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    学院新闻

    你完全可以理解全光量子中继 | 袁岚峰

    发布时间:2019-07-09来源于:科学传播研究与发展中心
    导读

    看到“全光量子中继”这个名字阿里体育app官网,大多数人恐怕都搞不清这个词的重点何在:是“全光”?还是“量子”?还是“中继”阿里体育app官网?而看到论文的标题《没有量子存储的量子中继》阿里体育app官网,大家就可以明白了,这项工作真正的要点是“没有量子存储”阿里体育app官网,全光就是实现没有量子存储的手段。


    2019年7月初,很多人都很开心地看到了一条貌似很高大上的新闻:中国科学技术大学在世界上首次实现“全光量子中继器”(例如http://www.xinhuanet.com//science/2019-07/04/c_138197493.htm)。


    新华网对全光量子中继的报道


    开心,同时“不明觉厉”。我相信,绝大多数读者看到这条新闻的反应都是:我连量子中继是什么都不知道,你居然在跟我说什么全光量子中继?!


    看不懂是正常的。如果这么容易就让普通人看懂了,那博士寒窗苦读十几年岂不是白读了?世界上没有这么便宜的事。


    现在,好消息来了!我可以向大家来解释这项工作。而且我相信,只要认真听,大多数听众都可以理解个八九不离十,即使不能掌握所有的细节,至少也可以理解这项成果的背景。


    为什么呢?


    因为第一,这项工作属于“量子信息”这个领域,在这个领域我写过很多科普文章,所以我知道在宏观大图景上,这项工作处于什么位置。我关于量子信息的最重要的科普文章叫做《你完全可以理解量子信息》,有4万字,你看了以后就真的可以对量子信息获得一个全面的了解了。因此按照同样的风格阿里体育app官网,本文就叫做《你完全可以理解全光量子中继》!


    第二,这篇论文发表在《自然·光子学》上,标题叫做《没有量子存储的量子中继》“Experimental quantum repeater without quantum memory”)(https://www.nature.com/articles/s41566-019-0468-5)。我仔细阅读了这篇文章阿里体育app官网,了解了许多技术细节。


    第三,这项工作是我的科大同事潘建伟院士的团队做的,两位主要负责人陈宇翱教授和徐飞虎教授都是我的朋友。通过直接向他们咨询,我了解了很多更加深入的洞察阿里体育app官网。


    事实上,这正是我做科普的一个基本的方法论:了解宏观背景,调研原始文献,然后如果有条件的话,尤其重要的是跟一线研究者进行深入沟通。这个方法论在科普之外也具有更加普遍的意义,欢迎大家领悟和应用。


    好阿里体育app官网,我们言归正传??吹健叭饬孔又屑獭闭飧雒?,大多数人恐怕都搞不清这个词的重点何在:是“全光”?还是“量子”?还是“中继”?而看到原始论文的标题《没有量子存储的量子中继》阿里体育app官网,大家就可以明白了阿里体育app官网,这项工作真正的要点是“没有量子存储”阿里体育app官网。


    就像那条著名的广告:我们的目标是,没有蛀牙阿里体育app官网!


    我们的目标是,没有蛀牙阿里体育app官网!


    因此,大家也可以明白,“全光量子中继”的重点在于“全光”阿里体育app官网,全光就是实现没有量子存储的手段阿里体育app官网。


    好,只要你理解到这一层,你就已经超越90%以上的人了阿里体育app官网。


    如果你还想理解更多,那么你的下一个问题自然就是:量子中继是什么阿里体育app官网?为什么我们希望在量子中继中去掉量子存储?


    对此的回答,就出现了一个真正出人意料的地方。传统的中继大家都很熟悉,就是通信网络中用来扩展通信距离的中继站。顾名思义,量子中继就是量子通信网络中用来扩展通信距离的中继站喽阿里体育app官网?


    然而,出人意料的是,量子通信网络的中继站并不一定要用量子中继!另一种中继也是可行的,叫做“可信中继”(trusted repeater)。也就是说,我们有两种选择阿里体育app官网,量子中继和可信中继阿里体育app官网。


    这两个名字很容易让人搞糊涂阿里体育app官网,因为它们的命名方式并不是按照同样的标准。就像最近的垃圾分类一样阿里体育app官网,干垃圾和湿垃圾后面又冒出个有害垃圾和可回收垃圾阿里体育app官网。


    垃圾分类


    那么你觉得,可信中继和量子中继哪个更好呢阿里体育app官网阿里体育app官网?


