中國首次實現全光量子中繼，這又是什麼新神通？

進入暑假，我們學習的熱情根本停不下來！

最近，很多同學看到了一條新聞：中科大潘建偉團隊實現了首次實現全光量子中繼。

這同學們光看個題目估計就感覺到一陣眩暈，到底啥情況啊這是？

巧了，說起量子通信方面的科普，我們袁老師可是身經百戰了。更重要的是，袁老師直接發動了「無中生友」技能，聯繫到了這個項目的主要負責人之一陳宇翱教授，為我們解讀這次的新成果究竟是咋回事！

不說了，小猿我已經沉浸在量子的世界中了……

視頻鏈接

嗶哩嗶哩：

https://www.bilibili.com/video/av58889618

部分評論

經典喲：

哇噢，思維層次豈止上升，簡直要起飛了。

取個名字多簡單：

科大咋這麼厲害，量子領域和核聚變領域都是最前沿的。。。

小橘貓不在家：

謝謝袁老師的講解。深入淺出，形象生動。

2019年7月初，很多人都很開心地看到了一條貌似很高大上的新聞：中國科學技術大學在世界上首次實現「全光量子中繼器」（例如http://www.xinhuanet.com//science/2019-07/04/c_138197493.htm）。

新華網對全光量子中繼的報道

開心，同時「不明覺厲」。我相信，絕大多數讀者看到這條新聞的反應都是：我連量子中繼是什麼都不知道，你居然在跟我說什麼全光量子中繼？！

看不懂是正常的。如果這麼容易就讓普通人看懂了，那博士寒窗苦讀十幾年豈不是白讀了？世界上沒有這麼便宜的事。

現在，好消息來了！我可以向大家來解釋這項工作。而且我相信，只要認真聽，大多數聽眾都可以理解個八九不離十，即使不能掌握所有的細節，至少也可以理解這項成果的背景。

為什麼呢？

因為第一，這項工作屬於「量子信息」這個領域，在這個領域我寫過很多科普文章，所以我知道在宏觀大圖景上，這項工作處於什麼位置。我關於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4萬字，你看了以後就真的可以對量子信息獲得一個全面的了解了。因此按照同樣的風格，本文就叫做《你完全可以理解全光量子中繼》！

第三，這項工作是我的科大同事潘建偉院士的團隊做的，兩位主要負責人陳宇翱教授和徐飛虎教授都是我的朋友。通過直接向他們諮詢，我了解了很多更加深入的洞察。

事實上，這正是我做科普的一個基本的方法論：了解宏觀背景，調研原始文獻，然後如果有條件的話，尤其重要的是跟一線研究者進行深入溝通。這個方法論在科普之外也具有更加普遍的意義，歡迎大家領悟和應用。

好，我們言歸正傳。看到「全光量子中繼」這個名字，大多數人恐怕都搞不清這個詞的重點何在：是「全光」？還是「量子」？還是「中繼」？而看到原始論文的標題《沒有量子存儲的量子中繼》，大家就可以明白了，這項工作真正的要點是「沒有量子存儲」。

就像那條著名的廣告：我們的目標是，沒有蛀牙！

我們的目標是，沒有蛀牙！

因此，大家也可以明白，「全光量子中繼」的重點在於「全光」，全光就是實現沒有量子存儲的手段。

好，只要你理解到這一層，你就已經超越90%以上的人了。

如果你還想理解更多，那麼你的下一個問題自然就是：量子中繼是什麼？為什麼我們希望在量子中繼中去掉量子存儲？

對此的回答，就出現了一個真正出人意料的地方。傳統的中繼大家都很熟悉，就是通信網路中用來擴展通信距離的中繼站。顧名思義，量子中繼就是量子通信網路中用來擴展通信距離的中繼站嘍？

然而，出人意料的是，量子通信網路的中繼站並不一定要用量子中繼！另一種中繼也是可行的，叫做「可信中繼」（trusted repeater）。也就是說，我們有兩種選擇，量子中繼和可信中繼。

