量子通信时代,窃听风云或将成为往事

The following article is from 我是科学家 iScientist Author 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。

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 “。

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。

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,再用经典信道传信息。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。

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

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