当拿手破解暗码的量子计算机，遇上永久不会被破解的量子通讯

发布时间：2025-04-26　点此：271次

龙桂鲁 ·清华大学教授北京量子信息科学研讨院副院长

咱们好！我是龙桂鲁，来自清华大学和北京量子信息科学研讨院。今天和咱们聊一聊奇特的量子通讯。

首要介绍一下什么是通讯。通讯，简略的说便是信息的传输，把信息从一个当地传到别的一个当地。古代通讯处于语言文字通讯阶段，如马拉松跑步送信，面临面的攀谈，还有烽烟传信，也便是用烽烟作为信号传递军情。

上左：电报诞生上右：贝尔创造电话

中左：赫兹试验中右：赫兹

下左：麦克斯韦方程下右：马克尼与无线电

近代通讯主要是电通讯阶段，有几个重要的历史事件，如：1844年美国创造家摩尔斯成功宣告榜首封电报；1876年贝尔创造电话；1887年赫兹发现电磁波并证明了麦克斯韦方程；1895年马可尼获得无线电报专利。

榜首台电脑

到1946年，榜首台核算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，敞开了科学核算的大门，触发了更高档的通讯机制——数字通讯。

1989年12月，蒂姆·伯纳斯-李（TimBerners-Lee）创造万维网

今世通讯是电子通讯阶段，电子通讯包含数字通讯和互联网，人们运用手机上网就归于今世通讯。

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·香农及其树立的通讯模型（下）

一切这些通讯，都满意通讯范畴最巨大的科学家香农所提出的闻名的香农定理。香农树立的通讯模型包含信源、发送设备、信道、接纳设备和信宿，其间还有不行避免的噪声，他给出了一个噪声信道的最高牢靠传输速率，即最多能传递多少信息。

传统保密通讯的双信道结构

不过，上面所说的通讯只管信息的牢靠传输，不论信息的安全性，安全性要靠暗码完结。上图是一个双信道结构，由两个通讯完结，上方信道为“密文传输”。比方滚筒式的滚轮暗码：把纸条缠在滚轮上，其上有文字，将它打开今后便是密文，它经过一个经典信道传过去。

这儿还有一个暗码，它经过别的一个信道“密钥分发”来传输。在这儿，密钥相当于滚筒的类型。一般来说，密钥分发用非对称暗码算法完结，比方AES（高档加密规范）和“一次一密”。一切经典暗码中，只需“一次一密”被证明是必定安全、不行破译的。

现代的暗码剖析和核算机硬件的展开，对信息安全构成了严峻要挟。在2020年，有西方媒体泄漏，西方集团伪装成中立国，把装有偷听后门的通讯机器卖给了120多个国家，给这些国家造成了严峻的信息走漏和丢失：比方在1982年英国和阿根廷的马岛之战中，阿根廷就运用了这些带有后门的通讯机器，信息走漏严峻，终究导致战役的失利。

美妙的量子世界

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下面这是一张人的相片，将它不断扩大，看到手是分米级，看到皮肤纹理是厘米级，每次10倍扩大，最终就到了微米、纳米——这个量子力学发挥效果的规范。量子力学便是原子、分子巨细的微观体系所遵从的规则。

量子奇特在什么当地？咱们从丈量、量子羁绊、量子并行三个方面来看。首要，量子的丈量和经典的丈量彻底不同，我用三条规则进行归纳：效果受限、效果随机和状况改动。

上图左面圈中带有“加号”，它表明一个光子偏振的丈量仪器。对微观体系来讲，咱们测得的光子偏振最多只需两个效果，而经典的丈量则能够有多个效果。比方这个“加号”丈量仪器，水平的进去今后，出来的仍是水平；笔直的进去今后，出来的仍是笔直。这种状况是它本征态特有的状况，前后没有改动。

可是，假设水平的进了中心这个“叉号”的丈量仪器，那它的效果便是随机的。它或许有两种效果：一个是斜杠的，一个是反斜杠的，这两种效果是彻底随机的。

现在反斜杠的这个再进一个“加号”的丈量仪器，它又会呈现效果随机，对吧？有或许是水平的、也或许是笔直的。这是什么意思呢？便是说这个水平的东西，假设中心没有被人捣乱、没有被人偷听，那么再用“加号”丈量的话，它应该仍是水平的。可是中心假设有人偷听了，并且拿了个“乘号”的丈量仪器，把它状况改动了的话，那效果就有50%的或许性呈现过错。总是便是三个点：效果受限、效果随机，还有状况改动。

