100%國產化的自主創新！中國量子直接通信再創世界第一
2025年春節之后，我國在科技創新與文化產業連續取得一系列里程碑式成果突破，并在人工智能、動畫電影、量子通信領域勇奪多個全球第一！
從人工智能領域的DeepSeek達到全球算力第一，到動畫電影領域的《哪吒2》拿下全球動畫電影票房榜TOP1，再到100%國產化的量子直接通信技術創下百公里量子直接通信速率世界紀錄，這些一個又一個的“No.1”告訴我們，這些重大突破無一不源自于文化自信和自主創新！
北京量子信息科學研究院副院長、清華大學教授龍桂魯教授近日剛在國際知名期刊Science Advances上發表論文，借此契機，量子前哨對龍桂魯教授進行了獨家專訪，他為我們對源于中國的量子直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）技術，從理論構想如何成功邁向實際應用階段的整個發展歷程進行了權威解讀。
范式是用來打破的
2000年，量子通信的前景初見端倪，全球研究熱度很高。在這一背景下，時年 38 歲的清華大學教授龍桂魯則提出了一個大膽的創新設想：
“除了使用量子態來分發密鑰以外，能不能直接用量子態傳輸信息？”龍桂魯教授的設想來源于對“量子糾纏態”的深度思考：“既然量子態不可分割、不可復制，是不是可以將信息直接編碼在量子態上？”
這一極具前瞻性的設想打破了固有范式，為量子通信開辟了一個全新的研究方向：量子直接通信。
量子直接通信是用量子態直接傳送信息的一種新型通信方式，能夠直接利用量子態將信息秘密地從一個終端傳輸到另一個終端，傳統通信關心的是信息在噪聲信道下的可靠傳輸，本身不解決信息的安全問題；量子直接通信則實現了在既有噪聲又有竊聽的信道下信息的可靠和安全通信。
圖1 龍桂魯教授講解量子直接通信原理
2000年，龍桂魯團隊在國際上提出了第一個量子直接通信的物理模型———兩步量子通信方案，開拓了量子直接通信這一新的量子通信研究方向。
2007年，龍桂魯教授和鄧富國、文凱等人探討了如何利用量子媒介實現可重復使用的一次性密碼本（Vernam Cipher），并提供了兩種明確的協議和相關的安全性證明。
2016-2017 年，國內多所高校的科研團隊通力合作，分別完成了龍桂魯教授提出的“基于單光子”和“基于糾纏態”的量子直接通信協議的原理演示實驗，不僅驗證了量子直接通信的可行性，還為后續的實用化研究打下堅實基礎。
在回顧量子直接通信的發展歷程時，龍桂魯教授特別強調了北京量子信息科學研究院（簡稱“北京量子院”）的成立對推動量子直接通信技術突破的關鍵作用。他指出，北京量子院打破了傳統科研體系的“三堵墻”，即不同單位之間的壁壘、不同專業行業的隔閡、產學研脫節的壁壘，為量子直接通信的快速發展提供了強大的平臺支持。
正是在這種科研生態下，量子直接通信技術迎來了多個里程碑式的突破：
針對單向協議可能遭受竊聽而泄露信息的問題，龍桂魯教授團隊提出了創新解決方案：利用事先共享的密鑰對光量子態加密。利用量子態來檢測竊聽，若未檢測到竊聽，則重復使用共享密碼繼續通信，即使遭遇竊聽，仍能確保信息本身的安全。龍桂魯教授還特別提到，北京玻色量子創始人、CEO 文凱在這方面做出了突出貢獻，提供了在無損耗的信道下單向量子直接通信的安全性證明。
可以說，量子直接通信從理論提出、技術研發、實驗驗證到設備研制，均由國內科研團隊獨立完成，其核心技術和知識產權完全由我國掌握，是100% 國產化的科研成果，不僅展現了我國在關系國家信息安全命脈的量子通信領域的自主創新能力，也為中國在全球量子科技競爭中贏得了標準話語權。
“中國血統”的量子直接通信
在量子通信領域，龍桂魯教授團隊用25年的時間，走出了一條獨屬于我國自主知識產權從“提出”到“領跑”的康莊大路。
國際上首個量子直接通信的理論模型———兩步量子通信方案是在2000年由龍桂魯教授團隊提出，開拓了這一全新的領域，因此該方案從理論到編碼方式，均為中國原創。龍桂魯教授團隊提出的“兩步協議”，為量子直接通信奠定了堅實的理論基石。
