龙桂鲁:窃听不动,量子直通

2020年12月12日,“我是科学家”将举办年度盛典演讲

“2020,这一年”

本期演讲嘉宾

龙桂鲁

清华大学教授、北京量子研究院兼聘研究员

《窃听不动,量子直通》

龙桂鲁采访视频:

1998年冬天,清华大学教授龙桂鲁穿着大棉袄,跟学生们在办公室讨论得热火朝天。

他们发现,Grover量子搜索算法的公式好像有点问题。

彼时,距离Grover提出这个公式,已经有两年时间,很多人在根据Grover的公式进行下一步探索。Grover可谓是本领域的开拓者,而龙桂鲁的团队,用他的话说就是:“我们在这个领域,名不见经传。”

Grover真的错了吗?学生们犹豫了,但龙桂鲁觉得这个公式就是有问题。

后来,龙桂鲁跟学生商量,给Grover发了一封邮件,把他们计算的结果附上。

Grover回复——真的是这样吗?

“所以我们就确定了,Grover实际上没意识到这个问题。”在龙桂鲁看来,这其实是学生自信不足,“做工作自信心还是非常重要的。”

当时,龙桂鲁把相关结果以及改进算法写成论文,投到物理顶尖期刊《Physics Review Letters》上,都没送审就被拒稿了。“他们不相信我们的结果,都没送去专家评审,我们就把文章发表在中国的《理论物理通讯》上了。”

龙桂鲁团队提出了最简单、最有效的量子搜索算法 | 图虫创意

2001年,龙桂鲁构造了量子精确搜索算法,论文发表在《Physical Review A》后来很多国际上的学者都引用了这篇文章。12年以后,有三位国外的科学家,研究了十几个改进算法,发现龙桂鲁的算法是当中最简单,也最有效的。甚至,Grover本人也肯定了龙桂鲁团队的工作。

按照Grover原始算法,在4个数据里找1个数据时,量子搜索的成功率是百分之百。但经过龙桂鲁团队的优化,不论多大数据,成功率都能达到百分之百

“当时我们觉得就是一个很小的工作,我们论文才写了三页纸。”很多年以后,龙桂鲁才意识到,这项工作其实对这个领域很有影响。

一般来说,物理学论文短的也要6-7页,长的20多页也不乏见。不过,龙桂鲁偏好写短文章:“我不愿意写那拖泥带水的东西,我们量子直接通信的文章,只有两页半,但是它开辟了一个领域。”

除了量子计算,龙桂鲁另一个主要研究方向,就是量子通信

量子计算大幅度提升了计算机的计算能力。“100万这样的一个大数据,用经典计算机搜索,需要50万次,而量子计算机只需要1000次。”搜索速度大大提升,可以大幅度提高破译密码、人工智能计算的速度。

如何保证信息的安全、保密?

“量子保密通信这种技术,就可以抵御未来量子计算机的攻击,安全性更高。”在量子通信这个领域,有两个方法:密钥分发和量子直接通信。龙桂鲁是后者的提出人,“用量子直接通信,中间可以检验有没有窃听,而且既能发现窃听,又不让窃听人拿走东西,这样的话直接通信的信息安全就有保障。”

量子直接通信安全性很高 | 图虫创意

“今年我们研制成功了量子直接通信的样机,在10公里内,可以传输4K比特的保密通信。”当年两页半的研究,开始逐渐改变、推动社会,在龙桂鲁眼中,这就是做研究的乐趣,“创新、应用。”

或许是因为着力于创新,在龙桂鲁身上有种对时间的紧张和敏感。

其实龙桂鲁最初的研究方向是原子核结构物理,1998年在清华晋升教授后,响应学校号召,才转向量子信息这个新兴领域。“新的领域,意味着挑战,但也充满机会——有太多东西可以发现、创新,我很庆幸走了这一步。”

在龙桂鲁看来,越是创新性的工作,越应该抓紧时间。“创新性的工作,要尽快发表出来,为了发表在影响因子更高的期刊,走两年甚至更久的审稿程序,不值得。有这两年,我可以做很多更重要的工作。”

因此而争取到的时间,龙桂鲁投入到更多的创新,以及应用上。“我希望我做出来的东西是有用的。比如量子科技如果不能用于实际,可能就发几篇文章,然后销声匿迹了。而科学家的理想是做出的成果,能推动学科的发展,甚至能实际推动一个产业的发展,从而促进社会的进步,最终服务于国家、人类。

12月12日,欢迎来中国科技馆报告厅,听龙桂鲁老师聊聊量子直接通信的故事。

监制:吴欧

策划:吴欧 麦芽杨

编辑:范可鑫

作者:范可鑫

排版:雷昱儿

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