其次，量子世界里有一个特有的性质：量子羁绊。它无法在日常经历里领会，比方上面t=0这个状况，咱们看到的是水平、水平加上笔直、笔直。便是说这两个光子是两种状况的叠加，不能做因式分化，这种状况就叫做量子羁绊。

右边我写了三点。榜首便是说即便分隔很远，这个羁绊依然存在。咱们把这两个光子一个放在地球上，一个放在月亮上，这时分现已拉得很开了，它们仍是这种叠加状况。这种特性能够归纳为“即便很远，羁绊仍在”。

第二便是要丈量这种羁绊状况，有必要把两个粒子放在一同丈量。比方说这两个光子我能够构成四个Bell-态。假设丈量是水平，那这四种状况都有或许是水平，我分不出它是从哪一个状况里面出来的。那么便是说你要把它丈量出来，就有必要把两个粒子放到一块儿一同丈量，才干得到它的状况。假设我拿到一个的话，我对这两个粒子的状况，信息是零。不像经典，假设有两个粒子，我拿到了今后我知道它一半的信息。这被称为“要想知态，需求全在”。

第三是“丈量一个，坍缩相关”。对其间一个粒子进行丈量，它的效果是相关的。如左面粒子是水平的，那必定知道右边粒子也是水平的；假设左面粒子是笔直的，右边粒子也必定是笔直的。假设有人去偷听，就会损坏这种相关，经过比较效果，就知道有没有人动了四肢。假设咱们用这种羁绊对进行保密通讯，只需不让偷听者一同拿到两个粒子，就能够确保信息的安全。

2N量级比特的信息量

2N量级的并行加快才能(260=1018)

量子世界最终一个重要的特有性质是量子并行。两个粒子能够有00、01、10、11四种状况，在量子里能够做成叠加态，一同把四个状况表明出来，经典只能表明其间一种状况。有N个粒子便是2的N次方，能够把2的N次方一同表现出来。

量子并行有两大优势。首要它的信息存储量大，有2的N次方量级比特的信息量；其次，它有并行处理才能，能够一同对2的N次方个状况进行操作。

《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，必定比1个孙悟空干活要快、要多。

这便是量子核算机比经典核算机快的原因：4变成16，5变成32，粒子数、比特数越多，并行才能就越大，才能就越强。

量子核算量子通讯量子精细丈量

运用量子体系，能够进行信息的处理、传输和提取丈量，这便是量子信息。其间包含三大范畴：量子核算和量子核算机、量子通讯和量子精细丈量，比方说潜艇用的原子钟这些。这些就能够比经典的要快许多、精细很多、安全很多。

严峻要挟信息安全的量子核算

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1980年，Benioff和Manni别离提出了量子核算的概念；1982年，诺贝尔奖获得者Feynman提出了模仿量子体系的量子核算机；1985年，Deutsch指出量子核算的概念是准确的，具有普适性，并提出了量子并行的概念。量子核算机的概念就这样树立起来了。

1980-1994，提出树立概念和自在探究的 Benioff，Manin，Feynman，Deustch

1994年前，咱们都在靠自在探究做根底研讨。1994年和1996年，别离呈现了两个重要算法：Shor算法和Grover算法。

P W Shor（左） Lov Grover（右）

Shor算法是做一个大数分化。在经典核算里大数分化很难，一个300位的大数，假设每秒运算10的12次方次，用传统核算机来做需求15万年，而量子核算机只需1秒。大数分化是现在暗码学的根底，这轰动了整个暗码界。

别的一个是Grover提出的无序数据库查找。查找一个巨大样本的数据库，假设用经典核算机需求2万年，用相同速度的量子核算机只需求1秒，这个算法对对称暗码构成要挟。

这两个算法是一项严重打破，使得量子核算机一下成为全世界的研讨热门。

咱们组从1998年开端做量子信息的研讨，榜首个作业便是改进了Grover算法。Grover算法本来只需180°，咱们把它换成一个恣意的视点。咱们发现，这两个恣意视点有必要持平、相位匹配。

