi)鬼，就可以泄露。為此，為了保證安全，我們就須要確保中繼站是在嚴(yán)密監(jiān)控下的，沒有泄漏。也就是說，“可信中繼”其實(shí)是“必須通過人力來保證它可信的中繼”！
而量子中繼是哪些呢？量子中繼干的事情，是讓發(fā)送方和接收方通過它完善聯(lián)接，但中繼站本身并不儲存數(shù)據(jù)。發(fā)送方和接收方曉得的數(shù)據(jù)，中繼站是不曉得的。為此，這兒根本就不存在數(shù)據(jù)泄漏的問題。雖然有內(nèi)鬼，最糟也只是讓量子中繼不能運(yùn)行，但不能偷到數(shù)據(jù)。所以量子中繼是“比可信中繼更可信的中繼”，由于它天然就可信，不須要外力來保證！
愈加具體地說，可信中繼傳輸?shù)氖蔷涞男畔ⅲ孔又欣^就能實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳輸。為此，可信中繼能干的事情，量子中繼在原理上都能干，而反之則不然。二者都可以用于量子保密通訊，但量子中繼還可以做分布式量子估算和遠(yuǎn)程量子精密檢測等應(yīng)用，這種是可信中繼做不到的。
好，假如你理解到這一層，我相信你已然趕超了99%以上的人。
關(guān)于量子中繼和可信中繼的基本狀況是：量子中繼離實(shí)用還十分遠(yuǎn)，而可信中繼早已在實(shí)用了。
比如2017年9月29日，中國開通了世界第一條量子保密通訊干線——“京滬干線”。具體而言，滬寧干線是在上海、濟(jì)南、合肥、上海已有的量子網(wǎng)路的基礎(chǔ)上，通過包括兩端在內(nèi)的總共32個節(jié)點(diǎn)把它們聯(lián)接上去。這樣，就可以在從上海到北京的2000公里的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子保密通訊。中間這些節(jié)點(diǎn)，就是可信中繼。
滬寧干線
這兒我們須要說明一下。在實(shí)踐中，量子保密通訊的安全傳輸距離是有限的。諸如滬寧干線是用光纖來傳輸光子，而光纖有一定的機(jī)率吸收光子，因而過一段距離后訊號就衰減到不能用了。這就是為何，我們須要每隔一段距離加一個中繼。
在二十一世紀(jì)初之前的很長時間內(nèi)，量子保密通訊的安全傳輸距離只有10公里的量級。因而學(xué)術(shù)界以前覺得量子密碼術(shù)的發(fā)展早已到頭了，沒有太大前途。但是，2003至2005年期間，美國、加拿大和中國科學(xué)家提出了“誘騙態(tài)合同”，致使安全傳輸距離可以提升到百公里的量級。自此之后，量子密碼術(shù)蓬勃發(fā)展，而中國獲得了領(lǐng)先地位，大部份新紀(jì)錄都是交大的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的。
2016年8月16日，中國發(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。當(dāng)時光纖中的安全傳輸距離早已超過了200公里。三個月之后，2016年11月，交大與復(fù)旦學(xué)院、中科院北京微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提升到了404公里（這真是一個很吉利的數(shù)字），并且在102公里處的安全成分辨率早已足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公里的量子保密電話早已是在技術(shù)上可行的了。
墨子號發(fā)射
墨子號和滬寧干線的關(guān)系是如何的呢？雖然它們是實(shí)現(xiàn)長距離量子保密通訊的兩條技術(shù)路線。
滬寧干線就是傳統(tǒng)的用光纖傳輸光，每隔一段距離加一個中繼站。墨子號是不用光纖，讓光子從地面站直接聯(lián)接到衛(wèi)星，這稱作“自由空間傳播”。這兒的有趣之處在于，自由空間傳輸?shù)墓庾釉谡婵罩惺菦]有衰減的，只在大氣層內(nèi)有衰減。為此，一旦出了大概10公里厚的大氣層，雖然傳得再遠(yuǎn)，也不會再衰減了。而光纖傳輸，卻是每一寸都在衰減的。因而，對于幾百幾千公里的超遠(yuǎn)距離傳輸，自由空間傳輸?shù)男士梢赃h(yuǎn)遠(yuǎn)超過光纖傳輸，這就是量子通訊衛(wèi)星的優(yōu)勢。
