量子通信時代,竊聽風雲或將成為往事 | 龍桂魯

2021-08-03T07:41:30.468020+00:00

除了破譯密碼,量子計算還可以應用於材料設計、藥物設計、藥物分析,以及氣象預報等等。為了抵禦量子計算機的攻擊,2000年我們提出了量子直接通信,不僅可以發現竊聽,而且能阻止竊聽。

除了破譯密碼,量子計算還可以應用於材料設計、藥物設計、藥物分析,以及氣象預報等等。為了抵禦量子計算機的攻擊,2000年我們提出了量子直接通信,不僅可以發現竊聽,而且能阻止竊聽。

將來我們希望把量子計算機、量子時鐘,還有量子感知互聯起來,形成一個通達全球的安全通訊網絡,為全國、全世界的人類服務。

2020年12月12日,「我是科學家」年度盛典現場,清華大學物理系教授、北京量子研究院兼聘研究員龍桂魯,帶來演講《竊聽不動,量子直通》。

以下為龍桂魯演講實錄:

大家好,我是來自清華大學和北京量子信息研究院的龍桂魯。我今天講的是 《竊聽不動,量子直通》。

現在量子非常火,比如說量子波動速讀——讀書只要拚命地翻書就行了,不用頭懸樑椎刺骨地苦讀,就可以記住知識點了。似乎量子科技解決了一大學習難關,但可惜這是假的、騙人的,不是真正的量子科技。

那麼真正量子科技是什麼?

量子材料、量子器件、量子計算、量子通信,還有量子精密測量

什麼是量子?光原子這些微觀體系、微觀粒子,表現出一些不連續變化的性質。這種性質就叫量子性質,而這些體系就叫量子體系。

我的研究主要是兩個方面:量子計算和量子通信

01 量子計算的核心——量子並行

2020年12月4日,量子計算機「九章」面世。超級計算機需要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。

什麼導致的速度差異?量子並行

我們先看看什麼是經典並行。

《西遊記》里孫悟空有個本事,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個孫悟空,3個孫悟空一塊幹活,肯定就比1個孫悟空幹活要快。這就叫「經典並行」。

量子並行本事比這個還大。孫悟空3根毫毛這麼一吹,就變成8個孫悟空;如果是4根毫毛,就變成16個孫悟空。如果是n個,就是n個2相乘。

所以量子的孫悟空的本事,遠遠大於經典的孫悟空,這就是為什麼量子計算機快。我們看到量子計算機表面上是一台機器,實際上裡面有2的n次方個計算機在計算,是「量子並行」。

02 破譯密碼之矛——量子計算

不過,量子計算機提出來以後,好長時間沒有具體的應用。直到10多年後,來了兩位武林高手:一個是舒爾(Shor),一個是格羅沃(Grover)——他們分別提出了兩種量子算法。

這兩個算法有什麼用?

大鬧天宮——大鬧密碼世界的天宮。密碼界一共有兩種算法:一個是對稱算法,一個是非對稱算法。

Shor去大鬧了非對稱算法——用他的算法加上量子計算機,能把已知的非對稱密碼全部推翻。

而Grover大鬧了對稱密碼這個大廈。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位現在換成128位,這可以抵禦量子計算機的攻擊。

在量子搜索算法裡,我們也做了一些貢獻。

1996年,Grover提出他的算法時,給出了最佳角度計算角度——180度。他提出來之後,大部分人都相信了,沒人去驗證到底對不對。而1998年,我們開始接觸這個領域的時候,沒直接聽他的,決定自己做一下。

那是1998年冬天。當時我只有幾千塊錢,還沒有自己的辦公室,每個月只能花三百塊錢租辦公室。冬天特別冷,我和我的學生穿著大棉襖,在討論Grover的算法。結果我們發現Grover大俠的算法有問題——180度不是最好的角度

當時我的學生還不相信自己的結果,怕算錯了,於是就給Grover發郵件。結果Grover的回信證明了我們的計算是對的。所以做科研,創新和自信都非常重要

後來根據我們計算出的最佳角度,不論在什麼時候,這種算法的成功率都是百分之百。現在量子江湖上把這個算法叫做「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?

其實不然,除了破譯密碼,它還可以做其他的事情。比如說材料設計、藥物設計、藥物分析,以及氣象預報等等,所以現在全世界各個國家都在加大力量研發量子計算機。

03 抵禦量子計算之盾——量子通信

那麼Shor大俠和Grover大俠大鬧了密碼世界,給大家嚇得夠嗆,現在密碼界都在研發新的非對稱密碼和加固原來的對稱密碼,來抵禦量子計算機的攻擊。

量子科技也沒閒著,量子科技有量子通信,也可以抵禦量子計算的攻擊。目前有三種方法:1984年提出的量子密鑰分發,還有1999年的秘密共享1999年,最後一個叫量子直接通信,是我和我的學生在2000年提出的。

密鑰分發是先用量子信道協商密鑰,再用量子信道傳信息。它能發現竊聽,但不能阻止竊聽。而量子直通不僅可以發現竊聽,而且能阻止竊聽。所以說量子直接通信是——竊聽不動,量子直通。

它們的區別就好像一個自行車後邊帶個東西,密鑰分發的話,小偷去偷東西你可以看見,但是你就眼看著他把這個東西拿走了。而量子直接通信就把這個東西放在保險箱裡了,小偷去偷,你不僅能發現,而且他拿不走。

過去的4年,我們克服了量子直接通信在實際應用中的一些關鍵技術:安全性分析估計、高損信道編碼和量子存儲替代等。

2020年9月19日,在中關村論壇我們發布了實用化的量子直接通信樣機。在10公里的光纖內,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算機、量子時鐘,還有量子感知互聯起來,形成一個通達全球的安全通訊網絡,為全國、全世界的人類服務。

因為作為一個科學工作者,發現和創造是有幸福感的,但我們更關心我們的研究,能不能推動學科的發展,能不能為國家為人類服務

謝謝大家。

關鍵字:

來這是男友買給我的

2021-06-25T08:55:38.348039+00:00

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