依照图上公式取这个视点，就能让Grover查找的成功率到达100%。后来就有人把这个算法叫龙算法，或者是叫Grover/Long算法。量子核算提出人Benioff还有Grover都在他们的陈述里必定了咱们的作业。

在2013、2016年，有两组科学家证明，龙算法是准确优化的，并且是最简略的。

咱们现在能够总结一下：在量子算法获得打破之后，假设有了量子核算机，现有的密钥分发的非对称暗码算法将不再安全，将对现在的保密安全构成了严峻的要挟。

2016年今后，量子核算机的硬件也开端呈现打破痕迹。当年IBM推出了5比特的量子核算云渠道，几个闻名的世界大公司进入量子核算机的研讨队伍参加竞赛。

2019年，谷歌宣告在53比特超导量子核算机上用200秒完结超级核算机1万年的核算量，表现出量子核算机强壮的才能。

2021年9月，我国科学技能大学等多家高校院所完结了60超导比特的超导量核算机，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，这是全世界寿数最长的超导量子比特。因而，我国在量子核算方面也是很先进的，处在榜首队伍中。

选用新的密钥分发办法

量子核算机对咱们的传统保密通讯构成了要挟，主要是在密钥分发这个阶段。这个问题有两种处理办法：榜首，选用量子通讯的办法，把经典的密钥分发换成量子密钥分发；还有一个便是展开经典暗码算法，使它能够反抗量子核算机的进犯。

现在美国NIST在主导经典抗量子暗码的拟定规范，在2020年现已进行到第3轮，有了7种候选算法。但经典算法有一个缺点，它只能证明现在还没有找到破译的办法，但不能证明破译这些算法的办法不存在。

因而NIST的首席科学家Dustin Moody表明：咱们之所以选用不同的办法，便是要防备今后有人破译了其间一种。

量子通讯，能做到吗？

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接下来谈谈量子通讯。从严厉的界说上，量子通讯跟经典通讯是不一样的，它是广义的。移动量子态完结的使命都叫做量子通讯，而经典通讯是信息的传输。从经典通讯的含义上来说，量子钞票、量子密钥分发、量子密布编码等都不是通讯。

在上图的六种量子通讯里面，我以为最主要的是两种：量子密钥分发和量子直接通讯。其间量子密钥分发研讨最多，也是离有用最近的；还有一个便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，首个量子密钥分发协议由美国人和加拿大人提出。两边洽谈一个随机数，选择后承认没有偷听、是安全的，就把这个随机数作为密钥，再用于经典加密。现在在研讨方面，我国在世界处于领先地位。2009年，中科大郭光灿院士团队在芜湖树立了世界上榜首个量子政务网。

2016年，我国发射了世界上榜首颗量子试验卫星；2020年，我国做了榜首个高轨迹同步卫星的量子通讯的可行性试验，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，有没有或许不必双信道，就用一条信道完结牢靠通讯、安全通讯、保密通讯呢？答案是能够的，这便是咱们的量子直接通讯。

龙桂鲁（左）刘晓曙（中）邓富国（右）

2000年，我和我的博士生刘晓曙提出了榜首个协议；2003年，我俩及别的一位博士生邓富国提出第二个协议，这两个协议都是根据羁绊的。第三个协议是我和邓富国2004年提出来的，该协议根据单光子。

根据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协议。有了量子直接通讯，保密通讯便是一条结构，一条信道的结构，而不是双信道结构了。

它有四个特色：榜首，既牢靠又安全；第二，经典通讯完结的是香农理论，而量子直接通讯完结的是维纳搭线信道理论；第三，它既可发现偷听，又可阻挠偷听；第四，它的用处广泛，特别是在网络的结构中更有优势。

量子直接通讯为什么不必加密就能够进行安全通讯？

这是榜首个协议，它便是运用羁绊对。只需不让偷听人一同拿到两个羁绊对，就能确保它的安全。咱们直接把信息加载在EPR对里面，为了不让偷听的人拿到，分两步传输。榜首步咱们运用块传输技能，先把其间一个传过去，刺进几个偷听的光子对做丈量，再比对一下，这样咱们就能发现有没有偷听。承认在榜首队传输的时分偷听者没有拿到后，咱们再把另一个传过去。把两个都拿到了今后放在一同丈量，就能够得到信息了。这样就完结了牢靠和安全通讯。

