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。

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。