除了破譯密碼，量子計(jì)算還可以應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)、藥物分析，以及氣象預(yù)報(bào)等等。為了抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊，2000年我們提出了量子直接通信，不僅可以發(fā)現(xiàn)竊聽，而且能阻止竊聽。
將來我們希望把量子計(jì)算機(jī)、量子時(shí)鐘，還有量子感知互聯(lián)起來，形成一個(gè)通達(dá)全球的安全通訊網(wǎng)絡(luò)，為全國、全世界的人類服務(wù)。
2020年12月12日，“我是科學(xué)家”年度盛典現(xiàn)場(chǎng)，清華大學(xué)物理系教授、北京量子研究院兼聘研究員龍桂魯，帶來演講《竊聽不動(dòng)，量子直通》。
龍桂魯演講視頻：
以下為龍桂魯演講實(shí)錄：
大家好，我是來自清華大學(xué)和北京量子信息研究院的龍桂魯。我今天講的是 《竊聽不動(dòng)，量子直通》。
現(xiàn)在量子非?；?，比如說量子波動(dòng)速讀——讀書只要拼命地翻書就行了，不用頭懸梁椎刺骨地苦讀，就可以記住知識(shí)點(diǎn)了。似乎量子科技解決了一大學(xué)習(xí)難關(guān)，但可惜這是假的、騙人的，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、量子計(jì)算、量子通信，還有量子精密測(cè)量 。
什么是量子？光原子這些微觀體系、微觀粒子，表現(xiàn)出一些不連續(xù)變化的性質(zhì)。這種性質(zhì)就叫量子性質(zhì)，而這些體系就叫量子體系。
我的研究主要是兩個(gè)方面： 量子計(jì)算和量子通信 。
01
量子計(jì)算的核心——量子并行
2020年12月4日，量子計(jì)算機(jī)“九章”面世。超級(jí)計(jì)算機(jī)需要6億年才能完成的工作，“九章”只要200秒，它們速度差別非常大。
什么導(dǎo)致的速度差異？量子并行 。
我們先看看什么是經(jīng)典并行。
《西游記》里孫悟空有個(gè)本事，他拔起一把毫毛，吹口氣就變成了好多小孫悟空。他拔3根毫毛一吹變成3個(gè)孫悟空，3個(gè)孫悟空一塊干活，肯定就比1個(gè)孫悟空干活要快。這就叫“經(jīng)典并行”。
量子并行本事比這個(gè)還大。孫悟空3根毫毛這么一吹，就變成8個(gè)孫悟空；如果是4根毫毛，就變成16個(gè)孫悟空。如果是n個(gè)，就是n個(gè)2相乘。
所以量子的孫悟空的本事，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)典的孫悟空，這就是為什么量子計(jì)算機(jī)快。我們看到量子計(jì)算機(jī) 表面上是一臺(tái)機(jī)器，實(shí)際上里面有2的n次方個(gè)計(jì)算機(jī)在計(jì)算 ，是“量子并行”。
02
破譯密碼之矛——量子計(jì)算
不過，量子計(jì)算機(jī)提出來以后，好長時(shí)間沒有具體的應(yīng)用。直到10多年后，來了兩位武林高手：一個(gè)是舒爾 （Shor） ，一個(gè)是格羅沃 （Grover） ——他們分別提出了兩種量子算法。
這兩個(gè)算法有什么用？
大鬧天宮—— 大鬧密碼世界的天宮 。密碼界一共有兩種算法：一個(gè)是對(duì)稱算法，一個(gè)是非對(duì)稱算法。
Shor去大鬧了非對(duì)稱算法——用他的算法加上量子計(jì)算機(jī)，能把已知的非對(duì)稱密碼全部推翻。
而Grover大鬧了對(duì)稱密碼這個(gè)大廈。還好，他只是把大廈晃晃，還沒推倒。那大廈要加固，把一根柱子換成兩根柱子，也就是說密碼長度要增加一倍，原來是64位現(xiàn)在換成128位，這可以抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊。
在量子搜索算法里，我們也做了一些貢獻(xiàn)。
1996年，Grover提出他的算法時(shí)，給出了最佳角度計(jì)算角度——180度。他提出來之后，大部分人都相信了，沒人去驗(yàn)證到底對(duì)不對(duì)。而1998年，我們開始接觸這個(gè)領(lǐng)域的時(shí)候，沒直接聽他的，決定自己做一下。