事實(shí)上，衛(wèi)星也可以作為一種可信中繼，來實(shí)現(xiàn)地面站之間的量子保密通訊。諸如在滬寧干線開通的記者會上，中國科大學(xué)教授白春禮與法國科大學(xué)教授安東·塞林格（Anton，潘建偉的博士導(dǎo)師）就通過墨子號，進(jìn)行了世界首次洲際量子保密通訊的視頻通話。
中國科大學(xué)教授白春禮（電子屏左側(cè)）在現(xiàn)場通過“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，與俄羅斯科大學(xué)教授安東?塞林格（電子屏右側(cè)）進(jìn)行世界首次洲際量子保密通訊視頻通話。
現(xiàn)今的問題是：既然量子中繼在原理上更好，為何你們不用它呢？
緣由是：造出量子中繼的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可信中繼。一個基本的道理就是，用到量子熱學(xué)的操作總是要比不藥量子力學(xué)的困難。
具體而言，在現(xiàn)有的量子中繼設(shè)計(jì)中包含三個元素：糾纏交換量子通訊儲存，糾纏純化，以及量子儲存。
咦，上面不是說量子中繼不儲存數(shù)據(jù)嗎，為何這兒又要用到量子儲存？回答是，量子中繼中儲存的是一些中間量子態(tài)，對竊密者來說沒有害處。
到目前為止，量子儲存其實(shí)也有好多研究組取得了好多進(jìn)展，但發(fā)展程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了量子中繼的須要，成了一個困局。為此，假如才能造出“沒有量子儲存的量子中繼”，就可望繞開這個困局，促使量子中繼的實(shí)用化。
好，假如你理解到這一層，我相信你已然趕超了99.9%以上的人。
假如你還想理解更多，這么你的下一個問題自然就是：潘建偉、陳宇翱、徐飛虎等人是怎樣實(shí)現(xiàn)“沒有量子儲存的量子中繼”的？
好吧，真正才能關(guān)心到這個層面的聽眾都是專家了。你既然是專家，這么我多講些術(shù)語也是正常的嘍？
基本的回答是：發(fā)送方Alice和接收方Bob各自形成M組糾纏對，之后通過量子中繼聯(lián)接上去。我們可以把這M組糾纏對畫成M行橫線。
在原先的方案中，Alice的每一個糾纏對只和Bob的屬于同一行的糾纏對完善聯(lián)接，也就是說總共只完善M個聯(lián)接。
而在新方案中，Alice的每一個糾纏對都和Bob的屬于所有行的糾纏對完善聯(lián)接，也就是說總共建立了M的平方個聯(lián)接。用術(shù)語說，這稱作構(gòu)建了一個“圖態(tài)”（graphstate）。
《沒有量子儲存的量子中繼》
這樣做的益處，就是取消了對量子儲存的需求。這樣做的代價，就是要付出更多的努力去構(gòu)建糾纏。因而，這是不是讓量子中繼顯得更容易造下來了，都還不能確定。無論采取哪些技術(shù)路線，實(shí)用的量子中繼估計(jì)還須要10年或更長的時間才能出現(xiàn)。
《沒有量子儲存的量子中繼》
但這項(xiàng)工作的意義在于，確實(shí)提出了另一種可行的思路。最終的結(jié)果可能是新方案，也可能是老方案，還可能是新老方案的某種聯(lián)用。無論怎樣，多一個值得探求的方向總是十分有價值的。因而，這篇文章才能發(fā)表在《自然·光子學(xué)》這樣的頂尖刊物上，說明它的重要性得到了公認(rèn)。
不過，通過以上的剖析，你已然可以明白：這是一項(xiàng)遠(yuǎn)景性質(zhì)的工作，對當(dāng)前的實(shí)用并沒有影響。事實(shí)上，當(dāng)前我們的量子通訊網(wǎng)路早已有中繼可以用，就是可信中繼。其實(shí)原理上存在更好的，但也別拿豆包不當(dāng)干糧啊！
好，假如你理解到這一層，我相信你已然趕超了99.99%以上的人。
最后，有一個常常看到的問題值得回答一下：既然敵軍功擊滬寧干線的中繼站就可以竊密，這么滬寧干線還有哪些意義呢？事實(shí)上，有不少人就借此為由，聲稱滬寧干線完全沒用，甚至是一場騙子，吆喝潘建偉等人是騙局。
回答是：滬寧干線如何樣，要看你跟誰比。假如跟理想的用量子中繼的量子通訊線路比，其實(shí)是不如，但問題不就是這理想的還沒造下來嗎？
