并且是建設量子互聯網的必需。
基于這兩個誘因，
量子通訊一定會發展上去。
龍桂魯·清華學院上海量子信息科學研究院
科學大咖講科學|天津2021年
你們好！我是龍桂魯，來自北大學院和上海量子信息科學研究院。明天和你們聊一聊神奇的量子通訊。
首先介紹一下哪些是通訊。通訊，簡單的說就是信息的傳輸，把信息從一個地方傳到另外一個地方。唐代通訊處于語言文字通訊階段，如馬拉松慢跑送信，面對面的攀談，還有烽火傳信，也就是用烽火作為訊號傳遞軍情。
▲上左：電報誕生上右：貝爾發明電話
中左：赫茲實驗中右：赫茲
下左：麥克斯韋多項式下右：馬克尼與無線電
近代通訊主要是電通訊階段，有幾個重要的歷史風波，如：1844年英國發明家摩爾斯成功發出第一封電報；1876年貝爾發明電話；1887年赫茲發覺電磁波并否認了麥克斯韋多項式；1895年馬可尼取得無線電報專利。
▲第一臺筆記本
到1946年，第一臺計算機在英國賓夕法尼亞學院誕生，開啟了科學估算的房門，觸發了更中級的通訊機制——數字通訊。
▲1989年12月，蒂姆·伯納斯-李（-Lee）發明萬維網
當代通訊是電子通訊階段，電子通訊包括數字通訊和互聯網，人們使用手機上網就屬于當代通訊。
▲在香農定律中，S/N是雜訊，B是帶寬，C為傳輸速度
圖為克勞德·艾爾伍德·香農及其完善的通訊模型（下）
所有那些通訊，都滿足通訊領域最偉大的科學家香農所提出的知名的香農定律。香農構建的通訊模型包括信源、發送設備、信道、接收設備和信宿，其中還有不可防止的噪音，他給出了一個噪音信道的最高可靠傳輸速度，即最多能傳遞多少信息。
▲傳統保密通訊的雙信道結構
不過，前面所說的通訊只管信息的可靠傳輸，不管信息的安全性，安全性要靠密碼實現。上圖是一個雙信道結構，由兩個通訊完成，上方信道為“密文傳輸”。例如滾筒式的滾輪密碼：把字條纏在滾輪上，其上有文字，將它展開之后就是密文，它通過一個精典信道傳過去。
這兒還有一個密碼，它經過另外一個信道“密鑰分發”來傳輸。在這兒，秘鑰相當于滾筒的機型。通常來說，秘鑰分發用非對稱密碼算法完成，例如AES（中級加密標準）和“一次一密”。所有精典密碼中，只有“一次一密”被證明是絕對安全、不可破譯的。
現代的密碼剖析和計算機硬件的發展，對信息安全構成了嚴重恐嚇。在2020年，有西方媒體透漏，西方集團偽裝成中立國，把裝有監聽側門的通訊機器借給了120多個國家，給那些國家引起了嚴重的信息泄漏和損失：例如在1982年美國和澳大利亞的中途島之戰中，波蘭就使用了這種帶有側門的通訊機器，信息泄漏嚴重，最終造成戰爭的失敗。
奇妙的量子世界
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下邊這是一張人的合照，將它不斷放大，看見手是厘米級，見到皮膚紋路是分米級，每次10倍放大，最后就到了微米、納米——這個量子熱學發揮作用的尺度。量子熱學就是原子、分子大小的微觀體系所遵守的規律。
量子神奇在哪些地方？我們從檢測、量子糾纏、量子并行三個方面來看。首先，量子的檢測和精典的檢測完全不同，我用三條規律進行概括：結果受限、結果隨機和狀態改變。
上圖左側圈中帶有“加號”，它表示一個光子偏振光的檢測儀器。對微觀體系來講，我們測得的光子偏振光最多只有兩個結果，而精典的檢測則可以有多個結果。例如這個“加號”測量儀器，水平的進去之后，下來的還是水平；垂直的進去之后，下來的還是垂直。這些情況是它本征態特有的狀態，前后沒有改變。
然而，假若水平的進了中間這個“叉號”的檢測儀器，那它的結果就是隨機的。它可能有兩種結果：一個是斜杠的，一個是反斜杠的，這兩種結果是完全隨機的。
現今反斜杠的這個再進一個“加號”的檢測儀器，它又會出現結果隨機，對吧？有可能是水平的、也可能是垂直的。這是哪些意思呢？就是說這個水平的東西，假如中間沒有被人搗亂、沒有被人監聽，這么再用“加號”測量的話，它應當還是水平的。并且中間假如有人監聽了，并且拿了個“乘號”的檢測儀器，把它狀態改變了的話，那結果就有50%的可能性出現錯誤?？偸蔷褪侨齻€點：結果受限、結果隨機，還有狀態改變。
