导读
听到“全光量子中继”这个名子，大多数人似乎都搞不清这个词的重点何在：是“全光”？还是“量子”？还是“中继”？而看见论文的标题《没有量子储存的量子中继》，你们就可以明白了，这项工作真正的要点是“没有量子储存”，全光就是实现没有量子储存的手段。
2019年7月初，好多人都很开心地见到了一条其实很高大上的新闻：中国科学技术学院在世界上首次实现“全光量子中继器”（比如）。
新华网对全光量子中继的报导
开心，同时“不明觉厉”。我相信，绝大多数读者看见这条新闻的反应都是：我连量子中继是哪些都不晓得，你竟然在跟我说哪些全光量子中继？！
看不懂是正常的。倘若如此容易就让普通人读懂了，那博士寒窗苦读十几年岂不是白读了？世界上没有那么实惠的事。
如今，好消息来了！我可以向你们来解释这项工作。但是我相信，只要认真听，大多数观众都可以理解个八九不离十，虽然不能把握所有的细节，起码也可以理解这项成果的背景。
为何呢？
由于第一，这项工作属于“量子信息”这个领域，在这个领域我写过好多科普文章，所以我晓得在宏观大图景上，这项工作处于哪些位置。我关于量子信息的最重要的科普文章称作《你完全可以理解量子信息》，有4万字，你看了之后就真的可以对量子信息获得一个全面的了解了。因而按照同样的风格，本文就称作《你完全可以理解全光量子中继》！
第二，这篇论文发表在《自然·光子学》上，标题称作《没有量子储存的量子中继》（“”）（）。我仔细阅读了这篇文章，了解了许多技术细节。
第三，这项工作是我的交大同学潘建伟教授的团队做的，两位主要负责人陈宇翱院士和徐飞虎院长都是我的同事。通过直接向她们咨询，我了解了好多愈发深入的洞察。
事实上，这正是我做科普的一个基本的方式论：了解宏观背景，督查原始文献，之后假如有条件的话，尤其重要的是跟一线研究者进行深入沟通。这个方式论在科普之外也具有愈发普遍的意义，欢迎你们感悟和应用。
好，我们言归正传。见到“全光量子中继”这个名子，大多数人似乎都搞不清这个词的重点何在：是“全光”？还是“量子”？还是“中继”？而看见原始论文的标题《没有量子储存的量子中继》，你们就可以明白了，这项工作真正的要点是“没有量子储存”。
如同那条知名的广告：我们的目标是，没有牙齿！
我们的目标是，没有牙齿！
因而，你们也可以明白，“全光量子中继”的重点在于“全光”，全光就是实现没有量子储存的手段。
好，只要你理解到这一层，你就早已赶超90%以上的人了。
假如你还想理解更多，这么你的下一个问题自然就是：量子中继是哪些？为何我们希望在量子中继中去除量子储存？
对此的回答，就出现了一个真正出人预料的地方。传统的中继你们都很熟悉，就是通讯网路中拿来扩充通讯距离的中继站。顾名思义，量子中继就是量子通讯网路中拿来扩充通讯距离的中继站喽？
但是，出人预料的是，量子通讯网路的中继站并不一定要用量子中继！另一种中继也是可行的，称作“可信中继”（）。也就是说，我们有两种选择，量子中继和可信中继。
这两个名子很容易让人搞糊涂，由于它们的命名方法并不是根据同样的标准。如同近来的垃圾分类一样，干垃圾和湿垃圾前面又冒出个有害垃圾和可回收垃圾。
垃圾分类
这么你认为，可信中继和量子中继那个更好呢？
这真是让人颇费思忖。很容易觉得，可信中继更好，由于你不可能选个不可信的啊。但也许，这是一个名称引起的误会。真正的回答是：量子中继更好！
我们来解释一下，可信中继和量子中继这两个词实际上是哪些意思。
可信中继的意思是，这个中继站在依照传统的形式存储数据，例如说用c盘。发送方和接收方晓得的所有数据，中继站也都晓得。
这样做的缺点是哪些呢？数据储存在中继站，敌军就可以去偷，但是假如中继站的工作人员有内鬼，就可以泄露。为此，为了保证安全，我们就须要确保中继站是在严密监控下的，没有泄漏。也就是说，“可信中继”其实是“必须通过人力来保证它可信的中继”！
而量子中继是哪些呢？量子中继干的事情，是让发送方和接收方通过它完善联接，但中继站本身并不储存数据。发送方和接收方晓得的数据，中继站是不晓得的。为此，这儿根本就不存在数据泄漏的问题。虽然有内鬼，最糟也只是让量子中继不能运行，但不能偷到数据。所以量子中继是“比可信中继更可信的中继”，由于它天然就可信，不须要外力来保证！
愈加具体地说，可信中继传输的是精典的信息，而量子中继就能实现量子态的传输。为此，可信中继能干的事情，量子中继在原理上都能干，而反之则不然。二者都可以用于量子保密通讯，但量子中继还可以做分布式量子估算和远程量子精密检测等应用，这种是可信中继做不到的。
好，假如你理解到这一层，我相信你已然赶超了99%以上的人。
