2022年诺贝尔物理学奖颁发给阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格三位科学家,表彰他们“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”的卓越成就。

党的二十大报告在总结十年来的重大科技创新成果时,再一次提到了量子信息。近年来,“墨子号”“九章”“祖冲之号”等一批量子信息领域的成果集中涌现,我国量子科技实现从跟跑、并跑,到部分领跑的重大历史性飞跃,量子科技发展的体系化能力正在稳步建立。

量子世界好神秘

量子力学是微观体系遵守的物理规律。比如一张人像照片,将它不断放大,看到手是分米级,看到皮肤纹路是厘米级,每次10倍放大,最后就到了微米、纳米——这个量子力学发挥作用的尺度。量子力学就是原子、分子大小的微观体系所遵循的规律。

量子世界有“三大怪”。首先,量子的测量和经典的测量完全不同,我用三条规律进行概括:结果受限、结果随机和状态改变。量子测量是结果受限,结果随机,而且状态要改变。在经典力学的世界里,物体的状态是可以被测量的,并且测量行为对被测对象的干扰可以忽略不计。

其次,量子世界里有一个特有的性质:量子纠缠。这就像如果两个纸箱中分别有黑白两只球,把它们分隔无限远。打开其中一个纸箱,发现是白球,立刻就知道另一个纸箱是黑球。如果其中一个颜色或形状发生改变,另一个就会相应改变。因为它们的性质是整体的,同时它们之间的信息传递也无关能量。

量子世界的第三怪就是量子并行。两个粒子可以有00、01、10、11四种情况,在量子里可以做成叠加态,同时把四个状态表示出来。

2022年的诺贝尔物理学奖颁发给了量子纠缠,其中有一个工作是说,他们三位证明了贝尔不等式的违背。

1969年,有四位科学家导出了一个贝尔不等式的改进公式,以他们名字的第一个字母把它写出来,就是CHSH。

2015年,荷兰和美国的科学家和安东·蔡林格做了三组实验,摘取了2022年诺贝尔物理学奖。安东·蔡林格也是潘建伟院士的导师。

两类保密通信的方法

通信的意思就是将一个信息可靠地从一个地方传到另外一个地方,大科学家香农建立的通信模型包括信源、发送设备、信道、接收设备和信宿,其中还有不可避免的噪声,他给出了一个噪声信道的最高可靠传输速率,即最多能传递多少信息。

香农公式是“在被高斯白噪声干扰的信道中,最大信息传送速率C公式”:C=B log2(1+S/N)。式中:B是信道带宽(赫兹),S是信道内所传信号的平均功率(瓦),N是信道内部的高斯噪声功率(瓦)。如果没有噪声的话,S除以N等于无穷大,这个信道可以传很多。比如相当于是一条公路,道路没有阻碍的话,传东西可以非常快。但是如果有噪声,那么这S/N就是一个有限的量,N越大,即S/N越小,它传的容量就越小。

不过,上面所说的通信只管信息的可靠传输,不管信息的安全性,安全性要靠密码实现。

我们怎么做保密?电视剧《父母爱情》里的妹妹跟她邻居说话,她小声地趴在邻居耳朵上说,这是一种保密的通信形式,优点是敌人听不到。

还有一种形式就是用加密的方式来说,他说“蛐蛐开克了”,这是东北土匪的黑话,这种就是加密的保密形式,让别人听不懂,即使听见了,也不知道你说的是什么。比如说“蛐蛐开克了”,你不看后边,这个东西别人就不知道。

它的困难就是有可能被破译,比如,二战期间德国的恩格玛密码和日本的紫密都被破译了。如果有了量子计算机,我们现在广泛使用的一种保密体系叫RSA,也都破译了。

下图是一个双信道结构,由两个通信完成,上方信道为“密文传输”。比如滚筒式的滚轮密码:把纸条缠在滚轮上,其上有文字,将它展开以后就是密文,它通过一个经典信道传过去。这里还有一个密码,它经过另外一个信道“密钥分发”来传输。在这里,密钥相当于滚筒的型号。一般来说,密钥分发用非对称密码算法完成,比如AES(高级加密标准)和“一次一密”。所有经典密码中,只有“一次一密”被证明是绝对安全、不可破译的。

现代的密码分析和计算机硬件的发展,对信息安全构成了严重威胁。在2020年,有西方媒体透露,西方集团伪装成中立国,把装有窃听后门的通信机器卖给了120多个国家,给这些国家造成了严重的信息泄露和损失。比如在1982年英国和阿根廷的马岛之战中,阿根廷就使用了这些带有后门的通信机器,信息泄露严重,最终导致战争的失败。

1980年,Benioff和Manin分别提出了量子计算的概念;1982年,诺贝尔奖获得者Feynman提出了模拟量子体系的量子计算机;1985年,Deustch指出量子计算的概念是准确的,具有普适性,并提出了量子并行的概念。量子计算机的概念就这样建立起来了。

1994年前,大家都在靠自由探索做基础研究。1994年和1996年,分别出现了两个重要算法:Shor算法和Grover算法。

Shor算法是做一个大数分解。在经典计算里大数分解很难,一个300位的大数,如果每秒运算1012次,用传统计算机来做需要15万年,而量子计算机只要1秒。大数分解是现在密码学的基础,这轰动了整个密码界。

另外一个是Grover提出的无序数据库搜索。搜索一个庞大样本的数据库,如果用经典计算机需要2万年,用同样速度的量子计算机只需要1秒,这个算法对对称密码构成威胁。

这两个算法是一项重大突破,使得量子计算机一下成为全世界的研究热点。

我们组从1998年开始做量子信息的研究,第一个工作就是改进了Grover算法。我们发现Grover算法有问题——180度不是最好的角度,后来根据我们计算出的最佳角度,不论在什么时候,这种算法的成功率都是百分之百。现在量子江湖上把这个算法叫做“Grover-龙算法”。

