量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络：利用量子精密测量实现对信息的高精度感知、利用量子通信实现信息的安全和高效传输、利用量子计算实现信息的指数级加速处理，从而实现对物质世界认知能力的革命性飞跃。构建量子网络的基本要素正是量子密钥分发、量子隐形传态，以及支撑它们能够远距离传输的纠缠纯化等
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深度解读2025年度图灵奖：量子信息技术从梦想到现实
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深度解读2025年度图灵奖：
量子信息技术从梦想到现实
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3月18日，美国计算机协会（ACM）宣布，美国学者查尔斯·本内特（Charles H. Bennett）和加拿大学者吉勒斯·布拉萨德（Gilles Brassard）获得2025年度图灵奖，以表彰他们“建立量子信息科学基础以及变革安全通信与计算方面所发挥的关键作用 (for their essential role in establishing the foundations of quantum information science and transforming secure communication and computing)”。
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2025年度图灵奖两位得主
正如本次图灵奖的获奖人介绍中所述[1]，两位获奖人的贡献主要集中在三个方面。
1
1984年，Bennett和Brassard引入了第一个实用的量子密码学协议——BB84协议。这一工作证明了密钥的安全性可以由物理定律来保证，即使面对拥有无限计算能力和技术成熟度（如量子计算机）的对手也是如此。除了密码学之外，Bennett和Brassard的工作重塑了计算的理论基础。
2
1993年，他们与其他合作者一起引入了量子隐形传态，证明了一个任意的量子态如何利用量子纠缠和经典通信，在遥远双方之间传输。这一发现表明纠缠可以作为实用资源。
3
1996年，他们关于纠缠纯化的工作证明了不完美的纠缠如何可以被强化为高质量纠缠，这是迈向可扩展量子通信的关键一步。这些思想支撑了从构建量子网络、到最终构建能够在全球距离上传输量子信息的量子互联网的持续努力。
围绕此次图灵奖的授予，《量子科话》邀请中国科学技术大学教授徐飞虎进行专访，从量子密钥分发、量子隐形传态和纠缠纯化三个方面，对这一里程碑式奖项进行了系统解读。
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“不可窃听”的量子密钥分发（QKD）
问
为什么说量子密钥分发改变了信息安全的基本逻辑？
徐飞虎回答道，实现安全的信息传输是人类长久以来的梦想。传统加密方法依赖计算复杂性这一尚未得到严格数学证明的假设。在加密技术的发展历史上，几乎每一次看似坚固的算法，最终都被更强大的破解手段所攻破，这使得信息安全始终处于持续的威胁之下。尤其值得关注的是，量子计算的快速发展正带来前所未有的挑战。其强大的并行计算能力，将从根本上动摇当前依赖计算复杂度的公钥加密体系，例如广泛应用的RSA算法。国际学术界和产业界的主流观点认为，到2035年前后，很可能出现具备实际能力、能够有效破解RSA等主流公钥加密算法的量子计算机。因此，传统密码体系亟需向抗量子计算的新型密码体系过渡。
1984年，Bennett和Brassard提出的量子密钥分发方案（即BB84协议），开辟了一条完全不同的通信方式：利用量子力学基本定律，而非计算复杂性，来保证加密通信的安全。其核心思想是利用量子力学中的不确定性原理和不可克隆定理来保证密钥分发的安全性。单个粒子可以同时处于多个状态，即处于叠加态。不确定性原理表明，任何试图观测量子态的行为都会不可避免地改变系统的原始状态；而不可克隆定理表明单个量子态无法被完美复制。由此可知，窃听者无法在不被通信双方察觉的情况下，偷偷复制或测量原量子态。这意味着任何对量子信号的窃听尝试都会带来不可消除的扰动，从而引起通信双方警觉。
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量子密钥分发原理
值得一提的是，英国物理学家Artur Ekert在1991年代引入量子纠缠和贝尔不等式违背的概念，独立提出了基于量子纠缠的量子密钥分发方案（即E91协议），该方案与BB84等价，但为原始的非纠缠BB84协议的安全性证明提供了更简洁的方案。
