5·17系列活动 | 清华大学龙桂鲁：量子直接通信有望进入实际应用

量子通信作为以量子态为信息载体的革命性技术，其重要性在于利用量子态的不可克隆性从根本上保障通信安全，能实时感知和阻止窃听，使窃听者得不到密文，从而消除了传统加密可能被破解的隐患，还可抵御量子计算带来的密码安全威胁。量子隐形传态等技术是构建量子互联网的基石，在工业互联网、卫星通信等场景具有重要的应用前景。量子通信对国家安全、科技竞争和未来通信技术变革具有战略意义。

5月17日，“世界电信和信息社会日主题活动”在江西南昌举办，清华大学教授，北京量子信息科学研究院副院长龙桂鲁以《量子通信——通信家庭的新成员》为题发表演讲，他表示：“量子通信是以量子态为信息载体的革命性技术，自1984年量子密钥分发概念提出以来，历经四十载探索，已形成五个核心技术体系。量子直接通信是信息安全的‘特种兵’，在没有窃听时才进行通信。它不仅有一定的隐身功能，还能实现安全可靠的通信，是一个新的网络安全工具。”

清华大学教授，北京量子信息科学研究院副院长 龙桂鲁

在传统通信中，密码安全依赖于算法复杂度，使得窃听者看不懂来保护信息安全。而量子通信就是利用量子性质来感知窃听，使得窃听者看不见来保证信息的安全，它是新的网络安全技术。

量子密钥分发技术：

用量子态协商安全的密钥

量子密钥分发利用量子的测量改变状态和不可克隆等性质，使用量子态传输随机数，从而协商出安全的密钥，用于后续的信息加密，实现理论上绝对安全的加密通信。

龙桂鲁介绍量子密钥分发（QKD）是最早研究的量子通信技术。虽然早期研究者曾尝试将信息直接加载于量子信号，但因为投稿论文被拒而转向研究传输随机数的量子密钥分发。用户可以判断用量子态传输的随机数是否被窃听，只将在传输中没有被窃听的随机数作为加密密钥。该技术通过量子态的不可克隆性与测不准原理，实现了通信双方对窃听行为的实时感知，为信息安全筑牢防线，成为首个落地的广义量子通信协议。

你是否想象过像科幻电影中那样“隔空传物”？量子隐形传态虽不能搬运实物，却能传递量子态信息，堪称“量子搬运工”。它的核心是“量子纠缠”——两个相距遥远的粒子如同心灵相通的双胞胎，一个状态改变，另一个也会同步响应。通过预先分发纠缠粒子对，再结合经典通信，就能将一个粒子的量子态“搬运”到远方的另一个粒子上。

量子隐形传态：

量子隔空搬运

量子隐形传态是一种利用预先分布好的量子纠缠与一些经典通信的转换来传送量子态至远方位置的技术，是一种全新的通信方式。

龙桂鲁在演讲中详细展示了量子隐形传态的原理，并阐释了其运行过程：量子隐形传态借助量子纠缠实现“隔空传态”，通过预先分发纠缠态粒子，对本地粒子与目标粒子进行联合测量，并将结果传输至远端，远端粒子经操作后可复现目标粒子状态。尽管科幻中的人体传输尚不可及，但单粒子的远程传输已在实验室实现，未来将成为量子互联网的关键组网技术。

传统通信需要先加密再传输，而量子直接通信就像一条“隐秘防窥的管道”，无需额外加密即可实现安全对话。举个简单例子：你想给朋友发一条消息，先发送“半句话”（部分量子态），如果检测到有窃听，就立刻中断；如果安全，再发送“后半句”。

量子直接通信：

用量子态安全传输信息

量子直接通信突破传统加密模式，实现信息的安全直传。龙桂鲁介绍，2000年，我国团队独立提出了基于量子纠缠的直接通信协议，通过分步传输与窃听检测机制，确保通信全程安全。例如，传输中先发送纠缠光子对中的一个光子的“半句话”，检测窃听无异常后，再续传后半半句话，即使遭遇窃听，攻击者也无法获取任何信息。

此外，量子计算是分析密码算法的矛，龙桂鲁在2001年构造了量子精确搜索算法，影响至今。中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室可信计算与信息保障实验室和密码科学技术国家重点实验室撰写的《后量子对称密码的研究现状与发展趋势》一文中指出，龙桂鲁等人给出了量子搜索算法的三维表示，并利用这一表示给出了“Long算法”，这一算法可以解决Grover算法具有一定的失败概率的问题。这一工作得到了Grover的认可，并被Toyama等人证明是迄今为止最简单、最有效和参数最优的量子搜索算法。

在演讲结束时，龙桂鲁分享了我国在量子通信领域的最新成果：我国科研团队提出了单向量子直接通信理论，并成功研制出实用化系统，创造了在104.8km标准光纤通信实验测试中连续168小时、速率为2.38kbps的稳定传输纪录，量子直接通信有望从理论构想迈向实际应用阶段。

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作者：孙天

责编/版式：王禹蓉

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