对话龙桂鲁：量子通信的硬核突破与温暖征途

  新华网北京2月6日电（林雨南 郭晓婷）近日，新华网量子频道走进北京量子科学信息研究院，专访研究院副院长、清华大学教授龙桂鲁，探究量子直接通信、量子计算领域突破背后的故事。

  龙桂鲁教授团队在国际量子信息研究方面颇有建树，尤其在量子算法和量子通信领域做出了奠基性贡献。曾有这样一个形象的比喻：他就像量子世界的“建筑师”和“翻译官”，设计让量子计算机运行的“思维方法”，并构建安全的“量子通信网”。

北京量子科学信息研究院副院长、清华大学教授龙桂鲁在工作中。新华网 林雨南 摄

  从麦克斯韦方程组到量子突破：龙桂鲁的科研坚守

  龙桂鲁教授曾有高中跳级、提前本科毕业、清华硕博连读等“开挂”的学习经历，我们很好奇，他最初是被哪些特质吸引，坚定了深耕物理领域的想法。

  龙桂鲁教授坦言，“物理学最吸引我的地方，在于它将深刻的数学和简洁的图像结合，拥有揭示自然本质的能力。我还记得第一次读到麦克斯韦方程组时的震撼--几个看似简单的方程式，竟然统一了电、磁、光这三种看似迥异的现象。”

  “在山东大学、清华大学学习时，了解到崭新的量子世界，让我意识到物理学的疆域远比日常生活经验更加辽阔，我深深被这种超越日常经验的自然奥秘所吸引。”

  “后来我从事量子信息领域的研究，建立了量子直接通信；提出了酉算符线性组合量子计算范式，做个简单的类比，例如：混合调味，将盐+酱油+醋按比例调成料汁，一次性倒进去，适合 “多因素混合作用”的复杂任务；构造了Grover-Long算法；正是源于对这种基础物理现象的理解和应用的探索热情。”

  从量子物理的基础原理出发，开拓新的计算、通信和测量范式--这个过程既保留了物理学探求真理的科学性，又体现了很快进行工程应用的创造性，这种基础与应用的交融让龙桂鲁教授始终保持着强烈的研究热情。

  龙桂鲁教授1987年起在清华大学任教，到后来去英国做博士后、回国组建团队，亲身亲历了量子信息领域从冷门到热门的转变。回国初期组建团队时，也遇到了多方面的挑战。

  “我确实亲历了量子信息从鲜为人知到举世瞩目的整个历程。当时国内对量子信息这一方向了解甚少，它既不归属于传统的电子领域，也与常规的物理研究有差异。”龙桂鲁教授意味深长地说，“最大的困难的确是人才的稀缺。资源上，最初的实验室条件非常简陋，但我们坚信这个方向的价值，靠自行搭建的光学平台开始了最早的实验研究。”

  当这个领域逐渐成为热点，尤其是近几年受到国家的高度关注后，新的挑战也随之而来。如何守住研究的初心和深度，为国家解决实际问题成为关键。

  龙桂鲁教授眼神坚定地说，“我保持专注的方式主要有两点：一是始终将科学问题本身作为‘锚点’，坚持科学求真的初心；二是面对国家的重大需求，努力推动工程实用化。”

  量子直接通信是“特效药”不是“万能药”

  龙桂鲁教授介绍，过去的2025年，其团队在量子直接通信领域连续取得两项世界级突破：一是创下百公里光纤通信速率新纪录；二是首次完成星地量子直接通信系统的模块级火箭搭载验证，迈出了构建“空天地一体化”量子网络的关键一步。

  那么量子直接通信和我们平时用的微信、电话通信，在安全性上最大的区别是什么？普通人未来能在哪些场景用到它？对此龙桂鲁教授解释道：“传统加密通信（如银行转账、保密通话）依赖数学算法的计算复杂度。而量子直接通信利用量子态的物理特性，其中一个就是测量改变状态，若有窃听就会被发现，从而从物理原理上实现了阻止信息泄露，实现隐蔽通信，保证了信息安全、人身安全和网络安全。这是一种‘先天免疫’式的安全范式。”

龙桂鲁教授在演示量子电话的使用。新华网 郭晓婷 摄

  “对普通人而言，它可能首先应用于对安全有极致要求的场景：金融与政务领域，健康医疗隐私，物联网核心指令（如电网控制指令传输等）。在战场上提醒指挥员位置暴露，避免精准清除，保护人身安全；在网络上消除篡改和侵入，助力网络安全。”

  “值得说明的是，量子直接通信并不替代现在的通信，而是为信息社会的‘关键命脉’构建一层物理级别的特效防护。它是特效药，不是万能药。”