    这真是让人颇费思量阿里体育app官网。很容易感觉,可信中继更好阿里体育app官网,因为你不可能选个不可信的啊。但其实,这是一个名称造成的误解。真正的回答是:量子中继更好!


    我们来解释一下,可信中继和量子中继这两个词实际上是什么意思阿里体育app官网。


    可信中继的意思是,这个中继站在按照传统的方式储存数据,比如说用磁盘。发送方和接收方知道的所有数据阿里体育app官网,中继站也都知道。


    这样做的缺点是什么呢阿里体育app官网?数据储存在中继站阿里体育app官网,敌人就可以去偷,而且如果中继站的工作人员有内鬼,就可以泄密。因此阿里体育app官网,为了保证安全阿里体育app官网,我们就需要确保中继站是在严密监控下的,没有泄露。也就是说,“可信中继”其实是“必须通过人力来保证它可信的中继”!


    而量子中继是什么呢阿里体育app官网?量子中继干的事情,是让发送方和接收方通过它建立连接,但中继站本身并不存储数据。发送方和接收方知道的数据,中继站是不知道的。因此阿里体育app官网,这里根本就不存在数据泄露的问题。即使有内鬼,最糟也只是让量子中继不能运行,但不能偷到数据。所以量子中继是“比可信中继更可信的中继”,因为它天然就可信,不需要外力来保证!


    更加具体地说,可信中继传输的是经典的信息,而量子中继能够实现量子态的传输阿里体育app官网。因此,可信中继能干的事情,量子中继在原理上都能干,而反之则不然阿里体育app官网。两者都可以用于量子保密通信,但量子中继还可以做分布式量子计算和远程量子精密测量等应用阿里体育app官网,这些是可信中继做不到的。


    好阿里体育app官网,如果你理解到这一层阿里体育app官网,我相信你已经超越了99%以上的人。


    关于量子中继和可信中继的基本状况是:量子中继离实用还非常远,而可信中继已经在实用了。


    例如2017年9月29日,中国开通了世界第一条量子保密通信干线——京沪干线。具体而言,京沪干线是在北京、济南、合肥阿里体育app官网、上海已有的量子网络的基础上,通过包括两端在内的总共32个节点把它们连接起来。这样阿里体育app官网阿里体育app官网,就可以在从北京到上海的2000公里的范围内,实现量子保密通信阿里体育app官网。中间那些节点,就是可信中继。


    京沪干线


    这里我们需要说明一下阿里体育app官网。在实践中,量子保密通信的安全传输距离是有限的。例如京沪干线是用光纤来传输光子,而光纤有一定的概率吸收光子阿里体育app官网,因此过一段距离后信号就衰减到不能用了。这就是为什么,我们需要每隔一段距离加一个中继。


    在二十一世纪初之前的很长时间内,量子保密通信的安全传输距离只有10公里的量级。因此学术界曾经认为量子密码术的发展已经到头了,没有太大前途。然而阿里体育app官网,2003至2005年期间阿里体育app官网,韩国阿里体育app官网、加拿大和中国科学家提出了“诱骗态协议”,使得安全传输距离可以提高到百公里的量级。从此以后,量子密码术蓬勃发展,而中国获得了领先地位阿里体育app官网,大部分新纪录都是科大的研究团队创造的阿里体育app官网。


    2016年8月16日阿里体育app官网,中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。当时光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。三个月以后,2016年11月,科大与清华大学阿里体育app官网、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作,又把安全传输距离提高到了404公里(这真是一个很吉利的数字),而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。也就是说阿里体育app官网,间隔102公里的量子保密电话已经是在技术上可行的了。


    墨子号发射


    墨子号和京沪干线的关系是怎样的呢?其实它们是实现长距离量子保密通信的两条技术路线。


    京沪干线就是传统的用光纤传输光,每隔一段距离加一个中继站。墨子号是不用光纤,让光子从地面站直接连接到卫星,这叫做“自由空间传播”。这里的有趣之处在于,自由空间传输的光子在真空中是没有衰减的,只在大气层内有衰减。因此,一旦出了大约10公里厚的大气层,即使传得再远,也不会再衰减了。而光纤传输,却是每一寸都在衰减的阿里体育app官网。因此阿里体育app官网,对于几百几千公里的超远距离传输,自由空间传输的效率可以远远超过光纤传输,这就是量子通信卫星的优势阿里体育app官网。


