出品：科普中国
制作：中国科学技术大学 袁岚峰
监制：中国科学院计算机网络信息中心
接着《解读量子通信京沪干线，包你懂（上）》，我们继续！
十、问：呼，终于明白了量子密码术是什么（真的吗……），那么京沪干线又是干什么的呢？
答：上面叙述的是量子密码术的原理。在实践中，由于实验条件的种种不完美，安全传输的距离是有限的，更远就不能保证安全了。
在很长时间内，安全传输距离只有10公里的量级，因此学术界曾经认为量子密码术基本已经到头了，没有太大前途。然而，2003至2005年期间，韩国和中国科学家提出了诱骗态协议，使得安全传输距离可以提高到百公里的量级。从此之后，量子密码术蓬勃发展，而中国获得了领先地位，大部分的新纪录都是中国科学技术大学的研究团队创造的。
2016年8月16日，墨子号量子卫星上天时，光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。2016年11月，中国科学技术大学、清华大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作，又把安全传输距离提高到了404公里，而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。也就是说，间隔102公里的量子保密电话已经是在技术上可行的了。
几百公里的范围，对于一个城市内部的通信来说是够用了，我国确实在合肥、芜湖、北京、上海、济南等地建设了实验性的量子政务网。但对于城市之间、国家之间甚至大洲之间的通信，几百公里的距离远远不够。也就是说，单凭光纤的话，量子密码术就好比以前的“小灵通”，只能在一个城市内部用。要实现从小灵通到手机的跨越，还需要另辟蹊径。
十一、问：怎么在更远的距离上实现量子保密通信呢？
答：这个问题对于经典通信其实同样存在，那里的回答是：用中继器。好的，量子通信也可以用中继器提高传输距离。
京沪干线做的事情，就是在北京、济南、合肥、上海的内部量子网络的基础上，通过32个中继节点（包括两端）把它们连接起来。这样，就可以在2000公里的范围内，实现量子保密通信。
十二、问：京沪干线的中继器是什么原理？
答：跟BB84协议的原理相比，量子通信中继器的原理真是简单到爆。如果前面你看得云里雾里，放心，这一段你肯定能看懂（欧耶！）。
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假设我们有一串节点，记作1号、2号、3号……，最后是n号。先在1号和2号之间建立量子通信，产生一个密钥，记作k1。然后在2号和3号之间建立量子通信，产生一个密钥，记作k2。2号把k1作为待传输的明文，用k2对它加密，传输给3号。3号同样把k1传输给4号，4号把k1传输给5号，……一路把k1传输给n号。最后1号把真正要传输的信息用k1加密，用任意的通信方式传给n号，就完成了。Give me five！
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十三、问：那么，带中继的量子保密通信安全性如何呢？
答：这取决于你跟谁比。好比你问，关羽的武力怎么样？那么跟吕布比和跟颜良比，答案完全不同。
颜良：我招谁惹谁了？（设计对白）
跟两点之间直接连接的量子密码术相比，安全性是下降了。因为现在所有的n个节点都知道密钥k1，你必须守住中间的n-2个中继器，任何一个中继器被敌方攻破都会泄密。当然，正是因为超出了两点直接连接的安全距离，你才要用中继器的。
但是跟经典通信比，安全性还是要高得多。因为在经典通信中，漫长的通信线路上每一点都可能泄密，每一点你都要防御。现在你只需要防守明确的n-2个节点，防线缩短了很多。
这里的基本逻辑是：在理想条件下，量子密码术能够实现“绝对安全”（回顾一下香农的定理，“绝对安全”是个数学术语），但现实的限制往往使你不能达到理想条件。这时你怎么办？完全放弃吗？不是的，你做一点比较小的妥协（引入中继站），就仍然可以在安全性损失不太多的情况下，大大扩展应用范围。好比酒里兑了水仍然算是酒，对于酒鬼来说，总比水好喝。
十四、问、“量子中继器”是怎么回事？
答：你真的是来问问题的吗？！不是扮猪吃老虎的？……这是个非常专业的问题，只有专家才知道量子中继器这个术语。
咳咳，好吧，既然你是专家，我们就用专业的语言阐述一下这个问题（画外音：也就是说，这个回答你如果看不明白，也没关系，不要在意那些细节~）。