龙桂鲁教授介绍四节点量子直接通信网络设备。新华网 林雨南 摄

  龙桂鲁的算法突破：让量子搜索成功率达100%

  龙桂鲁教授谈起他改进的Grover-Long算法（龙算法）滔滔不绝：“这项工作的核心贡献，是从数学上证明了量子搜索可以做到100%的成功率。Grover-Long算法可以将破解对称密码（如AES）所需的时间从N次尝试减少到根号N次，例如100万个样本的数据库，经典搜索需要100万次，量子搜索只需要1000次，这是一个巨大的加速。”

  在未来，量子搜索可以大幅度加速人工智能的处理速度。它还是对称密码安全的试金石，未来的密码算法必须扛得住Grover-Long算法的攻击。未来的世界充满着各种各样的大数据，搜索必将成为不可或缺的工具，等到量子计算机硬件能力提升之后，每天都离不开Grover-Long算法。”

  从实验室到实用化：中国量子科技的优势、短板与未来展望

  现在量子科技成为全球热门赛道，国内外都在大力投入。龙桂鲁教授认为我国在量子科技领域的核心优势，首先体现在从原创理论到工程实践的全链条创新能力，以及支撑这种创新的、富有活力的“集中力量办大事”的科研体制。

  龙桂鲁教授以他深耕的量子直接通信为例解释：“这条路是我们团队率先提出的。早期在高校研究时，我们深感工程化能力不足——物理学家难以精通所有必要的工程细节。但近年来，像北京量子信息科学研究院这类新型研发机构的建立，有效打破了单位、学科和产学研之间的壁垒。它们能快速集结跨领域的研发团队，以更灵活高效的方式组织攻关，使我们成功将量子直接通信的距离和速率提升上千倍，达到百公里语音的实用化水平。”

  当然，我们也清醒地看到需要补齐的短板。一是“硬技术”的根植性与供应链安全。要实现完全的自主可控，必须在更上游的核心元器件、材料和精密制造装备上深耕，这需要更长期的耐心投入和更坚实的产业基础。二是“软生态”的繁荣度与人才储备。量子科技的终极价值在于广泛应用，这需要吸引大量企业，特别是富有活力的创新型企业，以及既懂量子物理又懂工程与行业的复合型人才进入生态。目前，这样面向产业应用的跨学科人才队伍仍有巨大缺口。

  展望未来，龙桂鲁教授认为将是量子技术从实验室演示走向实际应用的关键孵化期。在量子通信方面，安全通信的实用化将大步迈进。

  龙桂鲁教授表示，“我们的量子直接通信系统，其速率已能支持实时语音通话。未来，它极有可能在政务、金融等对安全有极端要求的场景率先获得示范性应用，构建更广域乃至全球化的量子安全通信网络。”

龙桂鲁教授在介绍空间量子直接通信平台设备的使用。新华网 郭晓婷 摄

  “在量子计算方面，里程碑式的突破可能在于专用量子模拟机的实用化。通用量子计算机尚需时日，但针对特定复杂问题（如新材料设计、药物模拟）的专用系统，有望在十年内真正用于解决实际的科学难题。同时，量子计算云平台将得到普及，繁荣应用开发生态。”

  餐巾纸上的科研初心：龙桂鲁谈育人与创新

  我们在网络上注意到，有学生分享，您会在餐巾纸上随手拆解量子原理，还会深夜赶来办公室和学生讨论课题。您认为培养年轻科研人，比传授知识更重要的是什么？有没有哪些重要的科研灵感，是和学生“头脑风暴”时“聊出来”的？

  龙桂鲁教授认真地说：“培养年轻科研人，比传授具体知识更重要的是塑造他们的科学品格与问题意识。知识本身更新得很快，今天教给学生的内容，十年后可能已经被改写；但如何提出真正有价值的问题，如何在不确定性中保持理性判断和学术定力，是一名科研工作者一生都要依靠的能力。”

  “至于在餐巾纸上推导，或者深夜讨论课题，其实并不刻意，是科研人员专注工作的乐趣，创新的念头会瞬时消失，必须抓紧记录。创新的科学思想往往诞生于非正式、非程式化的交流之中。在这样的讨论里，没有标准答案，只有对问题本身的专注讨论，才更可能产生创新。宽松、激烈的交流碰撞是创新的重要来源。”

  最后，龙桂鲁教授对现在想出国深造、之后回国发展的年轻科研工作者，从他的视角给出了建议：出国是为了学习知识、洞察世界，回国除了生活和事业，还应为解决国家重大需求亟待解决的问题而努力拼搏。

  从麦克斯韦方程组里窥见的自然奥秘，到量子直接通信的世界级突破；从Grover-Long算法100%成功率的硬核创新，到专用量子模拟机触手可及的未来，一代又一代科研人的坚守与奔赴，让高冷的量子世界，始终涌动着滚烫的家国情怀。

  这份情怀，是从实验室到应用场的步履不停，是从追赶到领跑的底气所在，更是科学探索最温暖、最持久的动力，而年轻一辈的接力，终将让中国量子科技的光芒，照亮更远的征途。

责任编辑: 王嘉兴