之后，假如跟現(xiàn)有的其他密碼技術(shù)比較，你才能理解滬寧干線與可信中繼的優(yōu)勢了。這兒的關(guān)鍵在于，保密通訊要解決的是信息傳輸?shù)膯栴}，而可信中繼要解決的是信息儲存的問題。
其實(shí)，儲存是傳輸?shù)那疤帷Ｄ阋踩貍饕粋€信息，就必須首先有能力把它安全地存在本地。假如你存都存不住，置于家里都被人偷了，那還談哪些傳輸?shù)膯栴}？
因而，對可信中繼的要求，完全是一個合理的要求。在一條線路上逼搶一個孤立的站點(diǎn)，這應(yīng)當(dāng)是你完全能做到的。假如你連這個都做不到，那你無論用哪些保密通訊的方式都是白扯。而假如你能做到這個合理的要求，這么可信中繼才能讓你在很長的距離上實(shí)現(xiàn)量子保密通訊。
你若果想了解量子保密通訊的原理，這么歡迎去看我的文章《你完全可以理解量子信息》。在這兒，我們只是說明一點(diǎn)：量子密碼術(shù)實(shí)現(xiàn)的安全性，稱作“無條件安全性”（），也常常被稱為“絕對安全性”或“完美安全性”。這話實(shí)際的意思是，敵軍雖然具有無限的估算能力，也難以破解你的密文。
有人可能會認(rèn)為不可思議：如何可能存在這樣的密文，敵軍用無限的估算能力都不能破解？事實(shí)上，這樣的密文是很容易重構(gòu)的。
比如這樣一個密文：它就是二補(bǔ)碼的一位數(shù)0，而它可能對應(yīng)的明文是二補(bǔ)碼的0或則1。敵軍在不曉得秘鑰的情況下，只能推出這個密文0以一半的機(jī)率對應(yīng)0，一半的機(jī)率對應(yīng)1。之后敵軍能夠得到哪些呢？哪些都得不到了，由于再往下沒有任何可推理的。你看，這個密文就是具有無條件安全性的。
你可能會問了：既然如此簡單能夠?qū)崿F(xiàn)無條件安全性，為何密碼學(xué)家還要發(fā)展出這么多復(fù)雜得多的算法呢？
回答是：無條件安全性的關(guān)鍵在于，秘鑰要跟明文一樣長，甚至更長！假如你的明文有《紅樓夢》這么長，這么秘鑰也須要那么長。假如秘鑰比明文短，這么只要敵軍的估算能力夠強(qiáng)，就一定可以破解，也就是說，這時就不可能具有無條件安全性了。
《紅樓夢》
量子密碼術(shù)的技術(shù)訣竅，雖然就是借助量子力學(xué)的操作，讓雙方分享任意寬度的秘鑰，不須要第二者的信使。為此，量子密碼術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無條件安全性。
而現(xiàn)今常用的絕大多數(shù)密碼術(shù)，比如知名的RSA算法，在原理上都是基于某種物理問題的困難性。意思是，你解決了某個物理問題，比如“因數(shù)分解”，就可以破解我的密碼。但這個物理問題十分困難，假如你沒有某種我不曉得的巧妙算法，這么你會須要特別長的時間。在這個意義上，我的密文是安全的。
RSA密碼體系的三位發(fā)明者
你們看明白了吧？基于物理問題的密碼術(shù)才能達(dá)到的安全性，在本質(zhì)上就是有條件的。假如敵軍有無限的估算能力，就可以破解這些密碼。為此，這種密碼術(shù)的安全級別在本質(zhì)上就高于量子密碼術(shù)。
更不用說，敵軍完全有可能早已找到了巧妙的解法，只是沒有告訴你，——顯然嘛，他干嗎要告訴你呢？讓你在自以為安全的情況下源源不斷地泄露，對他來說不是更好嗎？
如今你們可以理解，在像滬寧干線這樣的長距離上實(shí)現(xiàn)量子保密通訊，具有多么重大的價值。假如你覺得逼搶中間那30個中繼站是不可承受的負(fù)擔(dān)，這么你應(yīng)當(dāng)想到，如果用傳統(tǒng)密碼術(shù)的話，根據(jù)同樣的標(biāo)準(zhǔn)，你須要逼搶的就不只是中繼站了，而是2000公里的整條線路！由于傳統(tǒng)密碼術(shù)的密文是可以破譯的！所以敵軍在任何一點(diǎn)領(lǐng)到密文，都可以竊密！
如今，你明白這些說滬寧干線用了可信中繼所以就沒用的，是如何回事了吧？那些人是有意或無意地用了雙重標(biāo)準(zhǔn)量子通訊儲存，對無條件安全的量子密碼術(shù)覺得儲存的要求不可接受，對傳統(tǒng)密碼術(shù)卻認(rèn)為有條件安全就夠用了。這純粹是頭腦不清醒嘛。
好，假如你理解到這一層，我相信你已然趕超了99.999%以上的人！如今，你是不是倍感自己的思維層次都上升了呢？
歡呼竊喜