其次，量子世界里有一個特有的性質：量子糾纏。它未能在日常經驗里感受，例如前面t=0這個狀態，我們看見的是水平、水平加上垂直、垂直。就是說這兩個光子是兩種狀態的疊加，不能做因式分解量子通訊的原理，這些狀態就稱作量子糾纏。
一側我寫了三點。第一就是說雖然分開很遠，這個糾纏仍然存在。我們把這兩個光子一個置于月球上，一個置于月亮上，這時侯早已拉得很開了，它們還是這些疊加狀態。這些特點可以概括為“即使很遠，糾纏仍在”。
第二就是要檢測這些糾纏狀態，必須把兩個粒子置于一起檢測。例如說這兩個光子我可以構成四個Bell-態。如果檢測是水平，那這四種狀態都有可能是水平，我分不出它是從哪一個狀態里面下來的。這么就是說你要把它檢測下來，就必須把兩個粒子放在一塊兒一起檢測，就能得到它的狀態。假如我領到一個的話，我對這兩個粒子的狀態，信息是零。不像精典，假如有兩個粒子，我領到了以后我曉得它一半的信息。這被稱為“要想知態，須要全在”。
第三是“測量一個，坍縮關聯”。對其中一個粒子進行檢測，它的結果是關聯的。如右邊粒子是水平的，那一定曉得右側粒子也是水平的；假如右側粒子是垂直的，左邊粒子也一定是垂直的。假如有人去監聽，都會破壞這些關聯，通過比較結果，就曉得有沒有人動了四肢。假如我們用這些糾纏對進行保密通訊，只要不讓監聽者同時領到兩個粒子，就可以保證信息的安全。
▲2N量級比特的信息量
2N量級的并行加速能力(260=1018)
量子世界最后一個重要的特有性質是量子并行。兩個粒子可以有00、01、10、11四種情況，在量子里可以弄成疊加態，同時把四個狀態表示下來，精典只能表示其中一種狀態。有N個粒子就是2的N次方，可以把2的N次方同時表現下來。
量子并行有兩大優勢。首先它的信息儲存量大，有2的N次方量級比特的信息量；其次，它有并行處理能力，可以同時對2的N次方個狀態進行操作。
《西游記》中的孫悟空有個能耐，他拔3根毫毛一吹就弄成了3個孫悟空。而“量子孫悟空”的能耐比精典孫悟空還要大，一吹能弄成8個“孫悟空”，即2的3次方。8個孫悟空一塊干活，肯定比1個孫悟空干活要快、要多。
這就是量子計算機比精典計算機快的緣由：4弄成16，5弄成32，粒子數、比特數越多，并行能力就越大，能力就越強。
▲量子估算量子通訊量子精密檢測
借助量子體系，可以進行信息的處理、傳輸和提取檢測，這就是量子信息。其中包括三大領域：量子估算和量子計算機、量子通訊和量子精密檢測，例如說導彈用的原子鐘這種。這種就可以比精典的要快好多、精密很多、安全很多。
嚴重恐嚇信息安全的量子估算
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1980年，和Manni分別提出了量子估算的概念；1982年，諾貝爾獎獲得者提出了模擬量子體系的量子計算機；1985年，強調量子估算的概念是確切的，具有普適性，并提出了量子并行的概念。量子計算機的概念就這樣構建上去了。
▲1980-1994，提出構建概念和自由探求的，Manin，，
1994年前，你們都在靠自由探求做基礎研究。1994年和1996年，分別出現了兩個重要算法：Shor算法和算法。
▲PWShor（左）Lov（右）
Shor算法是做一個大數分解。在精典估算里大數分解很難，一個300位的大數，假如每秒運算10的12次方次，用傳統計算機來做須要15萬年，而量子計算機只要一秒。大數分解是現今密碼學的基礎，這震驚了整個密碼界。
另外一個是提出的無序數據庫搜索。搜索一個龐大樣本的數據庫，假如用精典計算機須要2萬年，用同樣速率的量子計算機只須要一秒，這個算法對對稱密碼構成恐嚇。
這兩個算法是一項重大突破，促使量子計算機一下成為全世界的研究熱點。
我們組從1998年開始做量子信息的研究，第一個工作就是改進了算法。算法原先只有180°，我們把它換成一個任意的角度。我們發覺，這兩個任意角度必須相等、相位匹配。
根據圖上公式取這個角度，才能讓搜索的成功率達到100%。后來就有人把這個算法叫龍算法，或則是叫/Long算法。量子估算提出人還有都在她們的報告里肯定了我們的工作。
在2013、2016年，有兩組科學家證明，龍算法是精確優化的，并且是最簡單的。