這兩個名字很容易讓人搞糊塗，因為它們的命名方式並不是按照同樣的標準。就像最近的垃圾分類一樣，干垃圾和濕垃圾後面又冒出個有害垃圾和可回收垃圾。

垃圾分類

那麼你覺得，可信中繼和量子中繼哪個更好呢？

這真是讓人頗費思量。很容易感覺，可信中繼更好，因為你不可能選個不可信的啊。但其實，這是一個名稱造成的誤解。真正的回答是：量子中繼更好！

我們來解釋一下，可信中繼和量子中繼這兩個詞實際上是什麼意思。

可信中繼的意思是，這個中繼站在按照傳統的方式儲存數據，比如說用磁碟。發送方和接收方知道的所有數據，中繼站也都知道。

這樣做的缺點是什麼呢？數據儲存在中繼站，敵人就可以去偷，而且如果中繼站的工作人員有內鬼，就可以泄密。因此，為了保證安全，我們就需要確保中繼站是在嚴密監控下的，沒有泄露。也就是說，「可信中繼」其實是「必須通過人力來保證它可信的中繼」！

而量子中繼是什麼呢？量子中繼乾的事情，是讓發送方和接收方通過它建立連接，但中繼站本身並不存儲數據。發送方和接收方知道的數據，中繼站是不知道的。因此，這裡根本就不存在數據泄露的問題。即使有內鬼，最糟也只是讓量子中繼不能運行，但不能偷到數據。所以量子中繼是「比可信中繼更可信的中繼」，因為它天然就可信，不需要外力來保證！

更加具體地說，可信中繼傳輸的是經典的信息，而量子中繼能夠實現量子態的傳輸。因此，可信中繼能幹的事情，量子中繼在原理上都能幹，而反之則不然。兩者都可以用於量子保密通信，但量子中繼還可以做分散式量子計算和遠程量子精密測量等應用，這些是可信中繼做不到的。

好，如果你理解到這一層，我相信你已經超越了99%以上的人。

關於量子中繼和可信中繼的基本狀況是：量子中繼離實用還非常遠，而可信中繼已經在實用了。

例如2017年9月29日，中國開通了世界第一條量子保密通信幹線——「京滬幹線」。具體而言，京滬幹線是在北京、濟南、合肥、上海已有的量子網路的基礎上，通過包括兩端在內的總共32個節點把它們連接起來。這樣，就可以在從北京到上海的2000公里的範圍內，實現量子保密通信。中間那些節點，就是可信中繼。

京滬幹線

這裡我們需要說明一下。在實踐中，量子保密通信的安全傳輸距離是有限的。例如京滬幹線是用光纖來傳輸光子，而光纖有一定的概率吸收光子，因此過一段距離後信號就衰減到不能用了。這就是為什麼，我們需要每隔一段距離加一個中繼。

在二十一世紀初之前的很長時間內，量子保密通信的安全傳輸距離只有10公里的量級。因此學術界曾經認為量子密碼術的發展已經到頭了，沒有太大前途。然而，2003至2005年期間，韓國、加拿大和中國科學家提出了「誘騙態協議」，使得安全傳輸距離可以提高到百公里的量級。從此以後，量子密碼術蓬勃發展，而中國獲得了領先地位，大部分新紀錄都是科大的研究團隊創造的。

2016年8月16日，中國發射了世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」。當時光纖中的安全傳輸距離已經超過了200公里。三個月以後，2016年11月，科大與清華大學、中科院上海微系統與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里（這真是一個很吉利的數字），而且在102公里處的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公里的量子保密電話已經是在技術上可行的了。

墨子號發射

墨子號和京滬幹線的關係是怎樣的呢？其實它們是實現長距離量子保密通信的兩條技術路線。

京滬幹線就是傳統的用光纖傳輸光，每隔一段距離加一個中繼站。墨子號是不用光纖，讓光子從地面站直接連接到衛星，這叫做「自由空間傳播」。這裡的有趣之處在於，自由空間傳輸的光子在真空中是沒有衰減的，只在大氣層內有衰減。因此，一旦出了大約10公里厚的大氣層，即使傳得再遠，也不會再衰減了。而光纖傳輸，卻是每一寸都在衰減的。因此，對於幾百幾千公里的超遠距離傳輸，自由空間傳輸的效率可以遠遠超過光纖傳輸，這就是量子通信衛星的優勢。