    事实上,卫星也可以作为一种可信中继阿里体育app官网,来实现地面站之间的量子保密通信阿里体育app官网。例如在京沪干线开通的记者会上,中国科学院院长白春礼与奥地利科学院院长安东·塞林格(Anton Zeilinger,潘建伟的博士导师)就通过墨子号,进行了世界首次洲际量子保密通信的视频通话。


    中国科学院院长白春礼(电子屏右侧)在现场通过“墨子号”量子科学实验卫星,与奥地利科学院院长安东?塞林格(电子屏左侧)进行世界首次洲际量子保密通信视频通话。


    现在的问题是:既然量子中继在原理上更好,为什么大家不用它呢阿里体育app官网阿里体育app官网?


    原因是:造出量子中继的难度远远高于可信中继。一个基本的道理就是,用到量子力学的操作总是要比不用量子力学的困难阿里体育app官网。


    具体而言阿里体育app官网,在现有的量子中继设计中包含三个元素:纠缠交换,纠缠纯化,以及量子存储阿里体育app官网。


    咦,前面不是说量子中继不存储数据吗,为什么这里又要用到量子存储?回答是,量子中继中存储的是一些中间量子态阿里体育app官网,对窃密者来说没有用处。


    到目前为止,量子存储虽然也有很多研究组取得了很多进展,但发展程度还远远满足不了量子中继的需要,成了一个瓶颈。因此阿里体育app官网,如果能够造出“没有量子存储的量子中继”,就可望绕过这个瓶颈,促进量子中继的实用化。


    好,如果你理解到这一层,我相信你已经超越了99.9%以上的人。


    如果你还想理解更多阿里体育app官网,那么你的下一个问题自然就是:潘建伟阿里体育app官网、陈宇翱、徐飞虎等人是如何实现“没有量子存储的量子中继”的?


    好吧,真正能够关心到这个层面的观众都是专家了。你既然是专家阿里体育app官网,那么我多讲些术语也是正常的喽?


    基本的回答是:发送方Alice和接收方Bob各自产生M组纠缠对,然后通过量子中继Charlie连接起来阿里体育app官网。我们可以把这M组纠缠对画成M行横线。


    在以前的方案中阿里体育app官网,Alice的每一个纠缠对只和Bob的属于同一行的纠缠对建立连接,也就是说总共只建立M个连接阿里体育app官网。


    而在新方案中,Alice的每一个纠缠对都和Bob的属于所有行的纠缠对建立连接,也就是说总共建立了M的平方个连接阿里体育app官网。用术语说,这叫做建立了一个“图态”(graph state)阿里体育app官网。


    《没有量子存储的量子中继》


    这样做的好处,就是取消了对量子存储的需求。这样做的代价,就是要付出更多的努力去建立纠缠。因此,这是不是让量子中继变得更容易造出来了,都还不能确定。无论采取什么技术路线,实用的量子中继恐怕还需要10年或更长的时间才会出现阿里体育app官网。


    《没有量子存储的量子中继》


    但这项工作的意义在于,确实提出了另一种可行的思路阿里体育app官网。最终的结果可能是新方案,也可能是老方案,还可能是新老方案的某种联用。无论如何,多一个值得探索的方向总是非常有价值的。因此阿里体育app官网,这篇文章能够发表在《自然·光子学》这样的顶级期刊上,说明它的重要性得到了公认。


    不过,通过以上的解读,你已经可以明白:这是一项远景性质的工作阿里体育app官网,对当前的实用并没有影响。事实上阿里体育app官网,当前我们的量子通信网络已经有中继可以用,就是可信中继。虽然原理上存在更好的阿里体育app官网,但也别拿豆包不当干粮??!


    好阿里体育app官网,如果你理解到这一层,我相信你已经超越了99.99%以上的人。


    最后,有一个经常见到的问题值得回答一下:既然敌人攻击京沪干线的中继站就可以窃密,那么京沪干线还有什么意义呢?事实上,有不少人就以此为由阿里体育app官网,宣称京沪干线完全没用阿里体育app官网,甚至是一场骗局,吆喝潘建伟等人是骗子。


    回答是:京沪干线怎么样,要看你跟谁比。如果跟理想的用量子中继的量子通信线路比,当然是不如阿里体育app官网,但问题不就是这理想的还没造出来吗阿里体育app官网?


