并且是建设量子互联网的必需。
基于这两个诱因，
量子通讯一定会发展上去。
龙桂鲁·清华学院上海量子信息科学研究院
科学大咖讲科学|天津2021年
你们好！我是龙桂鲁，来自北大学院和上海量子信息科学研究院。明天和你们聊一聊神奇的量子通讯。
首先介绍一下哪些是通讯。通讯，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。唐代通讯处于语言文字通讯阶段，如马拉松慢跑送信，面对面的攀谈，还有烽火传信，也就是用烽火作为讯号传递军情。
▲上左：电报诞生上右：贝尔发明电话
中左：赫兹实验中右：赫兹
下左：麦克斯韦多项式下右：马克尼与无线电
近代通讯主要是电通讯阶段，有几个重要的历史风波，如：1844年英国发明家摩尔斯成功发出第一封电报；1876年贝尔发明电话；1887年赫兹发觉电磁波并否认了麦克斯韦多项式；1895年马可尼取得无线电报专利。
▲第一台笔记本
到1946年，第一台计算机在英国宾夕法尼亚学院诞生，开启了科学估算的房门，触发了更中级的通讯机制——数字通讯。
▲1989年12月，蒂姆·伯纳斯-李（-Lee）发明万维网
当代通讯是电子通讯阶段，电子通讯包括数字通讯和互联网，人们使用手机上网就属于当代通讯。
▲在香农定律中，S/N是杂讯，B是带宽，C为传输速度
图为克劳德·艾尔伍德·香农及其完善的通讯模型（下）
所有那些通讯，都满足通讯领域最伟大的科学家香农所提出的知名的香农定律。香农构建的通讯模型包括信源、发送设备、信道、接收设备和信宿，其中还有不可防止的噪音，他给出了一个噪音信道的最高可靠传输速度，即最多能传递多少信息。
▲传统保密通讯的双信道结构
不过，前面所说的通讯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，由两个通讯完成，上方信道为“密文传输”。例如滚筒式的滚轮密码：把字条缠在滚轮上，其上有文字，将它展开之后就是密文，它通过一个精典信道传过去。
这儿还有一个密码，它经过另外一个信道“密钥分发”来传输。在这儿，秘钥相当于滚筒的机型。通常来说，秘钥分发用非对称密码算法完成，例如AES（中级加密标准）和“一次一密”。所有精典密码中，只有“一次一密”被证明是绝对安全、不可破译的。
现代的密码剖析和计算机硬件的发展，对信息安全构成了严重恐吓。在2020年，有西方媒体透漏，西方集团伪装成中立国，把装有监听侧门的通讯机器借给了120多个国家，给那些国家引起了严重的信息泄漏和损失：例如在1982年美国和澳大利亚的中途岛之战中，波兰就使用了这种带有侧门的通讯机器，信息泄漏严重，最终造成战争的失败。
奇妙的量子世界
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下边这是一张人的合照，将它不断放大，看见手是厘米级，见到皮肤纹路是分米级，每次10倍放大，最后就到了微米、纳米——这个量子热学发挥作用的尺度。量子热学就是原子、分子大小的微观体系所遵守的规律。
量子神奇在哪些地方？我们从检测、量子纠缠、量子并行三个方面来看。首先，量子的检测和精典的检测完全不同，我用三条规律进行概括：结果受限、结果随机和状态改变。
上图左侧圈中带有“加号”，它表示一个光子偏振光的检测仪器。对微观体系来讲，我们测得的光子偏振光最多只有两个结果，而精典的检测则可以有多个结果。例如这个“加号”测量仪器，水平的进去之后，下来的还是水平；垂直的进去之后，下来的还是垂直。这些情况是它本征态特有的状态，前后没有改变。
然而，假若水平的进了中间这个“叉号”的检测仪器，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。
现今反斜杠的这个再进一个“加号”的检测仪器，它又会出现结果随机，对吧？有可能是水平的、也可能是垂直的。这是哪些意思呢？就是说这个水平的东西，假如中间没有被人捣乱、没有被人监听，这么再用“加号”测量的话，它应当还是水平的。并且中间假如有人监听了，并且拿了个“乘号”的检测仪器，把它状态改变了的话，那结果就有50%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。它未能在日常经验里感受，例如前面t=0这个状态，我们看见的是水平、水平加上垂直、垂直。就是说这两个光子是两种状态的叠加，不能做因式分解量子通讯的原理，这些状态就称作量子纠缠。
