2025年春節(jié)之后，我國(guó)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(dòng)畫電影、量子通信領(lǐng)域勇奪多個(gè)全球第一！

　　從人工智能領(lǐng)域的DeepSeek達(dá)到全球算力第一，到動(dòng)畫電影領(lǐng)域的《哪吒2》拿下全球動(dòng)畫電影票房榜TOP1，再到100%國(guó)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(jì)錄，這些一個(gè)又一個(gè)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(zhǎng)、清華大學(xué)教授龍桂魯教授近日剛在國(guó)際知名期刊Science Advances上發(fā)表論文，借此契機(jī)，量子前哨對(duì)龍桂魯教授進(jìn)行了獨(dú)家專訪，他為我們對(duì)源于中國(guó)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(gè)發(fā)展歷程進(jìn)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(shí)年 38 歲的清華大學(xué)教授龍桂魯則提出了一個(gè)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(duì)“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(gè)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(gè)終端傳輸?shù)搅硪粋€(gè)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(shí)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(tuán)隊(duì)在國(guó)際上提出了第一個(gè)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(guó)、文凱等人探討了如何利用量子媒介實(shí)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(guó)內(nèi)多所高校的科研團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)，不僅驗(yàn)證了量子直接通信的可行性，還為后續(xù)的實(shí)用化研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　在回顧量子直接通信的發(fā)展歷程時(shí)，龍桂魯教授特別強(qiáng)調(diào)了北京量子信息科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱“北京量子院”）的成立對(duì)推動(dòng)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(qiáng)大的平臺(tái)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(gè)里程碑式的突破：

　　針對(duì)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(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新解決方案：利用事先共享的密鑰對(duì)光量子態(tài)加密。利用量子態(tài)來檢測(cè)竊聽，若未檢測(cè)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(xiàn)，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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到設(shè)備研制，均由國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，其核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)完全由我國(guó)掌握，是100% 國(guó)產(chǎn)化的科研成果，不僅展現(xiàn)了我國(guó)在關(guān)系國(guó)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(guó)在全球量子科技競(jìng)爭(zhēng)中贏得了標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)。

　　“中國(guó)血統(tǒng)”的量子直接通信

　　在量子通信領(lǐng)域，龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)用25年的時(shí)間，走出了一條獨(dú)屬于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)從“提出”到“領(lǐng)跑”的康莊大路。

　　國(guó)際上首個(gè)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(tuán)隊(duì)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(guó)原創(chuàng)。龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)提出的“兩步協(xié)議”，為量子直接通信奠定了堅(jiān)實(shí)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(duì)任何數(shù)學(xué)算法的依賴。此次在104.8km標(biāo)準(zhǔn)光纖通信實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)168小時(shí)、速率為2.38k bps的穩(wěn)定傳輸，首次證明其可獨(dú)立支撐城域安全通信網(wǎng)，成為“一站式”的國(guó)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、再到網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的跨越。中國(guó)團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的研究尤為突出，推動(dòng)了量子直接通信向?qū)嵱没~進(jìn)。

　　龍桂魯教授強(qiáng)調(diào)，量子直接通信借助量子態(tài)實(shí)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(jiǎn)化管理流程以及隱蔽傳輸?shù)任宕筇匦?。在信息安全日益重要的?dāng)下，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(gè)詞。竊聽會(huì)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(chǎng)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(huì)立即停止當(dāng)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(jìn)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(hào)都損失了。在量子直接通信中，丟失的信號(hào)和接收到的信號(hào)有關(guān)聯(lián)，這嚴(yán)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(tuán)隊(duì)采用了掩膜增容技術(shù)（INCUM），用本地隨機(jī)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(jìn)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(duì)竊聽感知有特別需求的保密通信，以及保護(hù)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(gè)新工具。在應(yīng)用場(chǎng)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(guó)防等對(duì)安全性要求較高的場(chǎng)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(dá)的通信脈絡(luò)，為中國(guó)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(jiǎn)介

　　龍桂魯，清華大學(xué)教授，國(guó)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(zhǎng)，中國(guó)通信學(xué)會(huì)量子通信委員會(huì)主任，美國(guó)和英國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士，IUPAP 量子科技工作組委員，世界經(jīng)濟(jì)論壇未來委員會(huì)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(guó) Sussex 大學(xué)做博士后研究。長(zhǎng)期從事量子信息研究，提出了量子直接通信理論，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制國(guó)際首臺(tái)樣機(jī)和實(shí)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(duì)偶量子計(jì)算范式。共發(fā)表 SCI 論文 500 余篇，Google Scholar 引用 30000 余次。獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)饒毓泰物理獎(jiǎng)、中國(guó)通信學(xué)會(huì)科技一等獎(jiǎng)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)科技一等獎(jiǎng)、IBM 全球杰出學(xué)者獎(jiǎng)和湯森路透卓越研究獎(jiǎng)等。

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