量子通信时代，窃听风云或将成为往事 | 龙桂鲁
除了破译密码，量子计算还可以应用于材料设计、药物设计、药物分析，以及气象预报等等。为了抵御量子计算机的攻击，2000年我们提出了量子直接通信，不仅可以发现窃听，而且能阻止窃听。
将来我们希望把量子计算机、量子时钟，还有量子感知互联起来，形成一个通达全球的安全通讯网络，为全国、全世界的人类服务。
2020年12月12日，“我是科学家”年度盛典现场，清华大学物理系教授、北京量子研究院兼聘研究员龙桂鲁，带来演讲《窃听不动，量子直通》。
龙桂鲁演讲视频：
以下为龙桂鲁演讲实录：
大家好，我是来自清华大学和北京量子信息研究院的龙桂鲁。我今天讲的是 《窃听不动，量子直通》。
现在量子非常火，比如说量子波动速读——读书只要拼命地翻书就行了，不用头悬梁椎刺骨地苦读，就可以记住知识点了。似乎量子科技解决了一大学习难关，但可惜这是假的、骗人的，不是真正的量子科技。
那么真正量子科技是什么？
量子材料、量子器件、量子计算、量子通信，还有量子精密测量。
什么是量子？光原子这些微观体系、微观粒子，表现出一些不连续变化的性质。这种性质就叫量子性质，而这些体系就叫量子体系。
我的研究主要是两个方面：量子计算和量子通信。
01 量子计算的核心——量子并行
2020年12月4日，量子计算机“九章”面世。超级计算机需要6亿年才能完成的工作，“九章”只要200秒，它们速度差别非常大。
什么导致的速度差异？量子并行。
我们先看看什么是经典并行。
《西游记》里孙悟空有个本事，他拔起一把毫毛，吹口气就变成了好多小孙悟空。他拔3根毫毛一吹变成3个孙悟空，3个孙悟空一块干活，肯定就比1个孙悟空干活要快。这就叫“经典并行”。
量子并行本事比这个还大。孙悟空3根毫毛这么一吹，就变成8个孙悟空；如果是4根毫毛，就变成16个孙悟空。如果是n个，就是n个2相乘。
所以量子的孙悟空的本事，远远大于经典的孙悟空，这就是为什么量子计算机快。我们看到量子计算机表面上是一台机器，实际上里面有2的n次方个计算机在计算，是“量子并行”。
02 破译密码之矛——量子计算
不过，量子计算机提出来以后，好长时间没有具体的应用。直到10多年后，来了两位武林高手：一个是舒尔（Shor），一个是格罗沃（Grover）——他们分别提出了两种量子算法。
这两个算法有什么用？
大闹天宫——大闹密码世界的天宫。密码界一共有两种算法：一个是对称算法，一个是非对称算法。
Shor去大闹了非对称算法——用他的算法加上量子计算机，能把已知的非对称密码全部推翻。
而Grover大闹了对称密码这个大厦。还好，他只是把大厦晃晃，还没推倒。那大厦要加固，把一根柱子换成两根柱子，也就是说密码长度要增加一倍，原来是64位现在换成128位，这可以抵御量子计算机的攻击。
在量子搜索算法里，我们也做了一些贡献。
1996年，Grover提出他的算法时，给出了最佳角度计算角度——180度。他提出来之后，大部分人都相信了，没人去验证到底对不对。而1998年，我们开始接触这个领域的时候，没直接听他的，决定自己做一下。
那是1998年冬天。当时我只有几千块钱，还没有自己的办公室，每个月只能花三百块钱租办公室。冬天特别冷，我和我的学生穿着大棉袄，在讨论Grover的算法。结果我们发现Grover大侠的算法有问题——180度不是最好的角度。
当时我的学生还不相信自己的结果，怕算错了，于是就给Grover发邮件。结果Grover的回信证明了我们的计算是对的。所以做科研，创新和自信都非常重要。
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”。
无论Shor也好，Grover也好，看起来都是利用量子算法来破译密码，都是搞破坏的是吧？
其实不然，除了破译密码，它还可以做其他的事情。比如说材料设计、药物设计、药物分析，以及气象预报等等，所以现在全世界各个国家都在加大力量研发量子计算机。
03 抵御量子计算之盾——量子通信
那么Shor大侠和Grover大侠大闹了密码世界，给大家吓得够呛，现在密码界都在研发新的非对称密码和加固原来的对称密码，来抵御量子计算机的攻击。
量子科技也没闲着，量子科技有量子通信，也可以抵御量子计算的攻击。目前有三种方法：1984年提出的量子密钥分发，还有1999年的秘密共享1999年，最后一个叫量子直接通信，是我和我的学生在2000年提出的。
密钥分发是先用量子信道协商密钥，再用量子信道传信息。它能发现窃听，但不能阻止窃听。而量子直通不仅可以发现窃听，而且能阻止窃听。所以说量子直接通信是——窃听不动，量子直通。
它们的区别就好像一个自行车后边带个东西，密钥分发的话，小偷去偷东西你可以看见，但是你就眼看着他把这个东西拿走了。而量子直接通信就把这个东西放在保险箱里了，小偷去偷，你不仅能发现，而且他拿不走。
过去的4年，我们克服了量子直接通信在实际应用中的一些关键技术：安全性分析估计、高损信道编码和量子存储替代等。
2020年9月19日，在中关村论坛我们发布了实用化的量子直接通信样机。在10公里的光纤内，可以做4k的保密通信，可以打电话，可以传真。
将来我们希望把量子计算机、量子时钟，还有量子感知互联起来，形成一个通达全球的安全通讯网络，为全国、全世界的人类服务。
因为作为一个科学工作者，发现和创造是有幸福感的，但我们更关心我们的研究，能不能推动学科的发展，能不能为国家为人类服务。
谢谢大家。
演讲嘉宾龙桂鲁：《窃听不动，量子直通》 | 拍摄：Vphoto
作者：龙桂鲁
监制：吴欧
策划：吴欧 麦芽杨
编辑：麦芽杨 范可鑫
排版：凝音