一侧我写了三点。第一就是说虽然分开很远，这个纠缠仍然存在。我们把这两个光子一个置于月球上，一个置于月亮上，这时侯早已拉得很开了，它们还是这些叠加状态。这些特点可以概括为“即使很远，纠缠仍在”。
第二就是要检测这些纠缠状态，必须把两个粒子置于一起检测。例如说这两个光子我可以构成四个Bell-态。如果检测是水平，那这四种状态都有可能是水平，我分不出它是从哪一个状态里面下来的。这么就是说你要把它检测下来，就必须把两个粒子放在一块儿一起检测，就能得到它的状态。假如我领到一个的话，我对这两个粒子的状态，信息是零。不像精典，假如有两个粒子，我领到了以后我晓得它一半的信息。这被称为“要想知态，须要全在”。
第三是“测量一个，坍缩关联”。对其中一个粒子进行检测，它的结果是关联的。如右边粒子是水平的，那一定晓得右侧粒子也是水平的；假如右侧粒子是垂直的，左边粒子也一定是垂直的。假如有人去监听，都会破坏这些关联，通过比较结果，就晓得有没有人动了四肢。假如我们用这些纠缠对进行保密通讯，只要不让监听者同时领到两个粒子，就可以保证信息的安全。
▲2N量级比特的信息量
2N量级的并行加速能力(260=1018)
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，在量子里可以弄成叠加态，同时把四个状态表示下来，精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次方同时表现下来。
量子并行有两大优势。首先它的信息储存量大，有2的N次方量级比特的信息量；其次，它有并行处理能力，可以同时对2的N次方个状态进行操作。
《西游记》中的孙悟空有个能耐，他拔3根毫毛一吹就弄成了3个孙悟空。而“量子孙悟空”的能耐比精典孙悟空还要大，一吹能弄成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精典计算机快的缘由：4弄成16，5弄成32，粒子数、比特数越多，并行能力就越大，能力就越强。
▲量子估算量子通讯量子精密检测
借助量子体系，可以进行信息的处理、传输和提取检测，这就是量子信息。其中包括三大领域：量子估算和量子计算机、量子通讯和量子精密检测，例如说导弹用的原子钟这种。这种就可以比精典的要快好多、精密很多、安全很多。
严重恐吓信息安全的量子估算
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1980年，和Manni分别提出了量子估算的概念；1982年，诺贝尔奖获得者提出了模拟量子体系的量子计算机；1985年，强调量子估算的概念是确切的，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构建上去了。
▲1980-1994，提出构建概念和自由探求的，Manin，，
1994年前，你们都在靠自由探求做基础研究。1994年和1996年，分别出现了两个重要算法：Shor算法和算法。
▲PWShor（左）Lov（右）
Shor算法是做一个大数分解。在精典估算里大数分解很难，一个300位的大数，假如每秒运算10的12次方次，用传统计算机来做须要15万年，而量子计算机只要一秒。大数分解是现今密码学的基础，这震惊了整个密码界。
另外一个是提出的无序数据库搜索。搜索一个庞大样本的数据库，假如用精典计算机须要2万年，用同样速率的量子计算机只须要一秒，这个算法对对称密码构成恐吓。
这两个算法是一项重大突破，促使量子计算机一下成为全世界的研究热点。
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算法。算法原先只有180°，我们把它换成一个任意的角度。我们发觉，这两个任意角度必须相等、相位匹配。
根据图上公式取这个角度，才能让搜索的成功率达到100%。后来就有人把这个算法叫龙算法，或则是叫/Long算法。量子估算提出人还有都在她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，并且是最简单的。