事實上，衛星也可以作為一種可信中繼，來實現地面站之間的量子保密通信。例如在京滬幹線開通的記者會上，中國科學院院長白春禮與奧地利科學院院長安東·塞林格（Anton Zeilinger，潘建偉的博士導師）就通過墨子號，進行了世界首次洲際量子保密通信的視頻通話。

中國科學院院長白春禮（電子屏右側）在現場通過「墨子號」量子科學實驗衛星，與奧地利科學院院長安東?塞林格（電子屏左側）進行世界首次洲際量子保密通信視頻通話。

現在的問題是：既然量子中繼在原理上更好，為什麼大家不用它呢？

原因是：造出量子中繼的難度遠遠高於可信中繼。一個基本的道理就是，用到量子力學的操作總是要比不用量子力學的困難。

具體而言，在現有的量子中繼設計中包含三個元素：糾纏交換，糾纏純化，以及量子存儲。

咦，前面不是說量子中繼不存儲數據嗎，為什麼這裡又要用到量子存儲？回答是，量子中繼中存儲的是一些中間量子態，對竊密者來說沒有用處。

到目前為止，量子存儲雖然也有很多研究組取得了很多進展，但發展程度還遠遠滿足不了量子中繼的需要，成了一個瓶頸。因此，如果能夠造出「沒有量子存儲的量子中繼」，就可望繞過這個瓶頸，促進量子中繼的實用化。

好，如果你理解到這一層，我相信你已經超越了99.9%以上的人。

如果你還想理解更多，那麼你的下一個問題自然就是：潘建偉、陳宇翱、徐飛虎等人是如何實現「沒有量子存儲的量子中繼」的？

好吧，真正能夠關心到這個層面的觀眾都是專家了。你既然是專家，那麼我多講些術語也是正常的嘍？

基本的回答是：發送方Alice和接收方Bob各自產生M組糾纏對，然後通過量子中繼Charlie連接起來。我們可以把這M組糾纏對畫成M行橫線。

在以前的方案中，Alice的每一個糾纏對只和Bob的屬於同一行的糾纏對建立連接，也就是說總共只建立M個連接。

而在新方案中，Alice的每一個糾纏對都和Bob的屬於所有行的糾纏對建立連接，也就是說總共建立了M的平方個連接。用術語說，這叫做建立了一個「圖態」（graph state）。

《沒有量子存儲的量子中繼》圖1

這樣做的好處，就是取消了對量子存儲的需求。這樣做的代價，就是要付出更多的努力去建立糾纏。因此，這是不是讓量子中繼變得更容易造出來了，都還不能確定。無論採取什麼技術路線，實用的量子中繼恐怕還需要10年或更長的時間才會出現。

《沒有量子存儲的量子中繼》圖2

但這項工作的意義在於，確實提出了另一種可行的思路。最終的結果可能是新方案，也可能是老方案，還可能是新老方案的某種聯用。無論如何，多一個值得探索的方向總是非常有價值的。因此，這篇文章能夠發表在《自然·光子學》這樣的頂級期刊上，說明它的重要性得到了公認。

不過，通過以上的解讀，你已經可以明白：這是一項遠景性質的工作，對當前的實用並沒有影響。事實上，當前我們的量子通信網路已經有中繼可以用，就是可信中繼。雖然原理上存在更好的，但也別拿豆包不當乾糧啊！

好，如果你理解到這一層，我相信你已經超越了99.99%以上的人。

最後，有一個經常見到的問題值得回答一下：既然敵人攻擊京滬幹線的中繼站就可以竊密，那麼京滬幹線還有什麼意義呢？事實上，有不少人就以此為由，宣稱京滬幹線完全沒用，甚至是一場騙局，吆喝潘建偉等人是騙子。