我們如今可以總結一下：在量子算法取得突破以后，假如有了量子計算機，現有的秘鑰分發的非對稱密碼算法將不再安全，將對現今的保密安全產生了嚴重的恐嚇。
2016年之后，量子計算機的硬件也開始出現突破征兆。當初IBM推出了5比特的量子估算云平臺，幾個知名的國際大公司步入量子計算機的研究行列參與競爭。
2019年，微軟宣布在53比特超導量子計算機上用200秒完成超級計算機1萬年的估算量，表現出量子計算機強悍的能力。
2021年9月，中國科學技術學院等多家院校院所實現了60超導比特的超導量計算機，也演示了這個量子霸權。同一時間，上海量子院研發了503毫秒的量子比特，這是全世界壽命最長的超導量子比特。為此，我國在量子估算方面也是很先進的，處在第一梯隊中。
▲采用新的秘鑰分發方式
量子計算機對我們的傳統保密通訊產生了恐嚇，主要是在秘鑰分發這個階段。這個問題有兩種解決方式：第一，采用量子通訊的方式，把精典的秘鑰分發換成量子秘鑰分發；還有一個就是發展精典密碼算法，使它還能抵抗量子計算機的功擊。
目前日本NIST在主導精典抗量子密碼的制訂標準，在2020年早已進行到第3輪，有了7種候選算法。但精典算法有一個缺陷，它只能證明現今還沒有找到破譯的方式，但不能證明破譯這種算法的方式不存在。
為此NIST的首席科學家Moody表示：我們之所以選用不同的方式，就是要防治之后有人破譯了其中一種。
量子通訊，能做到嗎？
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接出來聊聊量子通訊。從嚴格的定義上，量子通訊跟精典通訊是不一樣的，它是廣義的。聯通量子態完成的任務都稱作量子通訊，而精典通訊是信息的傳輸。從精典通訊的意義上來說，量子美鈔、量子秘鑰分發、量子密集編碼等都不是通訊。
在上圖的六種量子通訊上面，我覺得最主要的是兩種：量子秘鑰分發和量子直接通訊。其中量子秘鑰分發研究最多，也是離實用近來的；還有一個就是我和我的博士生劉曉曙在2000年提出的量子直接通訊。
1984年，首個量子秘鑰分發合同由德國人和荷蘭人提出。雙方協商一個隨機數，選購后確認沒有監聽、是安全的，就把這個隨機數作為秘鑰，再用于精典加密。目前在研究方面，中國在國際處于領先地位。2009年，中科大郭光燦教授團隊在合肥構建了世界上第一個量子政務網。
2016年，我國發射了世界上第一顆量子實驗衛星；2020年，我國做了第一個高軌道同步衛星的量子通訊的可行性實驗，王巍教授團隊證明了在3.6萬公里做量子秘鑰分發的量子通訊是可行的。
▲傳統保密通訊的雙信道結構
保密通訊是雙信道結構，有沒有可能不用雙信道，就用一條信道實現可靠通訊、安全通訊、保密通訊呢？答案是可以的，這就是我們的量子直接通訊。
▲龍桂魯（左）劉曉曙（中）鄧易方達（右）
2000年，我和我的博士生劉曉曙提出了第一個合同；2003年，我倆及另外一位博士生鄧易方達提出第二個合同，這兩個合同都是基于糾纏的。第三個合同是我和鄧易方達2004年提出來的，該合同基于單光子。
▲基于量子直接通訊的保密通訊
這是最早的三個量子直接通訊的合同。有了量子直接通訊，保密通訊就是一條結構，一條信道的結構，而不是雙信道結構了。
它有四個特征：第一，既可靠又安全；第二，精典通訊實現的是香農理論，而量子直接通訊實現的是維納搭線信道理論；第三，它既可發覺監聽，又可制止監聽；第四，它的用途廣泛，非常是在網路的結構中更有優勢。
量子直接通訊為何不用加密就可以進行安全通訊？
這是第一個合同，它就是借助糾纏對。只要不讓監聽人同時領到兩個糾纏對，才能保證它的安全。我們直接把信息加載在EPR對里面，為了不讓監聽的人領到，分兩步傳輸。第一步我們運用塊傳輸技術，先把其中一個傳過去，插入幾個監聽的光子對做檢測，再比對一下，這樣我們才能發覺有沒有監聽。確認在第一隊傳輸的時侯監聽者沒有領到后，我們再把另一個傳過去。把兩個都領到了之后置于一起檢測，就可以得到信息了。這樣就實現了可靠和安全通訊。
日本皇家工程院的教授評論說：量子直接通訊發展了通訊的理論和密碼學，把香農理論保證的噪音信道下的可靠通訊提升了一個更高的層次，為既有噪音又有監聽的信道下的可靠和安全通訊。