我们如今可以总结一下：在量子算法取得突破以后，假如有了量子计算机，现有的秘钥分发的非对称密码算法将不再安全，将对现今的保密安全产生了严重的恐吓。
2016年之后，量子计算机的硬件也开始出现突破征兆。当初IBM推出了5比特的量子估算云平台，几个知名的国际大公司步入量子计算机的研究行列参与竞争。
2019年，微软宣布在53比特超导量子计算机上用200秒完成超级计算机1万年的估算量，表现出量子计算机强悍的能力。
2021年9月，中国科学技术学院等多家院校院所实现了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，上海量子院研发了503毫秒的量子比特，这是全世界寿命最长的超导量子比特。为此，我国在量子估算方面也是很先进的，处在第一梯队中。
▲采用新的秘钥分发方式
量子计算机对我们的传统保密通讯产生了恐吓，主要是在秘钥分发这个阶段。这个问题有两种解决方式：第一，采用量子通讯的方式，把精典的秘钥分发换成量子秘钥分发；还有一个就是发展精典密码算法，使它还能抵抗量子计算机的功击。
目前日本NIST在主导精典抗量子密码的制订标准，在2020年早已进行到第3轮，有了7种候选算法。但精典算法有一个缺陷，它只能证明现今还没有找到破译的方式，但不能证明破译这种算法的方式不存在。
为此NIST的首席科学家Moody表示：我们之所以选用不同的方式，就是要防治之后有人破译了其中一种。
量子通讯，能做到吗？
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接出来聊聊量子通讯。从严格的定义上，量子通讯跟精典通讯是不一样的，它是广义的。联通量子态完成的任务都称作量子通讯，而精典通讯是信息的传输。从精典通讯的意义上来说，量子美钞、量子秘钥分发、量子密集编码等都不是通讯。
在上图的六种量子通讯上面，我觉得最主要的是两种：量子秘钥分发和量子直接通讯。其中量子秘钥分发研究最多，也是离实用近来的；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讯。
1984年，首个量子秘钥分发合同由德国人和荷兰人提出。双方协商一个随机数，选购后确认没有监听、是安全的，就把这个随机数作为秘钥，再用于精典加密。目前在研究方面，中国在国际处于领先地位。2009年，中科大郭光灿教授团队在合肥构建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讯的可行性实验，王巍教授团队证明了在3.6万公里做量子秘钥分发的量子通讯是可行的。
▲传统保密通讯的双信道结构
保密通讯是双信道结构，有没有可能不用双信道，就用一条信道实现可靠通讯、安全通讯、保密通讯呢？答案是可以的，这就是我们的量子直接通讯。
▲龙桂鲁（左）刘晓曙（中）邓易方达（右）
2000年，我和我的博士生刘晓曙提出了第一个合同；2003年，我俩及另外一位博士生邓易方达提出第二个合同，这两个合同都是基于纠缠的。第三个合同是我和邓易方达2004年提出来的，该合同基于单光子。
▲基于量子直接通讯的保密通讯
这是最早的三个量子直接通讯的合同。有了量子直接通讯，保密通讯就是一条结构，一条信道的结构，而不是双信道结构了。
它有四个特征：第一，既可靠又安全；第二，精典通讯实现的是香农理论，而量子直接通讯实现的是维纳搭线信道理论；第三，它既可发觉监听，又可制止监听；第四，它的用途广泛，非常是在网路的结构中更有优势。
量子直接通讯为何不用加密就可以进行安全通讯？
这是第一个合同，它就是借助纠缠对。只要不让监听人同时领到两个纠缠对，才能保证它的安全。我们直接把信息加载在EPR对里面，为了不让监听的人领到，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，插入几个监听的光子对做检测，再比对一下，这样我们才能发觉有没有监听。确认在第一队传输的时侯监听者没有领到后，我们再把另一个传过去。把两个都领到了之后置于一起检测，就可以得到信息了。这样就实现了可靠和安全通讯。
日本皇家工程院的教授评论说：量子直接通讯发展了通讯的理论和密码学，把香农理论保证的噪音信道下的可靠通讯提升了一个更高的层次，为既有噪音又有监听的信道下的可靠和安全通讯。