英国皇家工程院的院士LajosHanzo评论说：量子直接通讯展开了通讯的理论和暗码学，把香农理论确保的噪声信道下的牢靠通讯提高了一个更高的层次，为既有噪声又有偷听的信道下的牢靠和安全通讯。

这张图中黑色部分是香农理论确保的经典通讯，是噪声信道下的牢靠通讯。有量子直接通讯后，现在即有噪声，还有偷听，依然能够进行牢靠和安全的通讯。

间隔有用化的量子通讯还有多远？

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方才说了原理，那么量子直接通讯现在展开到什么境地了？前面咱们讲了QKD（量子密钥分发）的状况，这儿侧重介绍一下量子直接通讯的状况。别的，从经典通讯的含义来讲，量子直接通讯便是通讯，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协作，提出了5种要害技能，处理了量子直接通讯有用化中的一些要害难题。这些技能包含：完结定量安全性剖析、高损信道编码、无量子存储计划、掩膜增容技能以及单向传输协议。

有了技能今后，咱们在2020年研制出世界上榜首台有用化的量子直接通讯样机，在当年的中关村论坛作为严重效果发布。2021年的国务院新闻发布会上，北京市副市长、秘书长靳伟在说到北京原创效果科技才能时，把量子直接通讯作为四个世界级严重原创效果之一做了介绍。

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完结了15个用户的量子直接通讯网络，这引起了很大的重视。

在运用这些通讯技能的时分，一个最要害的技能是组网。在现有的状况下，假设要完结更远间隔的量子通讯，就要有量子中继和量子存储。

安全中继量子网络

现在还没有量子存储，这使它的运用受到了约束。咱们提出了安全中继，把量子直接通讯和经典暗码结合起来。运用量子直接通讯传输经典暗码加密的东西，在经典中继这个环节有经典暗码保护。这样咱们能够在整个网络里组网，网络中恣意两个端点都能够进行安全通讯。所以就能够在现有条件下组量子的网络，一直到今后有了量子中继，依然能够并行运用。

左：量子网络欧洲计划（Wehner et al., Science362, 303 (2018)）

右：量子网络北京计划（龙桂鲁、薛其坤等，2020）

左面是量子网络欧洲计划，在没有量子中继通讯的状况下，能够做一些基本原理的研讨，但无法大范围运用。右边便是咱们提出的量子网络北京计划，把赤色部分加进去了今后，现在就能够组网。它具有SDCA的特色，能够用“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偷听感知，C是与现有网络彻底兼容，A便是将来有了量子互联网今后，依然能够并行运用。

北京市在2021年11月3日发布了《北京市“十四五”时期世界科技立异中心建造规划》，明确提出要点支撑展开量子信息前沿根底研制，将建成根据安全中继的城际量子演示网络。

下面我做一下展望。2021年年头，包含张平院士、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名国内外闻名通讯专家提出了6G白皮书。他们这样说到：假设量子通讯能全面展开起来，它将鄙人一代安全通讯方面发挥出巨大的潜力。

经典通讯专家开端重视QSDC的潜力

假设咱们将来能够把量子安全中继真实展开起来，在十年二十年今后进行组网，将根据安全中继、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同，然后把量子核算机、量子传感体系、量子通讯的用户都连接起来，构成一个全球量子网络，就能够完结全球没有死角的安全通讯。

全球量子网络建造思路

量子核算机能够完结算力重组倍增，增强核算才能；量子传感的互联和预警能够尽早发现火情等灾祸。构成全球量子网络，就能完结单个量子核算机、单个传感无法完结的一些功用。

在这个建造进程傍边，要害的环节便是量子通讯。量子通讯现在最大的效果或许是保密通讯，与经典保密通讯暗码通讯构成互补。经典通讯靠数学，让你拿到了今后看不懂，而量子是进一步，让你拿不到它，便是有再强才能也破解不了。这是榜首，安全通讯的需求。

第二，它仍是建造量子互联网的需求。将来有了量子核算机，有了量子传感要组网的话，必定要有量子通讯的手法。根据这两个原因，量子通讯将来必定会展开起来。

在这儿也感谢我国科学院、我国工程院、科技部、教育部、基金委、北京市还有清华大学的支撑。

谢谢咱们！

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来历：格致论道讲坛