2025年春節(jié)之后,我國在科技創(chuàng)新與文化產(chǎn)業(yè)連續(xù)取得一系列里程碑式成果突破,并在人工智能、動畫電影、量子通信領(lǐng)域勇奪多個全球第一!
從人工智能領(lǐng)域的DeepSeek達到全球算力第一,到動畫電影領(lǐng)域的《哪吒2》拿下全球動畫電影票房榜TOP1,再到100%國產(chǎn)化的量子直接通信技術(shù)創(chuàng)下百公里量子直接通信速率世界紀錄,這些一個又一個的“No.1”告訴我們,這些重大突破無一不源自于文化自信和自主創(chuàng)新!
北京量子信息科學(xué)研究院副院長、清華大學(xué)教授龍桂魯教授近日剛在國際知名期刊Science Advances上發(fā)表論文,借此契機,量子前哨對龍桂魯教授進行了獨家專訪,他為我們對源于中國的量子直接通信(Quantum Secure Direct Communication,QSDC)技術(shù),從理論構(gòu)想如何成功邁向?qū)嶋H應(yīng)用階段的整個發(fā)展歷程進行了權(quán)威解讀。
范式是用來打破的
2000年,量子通信的前景初見端倪,全球研究熱度很高。在這一背景下,時年 38 歲的清華大學(xué)教授龍桂魯則提出了一個大膽的創(chuàng)新設(shè)想:
“除了使用量子態(tài)來分發(fā)密鑰以外,能不能直接用量子態(tài)傳輸信息?”龍桂魯教授的設(shè)想來源于對“量子糾纏態(tài)”的深度思考:“既然量子態(tài)不可分割、不可復(fù)制,是不是可以將信息直接編碼在量子態(tài)上?”
這一極具前瞻性的設(shè)想打破了固有范式,為量子通信開辟了一個全新的研究方向:量子直接通信。
量子直接通信是用量子態(tài)直接傳送信息的一種新型通信方式,能夠直接利用量子態(tài)將信息秘密地從一個終端傳輸?shù)搅硪粋€終端,傳統(tǒng)通信關(guān)心的是信息在噪聲信道下的可靠傳輸,本身不解決信息的安全問題;量子直接通信則實現(xiàn)了在既有噪聲又有竊聽的信道下信息的可靠和安全通信。
圖1 龍桂魯教授講解量子直接通信原理
2000年,龍桂魯團隊在國際上提出了第一個量子直接通信的物理模型———兩步量子通信方案,開拓了量子直接通信這一新的量子通信研究方向。
2007年,龍桂魯教授和鄧富國、文凱等人探討了如何利用量子媒介實現(xiàn)可重復(fù)使用的一次性密碼本(Vernam Cipher),并提供了兩種明確的協(xié)議和相關(guān)的安全性證明。
2016-2017 年,國內(nèi)多所高校的科研團隊通力合作,分別完成了龍桂魯教授提出的“基于單光子”和“基于糾纏態(tài)”的量子直接通信協(xié)議的原理演示實驗,不僅驗證了量子直接通信的可行性,還為后續(xù)的實用化研究打下堅實基礎(chǔ)。
在回顧量子直接通信的發(fā)展歷程時,龍桂魯教授特別強調(diào)了北京量子信息科學(xué)研究院(簡稱“北京量子院”)的成立對推動量子直接通信技術(shù)突破的關(guān)鍵作用。他指出,北京量子院打破了傳統(tǒng)科研體系的“三堵墻”,即不同單位之間的壁壘、不同專業(yè)行業(yè)的隔閡、產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)的壁壘,為量子直接通信的快速發(fā)展提供了強大的平臺支持。
正是在這種科研生態(tài)下,量子直接通信技術(shù)迎來了多個里程碑式的突破:
針對單向協(xié)議可能遭受竊聽而泄露信息的問題,龍桂魯教授團隊提出了創(chuàng)新解決方案:利用事先共享的密鑰對光量子態(tài)加密。利用量子態(tài)來檢測竊聽,若未檢測到竊聽,則重復(fù)使用共享密碼繼續(xù)通信,即使遭遇竊聽,仍能確保信息本身的安全。龍桂魯教授還特別提到,北京玻色量子創(chuàng)始人、CEO 文凱在這方面做出了突出貢獻,提供了在無損耗的信道下單向量子直接通信的安全性證明。
可以說,量子直接通信從理論提出、技術(shù)研發(fā)、實驗驗證到設(shè)備研制,均由國內(nèi)科研團隊獨立完成,其核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)完全由我國掌握,是100% 國產(chǎn)化的科研成果,不僅展現(xiàn)了我國在關(guān)系國家信息安全命脈的量子通信領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力,也為中國在全球量子科技競爭中贏得了標準話語權(quán)。
“中國血統(tǒng)”的量子直接通信
在量子通信領(lǐng)域,龍桂魯教授團隊用25年的時間,走出了一條獨屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)從“提出”到“領(lǐng)跑”的康莊大路。
國際上首個量子直接通信的理論模型———兩步量子通信方案是在2000年由龍桂魯教授團隊提出,開拓了這一全新的領(lǐng)域,因此該方案從理論到編碼方式,均為中國原創(chuàng)。龍桂魯教授團隊提出的“兩步協(xié)議”,為量子直接通信奠定了堅實的理論基石。