关于量子中继和可信中继的基本状况是：量子中继离实用还十分远，而可信中继早已在实用了。
比如2017年9月29日，中国开通了世界第一条量子保密通讯干线——“京沪干线”。具体而言，沪宁干线是在上海、济南、合肥、上海已有的量子网路的基础上，通过包括两端在内的总共32个节点把它们联接上去。这样，就可以在从上海到北京的2000公里的范围内，实现量子保密通讯。中间这些节点，就是可信中继。
沪宁干线
这儿我们须要说明一下。在实践中，量子保密通讯的安全传输距离是有限的。诸如沪宁干线是用光纤来传输光子，而光纤有一定的机率吸收光子，因而过一段距离后讯号就衰减到不能用了。这就是为何，我们须要每隔一段距离加一个中继。
在二十一世纪初之前的很长时间内，量子保密通讯的安全传输距离只有10公里的量级。因而学术界以前觉得量子密码术的发展早已到头了，没有太大前途。但是，2003至2005年期间，美国、加拿大和中国科学家提出了“诱骗态合同”，致使安全传输距离可以提升到百公里的量级。自此之后，量子密码术蓬勃发展，而中国获得了领先地位，大部份新纪录都是交大的研究团队创造的。
2016年8月16日，中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。当时光纤中的安全传输距离早已超过了200公里。三个月之后，2016年11月，交大与复旦学院、中科院北京微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作，又把安全传输距离提升到了404公里（这真是一个很吉利的数字），并且在102公里处的安全成分辨率早已足以保证安全的语音通话。也就是说，间隔102公里的量子保密电话早已是在技术上可行的了。
墨子号发射
墨子号和沪宁干线的关系是如何的呢？虽然它们是实现长距离量子保密通讯的两条技术路线。
沪宁干线就是传统的用光纤传输光，每隔一段距离加一个中继站。墨子号是不用光纤，让光子从地面站直接联接到卫星，这称作“自由空间传播”。这儿的有趣之处在于，自由空间传输的光子在真空中是没有衰减的，只在大气层内有衰减。为此，一旦出了大概10公里厚的大气层，虽然传得再远，也不会再衰减了。而光纤传输，却是每一寸都在衰减的。因而，对于几百几千公里的超远距离传输，自由空间传输的效率可以远远超过光纤传输，这就是量子通讯卫星的优势。
事实上，卫星也可以作为一种可信中继，来实现地面站之间的量子保密通讯。诸如在沪宁干线开通的记者会上，中国科大学教授白春礼与法国科大学教授安东·塞林格（Anton，潘建伟的博士导师）就通过墨子号，进行了世界首次洲际量子保密通讯的视频通话。
中国科大学教授白春礼（电子屏左侧）在现场通过“墨子号”量子科学实验卫星，与俄罗斯科大学教授安东•塞林格（电子屏右侧）进行世界首次洲际量子保密通讯视频通话。
现今的问题是：既然量子中继在原理上更好，为何你们不用它呢？
缘由是：造出量子中继的难度远远低于可信中继。一个基本的道理就是，用到量子热学的操作总是要比不药量子力学的困难。
具体而言，在现有的量子中继设计中包含三个元素：纠缠交换量子通讯储存，纠缠纯化，以及量子储存。
咦，上面不是说量子中继不储存数据吗，为何这儿又要用到量子储存？回答是，量子中继中储存的是一些中间量子态，对窃密者来说没有害处。
到目前为止，量子储存其实也有好多研究组取得了好多进展，但发展程度还远远满足不了量子中继的须要，成了一个困局。为此，假如才能造出“没有量子储存的量子中继”，就可望绕开这个困局，促使量子中继的实用化。
好，假如你理解到这一层，我相信你已然赶超了99.9%以上的人。
假如你还想理解更多，这么你的下一个问题自然就是：潘建伟、陈宇翱、徐飞虎等人是怎样实现“没有量子储存的量子中继”的？
好吧，真正才能关心到这个层面的听众都是专家了。你既然是专家，这么我多讲些术语也是正常的喽？
基本的回答是：发送方Alice和接收方Bob各自形成M组纠缠对，之后通过量子中继联接上去。我们可以把这M组纠缠对画成M行横线。
在原先的方案中，Alice的每一个纠缠对只和Bob的属于同一行的纠缠对完善联接，也就是说总共只完善M个联接。
而在新方案中，Alice的每一个纠缠对都和Bob的属于所有行的纠缠对完善联接，也就是说总共建立了M的平方个联接。用术语说，这称作构建了一个“图态”（graphstate）。
《没有量子储存的量子中继》
这样做的益处，就是取消了对量子储存的需求。这样做的代价，就是要付出更多的努力去构建纠缠。因而，这是不是让量子中继显得更容易造下来了，都还不能确定。无论采取哪些技术路线，实用的量子中继估计还须要10年或更长的时间才能出现。
