2025年春节之后，我国在科技创新与文化产业连续取得一系列里程碑式成果突破，并在人工智能、动画电影、量子通信领域勇夺多个全球第一！
从人工智能领域的DeepSeek达到全球算力第一，到动画电影领域的《哪吒2》拿下全球动画电影票房榜TOP1，再到100%国产化的量子直接通信技术创下百公里量子直接通信速率世界纪录，这些一个又一个的“No.1”告诉我们，这些重大突破无一不源自于文化自信和自主创新！
北京量子信息科学研究院副院长、清华大学教授龙桂鲁教授近日刚在国际知名期刊Science Advances上发表论文，借此契机，量子前哨对龙桂鲁教授进行了独家专访，他为我们对源于中国的量子直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）技术，从理论构想如何成功迈向实际应用阶段的整个发展历程进行了权威解读。
范式是用来打破的
2000年，量子通信的前景初见端倪，全球研究热度很高。在这一背景下，时年 38 岁的清华大学教授龙桂鲁则提出了一个大胆的创新设想：
“除了使用量子态来分发密钥以外，能不能直接用量子态传输信息？”龙桂鲁教授的设想来源于对“量子纠缠态”的深度思考：“既然量子态不可分割、不可复制，是不是可以将信息直接编码在量子态上？”
这一极具前瞻性的设想打破了固有范式，为量子通信开辟了一个全新的研究方向：量子直接通信。
量子直接通信是用量子态直接传送信息的一种新型通信方式，能够直接利用量子态将信息秘密地从一个终端传输到另一个终端，传统通信关心的是信息在噪声信道下的可靠传输，本身不解决信息的安全问题；量子直接通信则实现了在既有噪声又有窃听的信道下信息的可靠和安全通信。
图1 龙桂鲁教授讲解量子直接通信原理
2000年，龙桂鲁团队在国际上提出了第一个量子直接通信的物理模型———两步量子通信方案，开拓了量子直接通信这一新的量子通信研究方向。
2007年，龙桂鲁教授和邓富国、文凯等人探讨了如何利用量子媒介实现可重复使用的一次性密码本（Vernam Cipher），并提供了两种明确的协议和相关的安全性证明。
2016-2017 年，国内多所高校的科研团队通力合作，分别完成了龙桂鲁教授提出的“基于单光子”和“基于纠缠态”的量子直接通信协议的原理演示实验，不仅验证了量子直接通信的可行性，还为后续的实用化研究打下坚实基础。
在回顾量子直接通信的发展历程时，龙桂鲁教授特别强调了北京量子信息科学研究院（简称“北京量子院”）的成立对推动量子直接通信技术突破的关键作用。他指出，北京量子院打破了传统科研体系的“三堵墙”，即不同单位之间的壁垒、不同专业行业的隔阂、产学研脱节的壁垒，为量子直接通信的快速发展提供了强大的平台支持。
正是在这种科研生态下，量子直接通信技术迎来了多个里程碑式的突破：
针对单向协议可能遭受窃听而泄露信息的问题，龙桂鲁教授团队提出了创新解决方案：利用事先共享的密钥对光量子态加密。利用量子态来检测窃听，若未检测到窃听，则重复使用共享密码继续通信，即使遭遇窃听，仍能确保信息本身的安全。龙桂鲁教授还特别提到，北京玻色量子创始人、CEO 文凯在这方面做出了突出贡献，提供了在无损耗的信道下单向量子直接通信的安全性证明。
可以说，量子直接通信从理论提出、技术研发、实验验证到设备研制，均由国内科研团队独立完成，其核心技术和知识产权完全由我国掌握，是100% 国产化的科研成果，不仅展现了我国在关系国家信息安全命脉的量子通信领域的自主创新能力，也为中国在全球量子科技竞争中赢得了标准话语权。
“中国血统”的量子直接通信
在量子通信领域，龙桂鲁教授团队用25年的时间，走出了一条独属于我国自主知识产权从“提出”到“领跑”的康庄大路。
国际上首个量子直接通信的理论模型———两步量子通信方案是在2000年由龙桂鲁教授团队提出，开拓了这一全新的领域，因此该方案从理论到编码方式，均为中国原创。龙桂鲁教授团队提出的“两步协议”，为量子直接通信奠定了坚实的理论基石。