回答是：京滬幹線怎麼樣，要看你跟誰比。如果跟理想的用量子中繼的量子通信線路比，當然是不如，但問題不就是這理想的還沒造出來嗎？

然後，如果跟現有的其他密碼技術比較，你就能理解京滬幹線與可信中繼的優勢了。這裡的關鍵在於，保密通信要解決的是信息傳輸的問題，而可信中繼要解決的是信息存儲的問題。

顯然，存儲是傳輸的前提。你要安全地傳一個信息，就必須首先有能力把它安全地存在本地。如果你存都存不住，放在家裡都被人偷了，那還談什麼傳輸的問題？

因此，對可信中繼的要求，完全是一個合理的要求。在一條線路上防守一個孤立的站點，這應該是你完全能做到的。如果你連這個都做不到，那你無論用什麼保密通信的方法都是白扯。而如果你能做到這個合理的要求，那麼可信中繼就能讓你在很長的距離上實現量子保密通信。

你如果想了解量子保密通信的原理，那麼歡迎去看我的文章《你完全可以理解量子信息》。在這裡，我們只是說明一點：量子密碼術實現的安全性，叫做「無條件安全性」（unconditional security），也經常被稱為「絕對安全性」或「完美安全性」。這話實際的意思是，敵人即使具有無限的計算能力，也無法破解你的密文。

有人可能會覺得不可思議：怎麼可能存在這樣的密文，敵人用無限的計算能力都不能破解？事實上，這樣的密文是很容易構建的。

例如這樣一個密文：它就是二進位的一位數0，而它可能對應的明文是二進位的0或者1。敵人在不知道密鑰的情況下，只能推出這個密文0以一半的概率對應0，一半的概率對應1。然後敵人還能得到什麼呢？什麼都得不到了，因為再往下沒有任何可推理的。你看，這個密文就是具有無條件安全性的。

你可能會問了：既然這麼簡單就能實現無條件安全性，為什麼密碼學家還要發展出那麼多複雜得多的演算法呢？

回答是：無條件安全性的關鍵在於，密鑰要跟明文一樣長，甚至更長！如果你的明文有《紅樓夢》這麼長，那麼密鑰也需要這麼長。如果密鑰比明文短，那麼只要敵人的計算能力夠強，就一定可以破解，也就是說，這時就不可能具有無條件安全性了。

《紅樓夢》

量子密碼術的技術訣竅，其實就是利用量子力學的操作，讓雙方分享任意長度的密鑰，不需要第三者的信使。因此，量子密碼術可以實現無條件安全性。

而現在常用的絕大多數密碼術，例如著名的RSA演算法，在原理上都是基於某種數學問題的困難性。意思是，你解決了某個數學問題，例如「因數分解」，就可以破解我的密碼。但這個數學問題非常困難，如果你沒有某種我不知道的巧妙演算法，那麼你會需要非常長的時間。在這個意義上，我的密文是安全的。

RSA密碼體系的三位發明者

大家看明白了吧？基於數學問題的密碼術能夠達到的安全性，在本質上就是有條件的。如果敵人有無限的計算能力，就可以破解這種密碼。因此，這些密碼術的安全級別在本質上就低於量子密碼術。

更不用說，敵人完全有可能已經找到了巧妙的解法，只是沒有告訴你，——顯然嘛，他幹嗎要告訴你呢？讓你在自以為安全的情況下源源不斷地泄密，對他來說不是更好嗎？

現在大家可以理解，在像京滬幹線這樣的長距離上實現量子保密通信，具有多麼重大的價值。如果你認為防守中間那30個中繼站是不可承受的負擔，那麼你應該想到，假如用傳統密碼術的話，按照同樣的標準，你需要防守的就不只是中繼站了，而是2000公里的整條線路！因為傳統密碼術的密文是可以破譯的！所以敵人在任何一點拿到密文，都可以竊密！

現在，你明白那些說京滬幹線用了可信中繼所以就沒用的，是怎麼回事了吧？這些人是有意或無意地用了雙重標準，對無條件安全的量子密碼術認為存儲的要求不可接受，對傳統密碼術卻覺得有條件安全就夠用了。這純粹是腦子不清醒嘛。

好，如果你理解到這一層，我相信你已經超越了99.999%以上的人！現在，你是不是感到自己的思維層次都上升了呢？

歡呼雀躍

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