QKD的安全性基于量子力学的基本性质，与任何计算假设无关。结合QKD和“一次一密”，密文的安全性已经得到了信息学层面的严格证明，是迄今唯一达到“信息论可证”安全的通信方式，即使是量子计算机也无法破解。
另一种保障通信安全的方式是抗量子计算的数学密码，又称后量子密码（PQC）。PQC仍然属于经典密码学范畴，其基本思路是选取那些目前已知的量子算法（如Shor算法）难以高效求解的数学问题（如格问题、编码问题等）。需要指出的是，PQC仍然依赖计算复杂性假设，其安全性并未得到严格证明；事实上，已有部分候选PQC方案在发展过程中被攻破或削弱。
在实际部署中，两种技术各有优势。PQC兼容现有密码基础设施、部署成本较低，适合大规模推广；而QKD的安全性独立于计算复杂性，从理论上可以永久解决密钥安全分发问题，但需要专用量子信道与硬件系统，当前成本较高。因此，面对未来量子计算时代的信息安全，融合QKD与PQC二者的优势是国际学术界的主流意见。正如本次图灵奖的介绍所述[1]，“量子密码学，连同新兴的抗量子经典方法（即后量子密码，PQC）——尽管该方法尚未得到安全性证明，代表了未来几十年保障数字通信安全的途径之一。”
问
量子密钥分发在现实中落地，面临哪些核心挑战？
徐飞虎指出，尽管QKD在原理上具有信息论安全性，但从理论走向实际应用，必须解决现实安全性问题与远距离传输问题。
第一次QKD的原理性实验演示于1992年由Bennett与Brassard等人完成，距离为32.5厘米。但这个实验没有使用单光子源或弱相干光源，而是使用了LED[2]。1993年，John Rarity等在10公里光纤中演示了相位编码光子的QKD[3]；1995年，James Franson等人实现了一个自动化的、基于光纤的QKD系统[4]；1996年，Nicolas Gisin等在穿越日内瓦湖的商业光纤上演示了超过20公里的QKD[5]。随后，世界各地进行了大量的研究和创新，试图将这一理论构想转变为实用技术。
然而，QKD发展道路上存在两大主要挑战。第一个挑战是现实安全性。按照QKD的协议，只有在使用完美的单光子源和完美的探测器时才是理想安全的。遗憾的是，理想的设备在实践中并不存在，设备的不完善性有可能成为各种攻击的目标。围绕现实安全性问题，量子密码学在过去几十年中发展出一整套现实安全理论与技术框架。其中，针对光源最具威胁而难以克服的攻击是“光子数分离攻击”[6]。2002年到2004年，韩国学者黄元瑛，多伦多大学的罗开广、马雄峰，华人学者王向斌等人提出了诱骗态方法并给出严格的安全性证明，解决了现实条件下光子数分离攻击的问题[7-9]。2006年，中国科大潘建伟等组成的联合团队以及美国Los-Alamos国家实验室-NIST联合实验组分别独立利用诱骗态方案，在实验上将光纤量子通信的安全距离首次突破100km，解决了光源不完美带来的安全隐患[10,11]。
另一种可能存在的隐患集中在探测器终端上，其中最具威胁是针对单光子探测器的“致盲攻击”[12]。2012年，受到E91方案的启发（即对不可区分光子进行后选择的量子纠缠），罗开广等[13]提出了“测量器件无关的（MDI）”QKD方案，可以抵御任何针对探测器的攻击，彻底解决了探测器攻击问题。2013年，潘建伟等通过发展高精度双光子干涉技术，首次实现了MDI-QKD实验验证[14]；进一步，研究团队利用双场（TF）MDI-QKD方案并发展高稳定性高精度时频传递技术，将无中继现场光纤传输距离突破500km[15]和室内光纤传输距离突破1000km [16]，首次实现千公里无中继光纤量子通信。
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基于“济青干线”将现场光纤无中继量子密钥分发的距离突破500km
上述的QKD方案需要对器件参数进行精确标定以保障现实安全性，这通常会在实际应用中带来不便。而受E91方案启发的基于量子纠缠的“器件无关量子密钥分发（DI-QKD）”方案则突破了这一限制：即使量子器件完全不可信，只要通信双方能够建立起足够高品质的纠缠并验证无漏洞的贝尔不等式违背，就能严格保证密钥分发的安全而无需对器件参数进行精确标定。因此，DI-QKD被Brassard誉为“密码学者千年来所追寻的‘圣杯’”。2026年，潘建伟等通过发展长寿命量子存储器、高效率光子通信接口及高保真度单光子干涉等关键技术，首次将DI-QKD的传输距离突破百公里[17,18]，极大推进了该技术的实用化进程。
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利用长寿命量子存储首次将DI-QKD的传输距离突破百公里