圖2 龍桂魯教授講解量子直接通信與量子通信網絡
單向量子直接通信直接利用量子態傳輸信息，通信與加密同步完成，擺脫了對任何數學算法的依賴。此次在104.8km標準光纖通信實驗測試中，龍桂魯教授團隊實現了連續168小時、速率為2.38k bps的穩定傳輸，首次證明其可獨立支撐城域安全通信網，成為“一站式”的國產量子通信工具。
龍桂魯教授介紹，與2022年的系統相比，此次速率提升了4760倍，極大地提升了量子直接通信的性能。這也意味著量子直接通信已接近滿足城域量子通信網絡的部署需求。
量子直接通信是劑“特效藥”，實用潛力巨大
25年來，量子直接通信經歷了從理論模型到實驗驗證、再到網絡化應用的跨越。中國團隊在該領域的研究尤為突出，推動了量子直接通信向實用化邁進。
龍桂魯教授強調，量子直接通信借助量子態實現安全通信，具有竊聽感知、阻止竊聽、兼容現有網絡、簡化管理流程以及隱蔽傳輸等五大特性。在信息安全日益重要的當下，量子直接通信為保障信息傳輸安全提供了全新解決方案。
在采訪的過程中，龍桂魯教授反復提及“誤碼率”這個詞。竊聽會改變量子態，從而使得誤碼率大幅上升。
圖3 龍桂魯教授現場演示第二代量子直接通信系統
一方面，我們可以根據誤碼率判斷是否有人竊聽。在量子直接通信的過程中，一旦發現誤碼率增大，就會立即停止當前量子通信。為了保證通信的順利，可以采用其他路線繼續量子通信，或者直接在光纖網絡里轉換到經典加密通信。如果傳輸的誤碼率在允許范圍，就是無人竊聽，可以繼續通信。量子通信并非想象的那樣脆弱，一竊聽就中斷，而是允許一定的竊聽，只要誤碼率不高于11%，就可以進行通信。
另一方面，我們還可以根據誤碼率來分析信道容量。龍桂魯教授比喻說，誤碼率可以將其看作信息所行駛的公路，公路的“誤碼率”很高，就像越多的堆積物品阻擋道路，導致能通車的信道變窄。因此，誤碼率越高，信道的容量越低。
量子態傳輸中損耗大，如在光纖中傳輸50公里，90%的信號都損失了。在量子直接通信中，丟失的信號和接收到的信號有關聯，這嚴重地降低了量子直接通信的容量。為解決這一問題，龍桂魯教授團隊采用了掩膜增容技術（INCUM），用本地隨機數掩蓋接收端沒有收到的量子態，隔斷其與接收到的量子態的關聯，使竊聽者無法從其中獲取任何信息，進而提高了信道容量。
龍桂魯教授向量子前哨記者表示，量子直接通信是一劑 “特效藥”，而非萬能藥。它可應用于對竊聽感知有特別需求的保密通信，以及保護使用者的隱秘通信等領域，為龐大的信息安全工具庫增添一個新工具。在應用場景方面，量子直接通信可用于金融領域、能源電力行業、政府與外交領域、軍事國防等對安全性要求較高的場景。
我們有理由相信，隨著量子中繼、集成光學等技術的突破，量子直接通信有望成為未來量子安全互聯網的核心組件，構成安全、暢達的通信脈絡，為中國的通信自主權提供更為牢不可破的新堡壘。
龍桂魯教授簡介
龍桂魯，清華大學教授，國家杰出青年基金獲得者，北京量子信息科學研究院副院長，中國通信學會量子通信委員會主任，美國和英國物理學會會士，IUPAP 量子科技工作組委員，世界經濟論壇未來委員會委員，AAPPS Bulletin 主編。山東大學理學學士（1982），清華大學理學博士（1987）。1987 起在清華大學從教，1989-1993 在英國 Sussex 大學做博士后研究。長期從事量子信息研究，提出了量子直接通信理論，率領團隊研制國際首臺樣機和實用化系統，并成功試用；構造了量子精確搜索的龍算法；提出了對偶量子計算范式。共發表 SCI 論文 500 余篇，Google Scholar 引用 30000 余次。獲國家自然科學二等獎、中國物理學會饒毓泰物理獎、中國通信學會科技一等獎、中國電子學會科技一等獎、IBM 全球杰出學者獎和湯森路透卓越研究獎等。