这张图中红色部份是香农理论保证的精典通讯，是噪音信道下的可靠通讯。有量子直接通讯后，现今即有噪音，还有监听，依然可以进行可靠和安全的通讯。
距离实用化的量子通讯还有多远？
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昨天说了原理，这么量子直接通讯现今发展到哪些地步了？上面我们讲了QKD（量子秘钥分发）的情况，这儿注重介绍一下量子直接通讯的情况。另外，从精典通讯的意义来讲，量子直接通讯就是通讯，而不仅仅是秘钥分发。
2016年以来，复旦学院和上海量子院的联合团队合作，提出了5种关键技术，解决了量子直接通讯实用化中的一些关键困局。这种技术包括：完成定量安全性剖析、高损信道编码、无量子储存方案、掩膜增容技术以及双向传输合同。
有了技术之后，我们在2020年研发出国际上第一台实用化的量子直接通讯样机，在当初的中关村峰会作为重大成果发布。2021年的国务院新闻发布会上，上海市副书记、秘书长靳伟在谈到上海原创成果科技能力时，把量子直接通讯作为四个世界级重大原创成果之一做了介绍。
网路方面，在2021年，北京交通学院陈险峰院士和湖南师范学院李渊华院士的团队实现了15个用户的量子直接通讯网路，这造成了很大的关注。
在使用这种通讯技术的时侯，一个最关键的技术是组网。在现有的情况下，假如要实现更远距离的量子通讯，就要有量子中继和量子储存。
▲安全中继量子网路
现今还没有量子储存，这使它的应用遭到了限制。我们提出了安全中继，把量子直接通讯和精典密码结合上去。借助量子直接通讯传输精典密码加密的东西，在精典中继这个环节有精典密码保护。这样我们可以在整个网路里组网，网路中任意两个端点都可以进行安全通讯。于是就可以在现有条件下组量子的网路，仍然到之后有了量子中继，依然可以并行使用。
▲左：量子网路法国方案（etal.,,303(2018)）
右：量子网路上海方案（龙桂鲁、薛其坤等，2020）
左侧是量子网路亚洲方案，在没有量子中继通讯的情况下，可以做一些基本原理的研究，但无法大范围使用。左侧就是我们提出的量子网路上海方案，把白色部份加进去了之后，如今就可以组网。它具有SDCA的特性，可以用“山东南航”来记。S是端对端的安全性，D是对现有网路降低了监听感知，C是与现有网路完全兼容，A就是将来有了量子互联网之后，依然可以并行使用。
广州市在2021年11月3日发布了《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》，明晰提出重点支持举办量子信息前沿基础研制，将建成基于安全中继的城际量子示范网路。
下边我做一下展望。2021年年初，包括张平教授、科大学外籍教授VHPoor、工程院外籍教授沈学民等在内的50名国外外知名通讯专家提出了6G蓝皮书。她们这样谈到：假若量子通讯能全面发展上去，它将在下一代安全通讯方面发挥出巨大的潜力。
▲经典通讯专家开始关注QSDC的潜力
假如我们将来可以把量子安全中继真正发展上去，在六年二六年之后进行组网，将基于安全中继、量子中继的城际量子网路，星地量子网路与星际量子网路组合在一起，之后把量子计算机、量子传感器系统、量子通讯的用户都联接上去，构成一个全球量子网路，就可以实现全球没有死角的安全通讯。
全球量子网路建设思路
量子计算机可以实现算力重组倍增量子通讯的原理，提高估算能力；量子传感器的互联和预警可以尽快发觉火情等水灾。形成全球量子网路，才能实现单个量子计算机、单个传感器无法实现的一些功能。
在这个建设过程当中，关键的环节就是量子通讯。量子通讯目前最大的作用可能是保密通讯，与精典保密通讯密码通讯产生互补。精典通讯靠物理，让你领到了之后看不懂，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，安全通讯的须要。
第二，它还是建设量子互联网的须要。将来有了量子计算机，有了量子传感器要组网的话，一定要有量子通讯的手段。基于这两个诱因，量子通讯将来一定会发展上去。
在这儿也谢谢中国科大学、中国工程院、科技部、教育部、基金委、北京市还有复旦学院的支持。
感谢你们！
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