    然后,如果跟现有的其他密码技术比较,你就能理解京沪干线与可信中继的优势了阿里体育app官网。这里的关键在于,保密通信要解决的是信息传输的问题,而可信中继要解决的是信息存储的问题。


    显然,存储是传输的前提。你要安全地传一个信息阿里体育app官网,就必须首先有能力把它安全地存在本地。如果你存都存不住,放在家里都被人偷了阿里体育app官网,那还谈什么传输的问题?


    因此,对可信中继的要求阿里体育app官网,完全是一个合理的要求阿里体育app官网。在一条线路上防守一个孤立的站点,这应该是你完全能做到的。如果你连这个都做不到,那你无论用什么保密通信的方法都是白扯。而如果你能做到这个合理的要求,那么可信中继就能让你在很长的距离上实现量子保密通信。


    你如果想了解量子保密通信的原理,那么欢迎去看我的文章《你完全可以理解量子信息》阿里体育app官网。在这里阿里体育app官网,我们只是说明一点:量子密码术实现的安全性,叫做“无条件安全性”(unconditional security)阿里体育app官网,也经常被称为“绝对安全性”或“完美安全性”阿里体育app官网。这话实际的意思是,敌人即使具有无限的计算能力,也无法破解你的密文。


    有人可能会觉得不可思议:怎么可能存在这样的密文,敌人用无限的计算能力都不能破解阿里体育app官网阿里体育app官网?事实上阿里体育app官网,这样的密文是很容易构建的阿里体育app官网阿里体育app官网。


    例如这样一个密文:它就是二进制的一位数0,而它可能对应的明文是二进制的0或者1。敌人在不知道密钥的情况下,只能推出这个密文0以一半的概率对应0,一半的概率对应1。然后敌人还能得到什么呢?什么都得不到了,因为再往下没有任何可推理的。你看,这个密文就是具有无条件安全性的。


    你可能会问了:既然这么简单就能实现无条件安全性,为什么密码学家还要发展出那么多复杂得多的算法呢阿里体育app官网?


    回答是:无条件安全性的关键在于,密钥要跟明文一样长阿里体育app官网阿里体育app官网,甚至更长!如果你的明文有《红楼梦》这么长阿里体育app官网,那么密钥也需要这么长阿里体育app官网。如果密钥比明文短,那么只要敌人的计算能力够强,就一定可以破解,也就是说,这时就不可能具有无条件安全性了阿里体育app官网。


    《红楼梦》


    量子密码术的技术诀窍,其实就是利用量子力学的操作,让双方分享任意长度的密钥,不需要第三者的信使阿里体育app官网。因此阿里体育app官网,量子密码术可以实现无条件安全性。


    而现在常用的绝大多数密码术,例如著名的RSA算法,在原理上都是基于某种数学问题的困难性。意思是,你解决了某个数学问题,例如“因数分解”,就可以破解我的密码。但这个数学问题非常困难,如果你没有某种我不知道的巧妙算法,那么你会需要非常长的时间。在这个意义上,我的密文是安全的。


    RSA密码体系的三位发明者


    大家看明白了吧?基于数学问题的密码术能够达到的安全性,在本质上就是有条件的。如果敌人有无限的计算能力,就可以破解这种密码。因此,这些密码术的安全级别在本质上就低于量子密码术阿里体育app官网。


    更不用说,敌人完全有可能已经找到了巧妙的解法,只是没有告诉你,——显然嘛,他干吗要告诉你呢?让你在自以为安全的情况下源源不断地泄密阿里体育app官网,对他来说不是更好吗?


    现在大家可以理解,在像京沪干线这样的长距离上实现量子保密通信,具有多么重大的价值。如果你认为防守中间那30个中继站是不可承受的负担,那么你应该想到,假如用传统密码术的话阿里体育app官网,按照同样的标准,你需要防守的就不只是中继站了,而是2000公里的整条线路!因为传统密码术的密文是可以破译的!所以敌人在任何一点拿到密文,都可以窃密!


    现在,你明白那些说京沪干线用了可信中继所以就没用的,是怎么回事了吧阿里体育app官网?这些人是有意或无意地用了双重标准,对无条件安全的量子密码术认为存储的要求不可接受,对传统密码术却觉得有条件安全就够用了。这纯粹是脑子不清醒嘛。


    好,如果你理解到这一层,我相信你已经超越了99.999%以上的人!现在,你是不是感到自己的思维层次都上升了呢?


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