圖2 龍桂魯教授講解量子直接通信與量子通信網(wǎng)絡(luò)
單向量子直接通信直接利用量子態(tài)傳輸信息,通信與加密同步完成,擺脫了對任何數(shù)學(xué)算法的依賴。此次在104.8km標準光纖通信實驗測試中,龍桂魯教授團隊實現(xiàn)了連續(xù)168小時、速率為2.38k bps的穩(wěn)定傳輸,首次證明其可獨立支撐城域安全通信網(wǎng),成為“一站式”的國產(chǎn)量子通信工具。
龍桂魯教授介紹,與2022年的系統(tǒng)相比,此次速率提升了4760倍,極大地提升了量子直接通信的性能。這也意味著量子直接通信已接近滿足城域量子通信網(wǎng)絡(luò)的部署需求。
量子直接通信是劑“特效藥”,實用潛力巨大
25年來,量子直接通信經(jīng)歷了從理論模型到實驗驗證、再到網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的跨越。中國團隊在該領(lǐng)域的研究尤為突出,推動了量子直接通信向?qū)嵱没~進。
龍桂魯教授強調(diào),量子直接通信借助量子態(tài)實現(xiàn)安全通信,具有竊聽感知、阻止竊聽、兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、簡化管理流程以及隱蔽傳輸?shù)任宕筇匦浴T谛畔踩找嬷匾漠斚?,量子直接通信為保障信息傳輸安全提供了全新解決方案。
在采訪的過程中,龍桂魯教授反復(fù)提及“誤碼率”這個詞。竊聽會改變量子態(tài),從而使得誤碼率大幅上升。
圖3 龍桂魯教授現(xiàn)場演示第二代量子直接通信系統(tǒng)
一方面,我們可以根據(jù)誤碼率判斷是否有人竊聽。在量子直接通信的過程中,一旦發(fā)現(xiàn)誤碼率增大,就會立即停止當前量子通信。為了保證通信的順利,可以采用其他路線繼續(xù)量子通信,或者直接在光纖網(wǎng)絡(luò)里轉(zhuǎn)換到經(jīng)典加密通信。如果傳輸?shù)恼`碼率在允許范圍,就是無人竊聽,可以繼續(xù)通信。量子通信并非想象的那樣脆弱,一竊聽就中斷,而是允許一定的竊聽,只要誤碼率不高于11%,就可以進行通信。
另一方面,我們還可以根據(jù)誤碼率來分析信道容量。龍桂魯教授比喻說,誤碼率可以將其看作信息所行駛的公路,公路的“誤碼率”很高,就像越多的堆積物品阻擋道路,導(dǎo)致能通車的信道變窄。因此,誤碼率越高,信道的容量越低。
量子態(tài)傳輸中損耗大,如在光纖中傳輸50公里,90%的信號都損失了。在量子直接通信中,丟失的信號和接收到的信號有關(guān)聯(lián),這嚴重地降低了量子直接通信的容量。為解決這一問題,龍桂魯教授團隊采用了掩膜增容技術(shù)(INCUM),用本地隨機數(shù)掩蓋接收端沒有收到的量子態(tài),隔斷其與接收到的量子態(tài)的關(guān)聯(lián),使竊聽者無法從其中獲取任何信息,進而提高了信道容量。
龍桂魯教授向量子前哨記者表示,量子直接通信是一劑 “特效藥”,而非萬能藥。它可應(yīng)用于對竊聽感知有特別需求的保密通信,以及保護使用者的隱秘通信等領(lǐng)域,為龐大的信息安全工具庫增添一個新工具。在應(yīng)用場景方面,量子直接通信可用于金融領(lǐng)域、能源電力行業(yè)、政府與外交領(lǐng)域、軍事國防等對安全性要求較高的場景。
我們有理由相信,隨著量子中繼、集成光學(xué)等技術(shù)的突破,量子直接通信有望成為未來量子安全互聯(lián)網(wǎng)的核心組件,構(gòu)成安全、暢達的通信脈絡(luò),為中國的通信自主權(quán)提供更為牢不可破的新堡壘。
龍桂魯教授簡介
龍桂魯,清華大學(xué)教授,國家杰出青年基金獲得者,北京量子信息科學(xué)研究院副院長,中國通信學(xué)會量子通信委員會主任,美國和英國物理學(xué)會會士,IUPAP 量子科技工作組委員,世界經(jīng)濟論壇未來委員會委員,AAPPS Bulletin 主編。山東大學(xué)理學(xué)學(xué)士(1982),清華大學(xué)理學(xué)博士(1987)。1987 起在清華大學(xué)從教,1989-1993 在英國 Sussex 大學(xué)做博士后研究。長期從事量子信息研究,提出了量子直接通信理論,率領(lǐng)團隊研制國際首臺樣機和實用化系統(tǒng),并成功試用;構(gòu)造了量子精確搜索的龍算法;提出了對偶量子計算范式。共發(fā)表 SCI 論文 500 余篇,Google Scholar 引用 30000 余次。獲國家自然科學(xué)二等獎、中國物理學(xué)會饒毓泰物理獎、中國通信學(xué)會科技一等獎、中國電子學(xué)會科技一等獎、IBM 全球杰出學(xué)者獎和湯森路透卓越研究獎等。
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