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、量子通信領域勇奪多個全球第一！

　　從人工智能領域的DeepSeek達到全球算力第一，到動畫電影領域的《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！

　　北京量子信息科學研究院副院長、清華大學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，從理論構想如何成功邁向?qū)嶋H應用階段的整個發(fā)展歷程進行了權威解讀。

　　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 歲的清華大學教授龍桂魯則提出了一個大膽的創(chuàng)新設想：

　　“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。

　　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研究院（簡稱“北京量子院”）的成立對推動量子直接通信技術突破的關鍵作用。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、技術研發(fā)、實驗驗證到設備研制，均由國內(nèi)科研團隊獨立完成，其核心技術和知識產(chǎn)權完全由我國掌握，是100% 國產(chǎn)化的科研成果，不僅展現(xiàn)了我國在關系國家信息安全命脈的量子通信領域的自主創(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。

　　“中國血統(tǒng)”的量子直接通信

　　在量子通信領域，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)權從“提出”到“領跑”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

　　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)絡化應用的跨越。中國團隊在該領域的研究尤為突出，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、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)絡里轉換到經(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（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域，為龐大的信息安全工具庫增添一個新工具。在應用場景方面，量子直接通信可用于金融領域、能源電力行業(yè)、政府與外交領域、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、集成光學等技術的突破，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，構成安全、暢達的通信脈絡，為中國的通信自主權提供更為牢不可破的新堡壘。

　　龍桂魯教授簡介

　　龍桂魯，清華大學教授，國家杰出青年基金獲得者，北京量子信息科學研究院副院長，中國通信學會量子通信委員會主任，美國和英國物理學會會士，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。山東大學理學學士（1982），清華大學理學博士（1987）。1987 起在清華大學從教，1989-1993 在英國 Sussex 大學做博士后研究。長期從事量子信息研究，提出了量子直接通信理論，率領團隊研制國際首臺樣機和實用化系統(tǒng)，并成功試用；構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。獲國家自然科學二等獎、中國物理學會饒毓泰物理獎、中國通信學會科技一等獎、中國電子學會科技一等獎、IBM 全球杰出學者獎和湯森路透卓越研究獎等。

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