這張圖中紅色部份是香農理論保證的精典通訊，是噪音信道下的可靠通訊。有量子直接通訊后，現今即有噪音，還有監聽，依然可以進行可靠和安全的通訊。
距離實用化的量子通訊還有多遠？
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昨天說了原理，這么量子直接通訊現今發展到哪些地步了？上面我們講了QKD（量子秘鑰分發）的情況，這兒注重介紹一下量子直接通訊的情況。另外，從精典通訊的意義來講，量子直接通訊就是通訊，而不僅僅是秘鑰分發。
2016年以來，復旦學院和上海量子院的聯合團隊合作，提出了5種關鍵技術，解決了量子直接通訊實用化中的一些關鍵困局。這種技術包括：完成定量安全性剖析、高損信道編碼、無量子儲存方案、掩膜增容技術以及雙向傳輸合同。
有了技術之后，我們在2020年研發出國際上第一臺實用化的量子直接通訊樣機，在當初的中關村峰會作為重大成果發布。2021年的國務院新聞發布會上，上海市副書記、秘書長靳偉在談到上海原創成果科技能力時，把量子直接通訊作為四個世界級重大原創成果之一做了介紹。
網路方面，在2021年，北京交通學院陳險峰院士和湖南師范學院李淵華院士的團隊實現了15個用戶的量子直接通訊網路，這造成了很大的關注。
在使用這種通訊技術的時侯，一個最關鍵的技術是組網。在現有的情況下，假如要實現更遠距離的量子通訊，就要有量子中繼和量子儲存。
▲安全中繼量子網路
現今還沒有量子儲存，這使它的應用遭到了限制。我們提出了安全中繼，把量子直接通訊和精典密碼結合上去。借助量子直接通訊傳輸精典密碼加密的東西，在精典中繼這個環節有精典密碼保護。這樣我們可以在整個網路里組網，網路中任意兩個端點都可以進行安全通訊。于是就可以在現有條件下組量子的網路，仍然到之后有了量子中繼，依然可以并行使用。
▲左：量子網路法國方案（etal.,,303(2018)）
右：量子網路上海方案（龍桂魯、薛其坤等，2020）
左側是量子網路亞洲方案，在沒有量子中繼通訊的情況下，可以做一些基本原理的研究，但無法大范圍使用。左側就是我們提出的量子網路上海方案，把白色部份加進去了之后，如今就可以組網。它具有SDCA的特性，可以用“山東南航”來記。S是端對端的安全性，D是對現有網路降低了監聽感知，C是與現有網路完全兼容，A就是將來有了量子互聯網之后，依然可以并行使用。
廣州市在2021年11月3日發布了《北京市“十四五”時期國際科技創新中心建設規劃》，明晰提出重點支持舉辦量子信息前沿基礎研制，將建成基于安全中繼的城際量子示范網路。
下邊我做一下展望。2021年年初，包括張平教授、科大學外籍教授VHPoor、工程院外籍教授沈學民等在內的50名國外外知名通訊專家提出了6G藍皮書。她們這樣談到：假若量子通訊能全面發展上去，它將在下一代安全通訊方面發揮出巨大的潛力。
▲經典通訊專家開始關注QSDC的潛力
假如我們將來可以把量子安全中繼真正發展上去，在六年二六年之后進行組網，將基于安全中繼、量子中繼的城際量子網路，星地量子網路與星際量子網路組合在一起，之后把量子計算機、量子傳感器系統、量子通訊的用戶都聯接上去，構成一個全球量子網路，就可以實現全球沒有死角的安全通訊。
全球量子網路建設思路
量子計算機可以實現算力重組倍增量子通訊的原理，提高估算能力；量子傳感器的互聯和預警可以盡快發覺火情等水災。形成全球量子網路，才能實現單個量子計算機、單個傳感器無法實現的一些功能。
在這個建設過程當中，關鍵的環節就是量子通訊。量子通訊目前最大的作用可能是保密通訊，與精典保密通訊密碼通訊產生互補。精典通訊靠物理，讓你領到了之后看不懂，而量子是進一步，讓你拿不到它，就是有再強能力也破解不了。這是第一，安全通訊的須要。
第二，它還是建設量子互聯網的須要。將來有了量子計算機，有了量子傳感器要組網的話，一定要有量子通訊的手段?；谶@兩個誘因，量子通訊將來一定會發展上去。
在這兒也謝謝中國科大學、中國工程院、科技部、教育部、基金委、北京市還有復旦學院的支持。
感謝你們！
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