在2013、2016年,有两组科学家证明,龙算法是精确优化的,而且是最简单的。

在量子算法取得突破之后,如果有了量子计算机,现有的密钥分发的非对称密码算法将不再安全,将对现在的保密安全形成严重的威胁。

2016年以后,量子计算机的硬件也开始出现突破迹象。当年IBM推出了5比特的量子计算云平台,几个著名的国际大公司进入量子计算机的研究行列参与竞争。

2019年,谷歌宣布在53比特超导量子计算机上用200秒完成超级计算机1万年的计算量,表现出量子计算机强大的能力。

2021年9月,中国科学技术大学等多家高校院所实现了60超导比特的超导量子计算机,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,这是全世界寿命最长的超导量子比特。因此,我国在量子计算方面也是很先进的,处在第一梯队中。

量子通信里面,我认为最主要的是两种:量子密钥分发和量子直接通信。其中量子密钥分发研究最多,也是离实用最近的;还有一个就是我和我的博士生刘晓曙在2000年提出的量子直接通信。

中科大郭光灿院士2009年在安徽芜湖建立了世界上第一个量子政务网。2016年,我国发射了世界首颗“墨子号”量子科学实验卫星,可以千公里进行密钥的协商。

解密量子直接通信

量子通信跟经典通信是不一样的,它是广义的。经典通信只保障可靠传输,不能提供安全保护。移动量子态完成的任务都叫做量子通信,而经典通信是信息的传输。从经典通信的意义上来说,量子货币、量子密钥分发、量子密集编码等都不是通信。

量子密钥分发在传输后检测窃听,如发现窃听,信息已经丢失。因此其策略是,传送随机数,如发现被窃听,则丢弃;如没被窃听,则留作密码。

量子直接通信为什么不用加密就可以进行安全通信?第一个协议是利用纠缠对,只要不让窃听人同时拿到两个纠缠对,就能保证信息的安全。我们直接把信息加载在EPR对里边,为了不让窃听的人拿到,分两步传输。第一步我们运用块传输技术,先把其中一个传过去,插入几个窃听的光子对做测量,再比对一下,这样我们就能发现有没有被窃听。确认在第一对传输的时候窃听者没有拿到后,我们再把另一个传过去。把两个都拿到了以后放在一起测量,就可以得到信息了。这样就实现了可靠和安全通信。

这个时候有什么好处?我们可以通信,而且可以感知窃听。另外一种就是直接用一次一密加密,而不用量子态传,不用量子直接通信,而是用经典通信,这个时候速率高,但是不能更新密钥了。因为是用的经典通信,所以不能感知窃听。直到密钥池子里的密钥用光了以后,保密通信就停了。但是在这段时间可以检查链路,把窃听的因素消除掉。比如使用密钥,如果打电话,密钥池可以用好几天,应该是有足够的时间来解决问题。

量子直接通信现状

量子直接通信现在发展到什么地步了?2016年以来,清华大学和北京量子院的联合团队合作,提出了5种关键技术,解决了量子直接通信实用化中的一些关键难题。这些技术包括:完成定量安全性分析、高损信道编码、无量子存储方案、掩膜增容技术以及单向传输协议。

有了技术以后,我们在2020年研制出国际上第一台实用化的量子直接通信样机,在当年的中关村论坛作为重大成果发布。2021年的国务院新闻发布会上,北京市副市长、秘书长靳伟在提到北京原创成果科技能力时,把量子直接通信作为四个世界级重大原创成果之一做了介绍。

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实现了15个用户的量子直接通信网络,这引起了很大的关注。

在使用这些通信技术的时候,一个最关键的技术是组网。在现有的情况下,如果要实现更远距离的量子通信,就要有量子中继和量子存储。

现在还没有量子存储,这使它的应用受到了限制。我们提出了安全中继,把量子直接通信和经典密码结合起来。利用量子直接通信传输经典密码加密的东西,在经典中继这个环节有经典密码保护。这样我们可以在整个网络里组网,网络中任意两个端点都可以进行安全通信。于是就可以在现有条件下组量子的网络,一直到以后有了量子中继,仍然可以并行使用。

量子网络欧洲方案是在没有量子中继通信的情况下,可以做一些基本原理的研究,但无法大范围使用。2019年,我们和清华大学教授陆建华团队合作,成功研制了国际上第一个量子直接通信系统,实现了1.5千米光纤距离下50bps(比特率)的通信速率;2020年我们发布了世界首款实用化量子直接通信样机,实现了10千米光纤中4kbps(千比特率)的通信速率,同年又将通信距离进一步提升到了18千米。

北京市在2021年11月3日发布了《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》,明确提出重点支持开展量子信息前沿基础研发,将建成基于安全中继的城际量子示范网络。

2021年年初,包括中国工程院院士张平、中国科学院外籍院士文森特·珀尔、工程院外籍院士沈学民等在内的50名国内外著名通信专家提出了6G白皮书。他们这样提到:如果量子通信能全面发展起来,它将在下一代安全通信方面发挥出巨大的潜力。

如果我们将来可以把量子安全中继真正发展起来,在十年二十年以后进行组网,将基于安全中继、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起,然后把量子计算机、量子传感系统、量子通信的用户都连接起来构成一个全球量子网络,就可以实现全球没有死角的安全通信。

来源：《北京科技报》2023-01-02