量子密码术的中继器分为两类，分别叫做“可信中继”和“量子中继”。上面讲的，也就是京沪干线用的，属于可信中继。其实根据前面的叙述，你就可以看出来，“可信中继”的意思是“必须通过人力来保证它可信的中继”。而“量子中继”呢，其实是“比可信中继更可信的中继”，因为它天然就可信，不需要外力来保证。
量子中继器做的事是这样的：有1号、2号、3号三个节点，你最初在1号和2号之间分享一个“纠缠对”，在2号和3号之间分享另一个“纠缠对”，然后通过“纠缠交换”，让1号和3号之间建立“纠缠对”。然后用量子密码术中的“EPR协议”（前面提到过），让1号和3号产生和共享密钥。
“纠缠”是什么？你既然是专家，当然知道啦！如果不知道的话，请去看我的文章《你完全可以理解量子信息》（https://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml）。
简而言之，纠缠是一种多粒子体系的量子力学现象，表现为你只能定义这个多粒子体系整体的状态，而不能定义各个粒子单独的状态。当你对这个多粒子体系做测量时，就强迫各个粒子各自获得了一个状态。测量的结果是随机的，但无论是什么结果，你都可以预测测量后这些粒子状态之间的“关联”。
例如对于一个著名的纠缠态(|00> + |11>)/√2，你如果在测量后发现粒子1处于|0>，你就知道现在粒子2必然也处于|0>，而如果你在测量后发现粒子1处于|1>，你就知道现在粒子2必然也处于|1>。某一个测量之后粒子1处于|0>还是|1>，是无法预测的，但你可以预测两个粒子的状态必然相同，“同生共死”。再要问更多的话，就不在本文解释的范围了。
回到量子中继器。用了“纠缠交换”之后，再加上“纠缠纯化”和“量子存储”，就可以实现远距离的量子通信，而且用不着防守中间节点，因为中间节点并不知道密钥。作为对照，京沪干线的每个中间节点都还是要严防死守的。
量子中继是不是优于可信中继呢？那是当然。但是为什么不用？因为技术难度太高了。目前在实验室里可以勉强实现纠缠交换，但纠缠纯化和量子存储还差得很远。如果你看到有报道说谁谁做出了量子中继器，那八成是只有纠缠交换的。
既然你都问了这么深入的问题，我就再告诉你一个深入的要点。量子信息的技术可以分为两类：用到量子纠缠的和不用量子纠缠的。前者的难度大大高于后者，原因很明显，纠缠必然是针对多粒子体系的，而操纵多个粒子肯定比操纵单个粒子难。量子密码术可以不用量子纠缠（请仔细看，BB84协议里用的是单个光子），所以进步神速，已经接近产业化了。而量子隐形传态、量子计算机离不开量子纠缠，所以步履维艰，还处于实验室演示阶段。现在，大家满足了吧？
十五、问：京沪干线跟墨子号量子卫星是什么关系？
答：它们是实现远距离量子通信的两条技术路线，好比高铁和飞机是实现远距离交通的两条技术路线。
京沪干线是把中继器建在地上，而量子卫星相当于用卫星作中继器。量子卫星不在同步卫星的轨道上，它相对于地面的位置是时刻在变化的。那么你可以这一段时间让卫星跟合肥通信，下一段时间跟西藏通信，再下一段时间跟欧洲通信。通过卫星的中继，就能实现跨省甚至跨洲的量子通信。
量子保密通信“京沪干线”路线图
在2017年9月29日的新闻发布会上，中国科学院院长白春礼就通过墨子号与奥地利地面站的卫星量子通信，与奥地利科学院院长安东·塞林格（Anton Zeilinger，潘建伟的博士导师）进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。
中国科学院院长白春礼（电子屏右侧）在现场通过“墨子号”量子科学实验卫星，与奥地利科学院院长安东·塞林格（电子屏左侧）进行世界首次洲际量子保密通信视频通话。
当然，一颗卫星能覆盖的范围还有限。将来的目标是发射一个由20颗卫星组成的星座，那时就可以实现全球量子保密通信。
总而言之，天上有天上的搞法，地面有地面的搞法。每条技术路线都值得发展，各有各的用处，而且中国都是领导世界的。
十六、问：京沪干线开通，意义何在？
答：从实用的角度看，带中继的量子保密通信仍然是量子保密通信，相对经典通信具有本质性的优势。因此，对京沪干线最热心的不是科研团队（中国科学技术大学潘建伟研究组），而是金融系统的用户。2016年墨子号发射时，中国工商银行等若干金融机构已经在试用量子保密通信了，不过由于安全传输距离的限制，只能在一个城市内部使用。如果能在城际使用，对银行显然大有帮助，可以开展很多以前不能开展的业务。因此，在推动京沪干线的建设上，这些银行比香港记者跑得还快！
