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中国首次实现全光量子中继,这又是什么新神通? | 科技袁人

袁岚峰 风云之声 2021-01-27

进入暑假,我们学习的热情根本停不下来!


最近,很多同学看到了一条新闻:中科大潘建伟团队实现了首次实现全光量子中继。


这同学们光看个题目估计就感觉到一阵眩晕,到底啥情况啊这是?


巧了,说起量子通信方面的科普,我们袁老师可是身经百战了。更重要的是,袁老师直接发动了“无中生友”技能,联系到了这个项目的主要负责人之一陈宇翱教授,为我们解读这次的新成果究竟是咋回事!


不说了,小猿我已经沉浸在量子的世界中了……


视频链接

哔哩哔哩:

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


部分评论


经典哟:

哇噢,思维层次岂止上升,简直要起飞了。


取个名字多简单:

科大咋这么厉害,量子领域和核聚变领域都是最前沿的。。。


小橘猫不在家:

谢谢袁老师的讲解。深入浅出,形象生动。


请参考:你完全可以理解全光量子中继 | 袁岚峰


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,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,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。


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,我们言归正传。看到“全光量子中继”这个名字,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》,大家就可以明白了,这项工作真正的要点是“没有量子存储”


就像那条著名的广告:我们的目标是,没有蛀牙!


我们的目标是,没有蛀牙!


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


好,只要你理解到这一层,你就已经超越90%以上的人了。


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?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?


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,量子中继和可信中继。


这两个名字很容易让人搞糊涂,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,干垃圾和湿垃圾后面又冒出个有害垃圾和可回收垃圾。


垃圾分类


那么你觉得,可信中继和量子中继哪个更好呢?


这真是让人颇费思量。很容易感觉,可信中继更好,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。


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,中继站也都知道。


这样做的缺点是什么呢?数据储存在中继站,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,为了保证安全,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?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,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。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。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,这些是可信中继做不到的。


好,如果你理解到这一层,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、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,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。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。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,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,2003至2005年期间,韩国、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,大部分新纪录都是科大的研究团队创造的。


2016年8月16日,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、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,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。因此,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。


事实上,卫星也可以作为一种可信中继,来实现地面站之间的量子保密通信。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?


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。


具体而言,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


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,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,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,那么你的下一个问题自然就是:潘建伟、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,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。我们可以把这M组纠缠对画成M行横线。


在以前的方案中,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。


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。用术语说,这叫做建立了一个“图态”(graph state)。


《没有量子存储的量子中继》图1


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。


《没有量子存储的量子中继》图2


但这项工作的意义在于,确实提出了另一种可行的思路。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,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,对当前的实用并没有影响。事实上,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,但也别拿豆包不当干粮啊!


好,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,宣称京沪干线完全没用,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,但问题不就是这理想的还没造出来吗?


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。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,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,那还谈什么传输的问题?


因此,对可信中继的要求,完全是一个合理的要求。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》。在这里,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),也经常被称为“绝对安全性”或“完美安全性”。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?事实上,这样的密文是很容易构建的。


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?


回答是:无条件安全性的关键在于,密钥要跟明文一样长,甚至更长!如果你的明文有《红楼梦》这么长,那么密钥也需要这么长。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。


《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。因此,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


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,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,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?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?


欢呼雀跃


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