那是1998年冬天。當(dāng)時(shí)我只有幾千塊錢，還沒有自己的辦公室，每個(gè)月只能花三百塊錢租辦公室。冬天特別冷，我和我的學(xué)生穿著大棉襖，在討論Grover的算法。 結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)Grover大俠的算法有問題——180度不是最好的角度 。
當(dāng)時(shí)我的學(xué)生還不相信自己的結(jié)果，怕算錯(cuò)了，于是就給Grover發(fā)郵件。結(jié)果Grover的回信證明了我們的計(jì)算是對(duì)的。 所以做科研，創(chuàng)新和自信都非常重要 。
后來根據(jù)我們計(jì)算出的最佳角度，不論在什么時(shí)候，這種算法的成功率都是百分之百?，F(xiàn)在量子江湖上把這個(gè)算法叫做“Grover-龍算法”。
無論Shor也好，Grover也好，看起來都是利用量子算法來破譯密碼，都是搞破壞的是吧？
其實(shí)不然，除了破譯密碼，它還可以做其他的事情。 比如說材料設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)、藥物分析，以及氣象預(yù)報(bào)等等 ，所以現(xiàn)在全世界各個(gè)國家都在加大力量研發(fā)量子計(jì)算機(jī)。
03
抵御量子計(jì)算之盾——量子通信
那么Shor大俠和Grover大俠大鬧了密碼世界，給大家嚇得夠嗆，現(xiàn)在密碼界都在研發(fā)新的非對(duì)稱密碼和加固原來的對(duì)稱密碼，來抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊。
量子科技也沒閑著，量子科技有 量子通信，也可以抵御量子計(jì)算的攻擊 。目前有三種方法：1984年提出的量子密鑰分發(fā)，還有1999年的秘密共享1999年，最后一個(gè)叫量子直接通信，是我和我的學(xué)生在2000年提出的。
密鑰分發(fā)是先用量子信道協(xié)商密鑰，再用經(jīng)典信道傳信息。它能發(fā)現(xiàn)竊聽，但不能阻止竊聽。而量子直通 不僅可以發(fā)現(xiàn)竊聽，而且能阻止竊聽 。所以說量子直接通信是——竊聽不動(dòng)，量子直通。
它們的區(qū)別就好像一個(gè)自行車后邊帶個(gè)東西，密鑰分發(fā)的話，小偷去偷東西你可以看見，但是你就眼看著他把這個(gè)東西拿走了。而量子直接通信就把這個(gè)東西放在保險(xiǎn)箱里了，小偷去偷，你不僅能發(fā)現(xiàn)，而且他拿不走。
過去的4年，我們克服了量子直接通信在實(shí)際應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)：安全性分析估計(jì)、高損信道編碼和量子存儲(chǔ)替代等。
2020年9月19日，在中關(guān)村論壇我們發(fā)布了實(shí)用化的量子直接通信樣機(jī) 。在10公里的光纖內(nèi)，可以做4k的保密通信，可以打電話，可以傳真。
將來我們希望把量子計(jì)算機(jī)、量子時(shí)鐘，還有量子感知互聯(lián)起來，形成一個(gè)通達(dá)全球的安全通訊網(wǎng)絡(luò)，為全國、全世界的人類服務(wù)。
因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)科學(xué)工作者，發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造是有幸福感的，但 我們更關(guān)心我們的研究，能不能推動(dòng)學(xué)科的發(fā)展，能不能為國家為人類服務(wù) 。
謝謝大家。
演講嘉賓龍桂魯：《竊聽不動(dòng)，量子直通》 | 拍攝：Vphoto
作者：龍桂魯
監(jiān)制：吳歐
策劃：吳歐 麥芽楊
編輯：麥芽楊 范可鑫
排版：凝音
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