了解了这些背景，你就可以明白新闻里的说法（https://military.china.com/important/11132797/20170929/31532497_1.html）：
“最新开通的量子通信‘京沪干线’全线路密钥率大于20kbps，可满足金融、政务、国防等领域上万用户的密钥分发业务需求，目前已在交通银行、工商银行京沪间远程应用，并在阿里征信数据的异地加密传输等方面实现应用示范。”
在这个意义上，京沪干线是一种重要的基础设施，就像通信网络对于互联网一样。互联网其实在1969年就有了，但那时只有屈指可数的几个连接。基础设施建好之后，大量的用户就开发出爆炸性增长的应用，创造了奇迹。
未来学家凯文·凯利（Kevin Kelly）在《必然》一书中，讲到一件有趣的事：没有人预料到互联网会发展成今天这样。
凯文·凯利是《连线》（Wired）杂志的创始编辑，称得上互联网的先知了，但在1990年代早期的《连线》杂志中，对未来的展望仍然和美国广播公司（ABC）这样的广播、出版、软件和电影行业所希望的一样。在这种未来里，网络基本上是以电视的方式运作的。经过几次点击，你就能从5000个拥有相关内容的频道（而不是电视时代的5个频道）中选择观看。从所有时段都在播放的体育比赛，到与海水水族相关的内容，你可以从这些频道中任选一个沉浸其中。
那么问题来了，谁来给这5000个频道填充内容？哪个公司、哪个行业有这样的财力？ABC高级副总裁史蒂芬·怀斯怀瑟（Stephen Weiswasser）的态度就很具有代表性：业余者根本不会制作视频——用户产生的作品永远不会大规模实现；就算实现了，一个受众也吸引不来；就算吸引来了受众，也无关痛痒。因此，他们认为互联网只是孩子们玩的东西。凯文·凯利建议他们赶快把abc.com这个域名注册下来，他们也置若罔闻。
现在我们知道了，这些大佬们错在哪里。互联网上大部分的内容是由用户创作的，而且吸引到了大量的读者。看看微博、微信、优酷土豆、百度贴吧、今日头条等等，一目了然。举个例子，我的微博粉丝数是一百多万，在以前的时代，怎么可能想象一个人同时向一百万人发布信息，而不是通过媒体！
网络的本质特征之一就是“边际收益递增”，即网络中已有的用户越多，新用户得到的好处就越大。建好基础设施，有了足够多的用户，用户的创造性就会迸发，奇迹就会创造出来，这是网络发展的一般规律。
这条规律在“传统”的网络上已经充分表现了威力，可以预期，这一幕在量子保密网络中也将重演。开创量子互联网，将是中国对世界的重大贡献。
十七、问：鼓掌！……你讲的内容这么多，我需要消化一下……我该记住的核心信息是什么呢？
答：用英文说，这叫做take-home message，带回家的信息。呐，做人呢，最重要就是开心……
为了开心，你可以记住以下这几点，以后跟人谈起量子科技，你一开口就显得卓尔不群，很有范儿。哪几点呢？
一，媒体上说的量子通信，往往特指量子密码术。这是一种保密的方法，不是什么隔空传物、超光速传播之类玄而又玄的东西。它最大的好处，就是不需要信使，直接让通信双方获得密钥。
二，在量子通信的实验和产业化方面，中国是世界的领导者，其中贡献最大的就是中国科学技术大学潘建伟团队。量子通信是近代以来第一个由中国创造的新产业，具有里程碑式的意义。
三，京沪干线和量子卫星是实现远距离量子保密通信的两条技术路线，都属于量子互联网的基础设施。基础设施建好之后，大量的用户涌入，产生的成果不可限量。
四，科学技术是第一生产力，是最强大的力量之源，是推动人类进步的核心动力。为中国人民喝彩，为科技工作者喝彩，为中国科技界喝彩！
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作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
致谢：感谢中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室陈宇翱教授、陈腾云博士、陆朝阳教授、张强教授在科学内容方面的指教。
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