《没有量子储存的量子中继》
但这项工作的意义在于，确实提出了另一种可行的思路。最终的结果可能是新方案，也可能是老方案，还可能是新老方案的某种联用。无论怎样，多一个值得探求的方向总是十分有价值的。因而，这篇文章才能发表在《自然·光子学》这样的顶尖刊物上，说明它的重要性得到了公认。
不过，通过以上的剖析，你已然可以明白：这是一项远景性质的工作，对当前的实用并没有影响。事实上，当前我们的量子通讯网路早已有中继可以用，就是可信中继。其实原理上存在更好的，但也别拿豆包不当干粮啊！
好，假如你理解到这一层，我相信你已然赶超了99.99%以上的人。
最后，有一个常常看到的问题值得回答一下：既然敌军功击沪宁干线的中继站就可以窃密，这么沪宁干线还有哪些意义呢？事实上，有不少人就借此为由，声称沪宁干线完全没用，甚至是一场骗子，吆喝潘建伟等人是骗局。
回答是：沪宁干线如何样，要看你跟谁比。假如跟理想的用量子中继的量子通讯线路比，其实是不如，但问题不就是这理想的还没造下来吗？
之后，假如跟现有的其他密码技术比较，你才能理解沪宁干线与可信中继的优势了。这儿的关键在于，保密通讯要解决的是信息传输的问题，而可信中继要解决的是信息储存的问题。
其实，储存是传输的前提。你要安全地传一个信息，就必须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，那还谈哪些传输的问题？
因而，对可信中继的要求，完全是一个合理的要求。在一条线路上逼抢一个孤立的站点，这应当是你完全能做到的。假如你连这个都做不到，那你无论用哪些保密通讯的方式都是白扯。而假如你能做到这个合理的要求，这么可信中继才能让你在很长的距离上实现量子保密通讯。
你若果想了解量子保密通讯的原理，这么欢迎去看我的文章《你完全可以理解量子信息》。在这儿，我们只是说明一点：量子密码术实现的安全性，称作“无条件安全性”（），也常常被称为“绝对安全性”或“完美安全性”。这话实际的意思是，敌军虽然具有无限的估算能力，也难以破解你的密文。
有人可能会认为不可思议：如何可能存在这样的密文，敌军用无限的估算能力都不能破解？事实上，这样的密文是很容易重构的。
比如这样一个密文：它就是二补码的一位数0，而它可能对应的明文是二补码的0或则1。敌军在不晓得秘钥的情况下，只能推出这个密文0以一半的机率对应0，一半的机率对应1。之后敌军能够得到哪些呢？哪些都得不到了，由于再往下没有任何可推理的。你看，这个密文就是具有无条件安全性的。
你可能会问了：既然如此简单能够实现无条件安全性，为何密码学家还要发展出这么多复杂得多的算法呢？
回答是：无条件安全性的关键在于，秘钥要跟明文一样长，甚至更长！假如你的明文有《红楼梦》这么长，这么秘钥也须要那么长。假如秘钥比明文短，这么只要敌军的估算能力够强，就一定可以破解，也就是说，这时就不可能具有无条件安全性了。
《红楼梦》
量子密码术的技术诀窍，虽然就是借助量子力学的操作，让双方分享任意宽度的秘钥，不须要第二者的信使。为此，量子密码术可以实现无条件安全性。
而现今常用的绝大多数密码术，比如知名的RSA算法，在原理上都是基于某种物理问题的困难性。意思是，你解决了某个物理问题，比如“因数分解”，就可以破解我的密码。但这个物理问题十分困难，假如你没有某种我不晓得的巧妙算法，这么你会须要特别长的时间。在这个意义上，我的密文是安全的。
RSA密码体系的三位发明者
你们看明白了吧？基于物理问题的密码术才能达到的安全性，在本质上就是有条件的。假如敌军有无限的估算能力，就可以破解这些密码。为此，这种密码术的安全级别在本质上就高于量子密码术。
更不用说，敌军完全有可能早已找到了巧妙的解法，只是没有告诉你，——显然嘛，他干吗要告诉你呢？让你在自以为安全的情况下源源不断地泄露，对他来说不是更好吗？
如今你们可以理解，在像沪宁干线这样的长距离上实现量子保密通讯，具有多么重大的价值。假如你觉得逼抢中间那30个中继站是不可承受的负担，这么你应当想到，如果用传统密码术的话，根据同样的标准，你须要逼抢的就不只是中继站了，而是2000公里的整条线路！由于传统密码术的密文是可以破译的！所以敌军在任何一点领到密文，都可以窃密！
如今，你明白这些说沪宁干线用了可信中继所以就没用的，是如何回事了吧？那些人是有意或无意地用了双重标准量子通讯储存，对无条件安全的量子密码术觉得储存的要求不可接受，对传统密码术却认为有条件安全就够用了。这纯粹是头脑不清醒嘛。
好，假如你理解到这一层，我相信你已然赶超了99.999%以上的人！如今，你是不是倍感自己的思维层次都上升了呢？
欢呼窃喜