图2 龙桂鲁教授讲解量子直接通信与量子通信网络
单向量子直接通信直接利用量子态传输信息，通信与加密同步完成，摆脱了对任何数学算法的依赖。此次在104.8km标准光纤通信实验测试中，龙桂鲁教授团队实现了连续168小时、速率为2.38k bps的稳定传输，首次证明其可独立支撑城域安全通信网，成为“一站式”的国产量子通信工具。
龙桂鲁教授介绍，与2022年的系统相比，此次速率提升了4760倍，极大地提升了量子直接通信的性能。这也意味着量子直接通信已接近满足城域量子通信网络的部署需求。
量子直接通信是剂“特效药”，实用潜力巨大
25年来，量子直接通信经历了从理论模型到实验验证、再到网络化应用的跨越。中国团队在该领域的研究尤为突出，推动了量子直接通信向实用化迈进。
龙桂鲁教授强调，量子直接通信借助量子态实现安全通信，具有窃听感知、阻止窃听、兼容现有网络、简化管理流程以及隐蔽传输等五大特性。在信息安全日益重要的当下，量子直接通信为保障信息传输安全提供了全新解决方案。
在采访的过程中，龙桂鲁教授反复提及“误码率”这个词。窃听会改变量子态，从而使得误码率大幅上升。
图3 龙桂鲁教授现场演示第二代量子直接通信系统
一方面，我们可以根据误码率判断是否有人窃听。在量子直接通信的过程中，一旦发现误码率增大，就会立即停止当前量子通信。为了保证通信的顺利，可以采用其他路线继续量子通信，或者直接在光纤网络里转换到经典加密通信。如果传输的误码率在允许范围，就是无人窃听，可以继续通信。量子通信并非想象的那样脆弱，一窃听就中断，而是允许一定的窃听，只要误码率不高于11%，就可以进行通信。
另一方面，我们还可以根据误码率来分析信道容量。龙桂鲁教授比喻说，误码率可以将其看作信息所行驶的公路，公路的“误码率”很高，就像越多的堆积物品阻挡道路，导致能通车的信道变窄。因此，误码率越高，信道的容量越低。
量子态传输中损耗大，如在光纤中传输50公里，90%的信号都损失了。在量子直接通信中，丢失的信号和接收到的信号有关联，这严重地降低了量子直接通信的容量。为解决这一问题，龙桂鲁教授团队采用了掩膜增容技术（INCUM），用本地随机数掩盖接收端没有收到的量子态，隔断其与接收到的量子态的关联，使窃听者无法从其中获取任何信息，进而提高了信道容量。
龙桂鲁教授向量子前哨记者表示，量子直接通信是一剂 “特效药”，而非万能药。它可应用于对窃听感知有特别需求的保密通信，以及保护使用者的隐秘通信等领域，为庞大的信息安全工具库增添一个新工具。在应用场景方面，量子直接通信可用于金融领域、能源电力行业、政府与外交领域、军事国防等对安全性要求较高的场景。
我们有理由相信，随着量子中继、集成光学等技术的突破，量子直接通信有望成为未来量子安全互联网的核心组件，构成安全、畅达的通信脉络，为中国的通信自主权提供更为牢不可破的新堡垒。
龙桂鲁教授简介
龙桂鲁，清华大学教授，国家杰出青年基金获得者，北京量子信息科学研究院副院长，中国通信学会量子通信委员会主任，美国和英国物理学会会士，IUPAP 量子科技工作组委员，世界经济论坛未来委员会委员，AAPPS Bulletin 主编。山东大学理学学士（1982），清华大学理学博士（1987）。1987 起在清华大学从教，1989-1993 在英国 Sussex 大学做博士后研究。长期从事量子信息研究，提出了量子直接通信理论，率领团队研制国际首台样机和实用化系统，并成功试用；构造了量子精确搜索的龙算法；提出了对偶量子计算范式。共发表 SCI 论文 500 余篇，Google Scholar 引用 30000 余次。获国家自然科学二等奖、中国物理学会饶毓泰物理奖、中国通信学会科技一等奖、中国电子学会科技一等奖、IBM 全球杰出学者奖和汤森路透卓越研究奖等。