这些工作把理想模型下的安全性推广到了现实器件条件下的安全性。正如我们应邀为国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》（RMP）所撰写的关于量子通信现实安全性的论文中所指出的那样[19]，过去二十多年间，国际学术界在现实条件下量子保密通信的安全性上做了大量的研究工作，信息论可证的安全性已经建立起来。
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我国学者发表在《现代物理评论》的关于量子密钥分发现实安全性的综述论文
第二个核心挑战是远距离传输。在光纤中，光信号会随距离指数衰减，使得QKD在传统地面链路中难以突破数百公里的限制。对此，一种根本性的解决方案是利用空间信道，通过卫星实现超长距离量子通信。
空间信道中的大气损耗远低于光纤，使得量子信号可以在全球尺度上传输，从而为构建洲际量子通信网络提供了现实路径。中国在这一方向取得了突破性进展。通过“墨子号”量子科学实验卫星[20]，潘建伟及同事首次实现了千公里量级的星地QKD，通信速率较同距离地面光纤信道提高了20个数量级[21]。
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“墨子号”量子卫星实现千公里级量子密钥分发
结合远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，我国率先构建了天地一体的广域量子通信网络雏形[22]。基于“京沪干线”与全国多地量子城域网的互联，已形成覆盖17个省市、80余个城市的“国家广域量子保密通信骨干网”，总光纤长度超过10000公里，成为目前全球规模最大的量子保密通信网络[23]，服务于电信、政务、金融、能源等多个关键领域。中国电信推出的“量子密话”服务，已惠及超过 600 万用户。
在量子密钥分发的实验与工程实现方面，中国学者走在了国际前列，推动着该领域从基础原理验证走向大规模实际应用。
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“国家广域量子保密通信骨干网” 于2022年全线贯通并通过验收
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Teleportation：量子信息交互唯一有效途径
问
量子隐形传态在量子信息体系中扮演什么角色？
徐飞虎解释道，量子隐形传态之所以在量子网络中具有重要地位，是因为它几乎是唯一可扩展、可行的量子信息远程传输方式。量子信息不能被完美复制，又会在测量时被干扰，因此无法像经典信息那样通过“复制—转发”的方式在网络中传播。
量子隐形传态在效率上的优势尤为关键。若要传输一个包含100个量子比特的量子信息，量子隐形传态只需要建立100对纠缠资源即可完成。而如果尝试用经典方式，由于量子叠加原理，100个量子比特需要用约2100比特的经典数据量等效描述，这相当于目前全世界数据存储总量的约100万倍，几乎不可能实现！
在实验方面，中国科学家同样取得了一系列突破。潘建伟在1997年参与了国际上首次实现量子隐形传态的实验工作[24]，而该工作被公认为量子信息实验研究的开山之作。此后，潘建伟团队持续推动其向更复杂体系发展，先后实现了终端开放、多体、多自由度的量子隐形传态，不断扩展量子隐形传态的技术边界。2017年，通过“墨子号”量子卫星，我国学者首次将量子隐形传态的距离突破千公里[25]，标志着量子通信从地面网络迈向空间尺度。这些工作奠定了广域量子网络的技术基础。
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“墨子号”量子卫星实现千公里级地星量子隐形传态
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Entanglement Purification：构建量子网络的关键一步
问
纠缠纯化为什么被认为是量子网络的关键步骤？
徐飞虎指出，在真实环境中，纠缠不可避免地受到噪声和损耗影响，其保真度会迅速下降。而量子网络要求高质量纠缠作为资源，这就引出了纠缠纯化问题。其基本思想是，通过局域操作与经典通信，从低质量纠缠中提取少量高保真纠缠。可以说，没有纠缠纯化，就无法获得高保真纠缠；没有高保真纠缠，就没有远距离、可扩展的量子网络。
中国学者在该方向取得重要进展。2001年，潘建伟提出了基于线性光学手段的纠缠纯化方案，使其能够在现有技术水平下实现[26]，并于2003年首次完成实验实现，证明量子信息处理中任意未知退相干效应可被克服[27]。
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从理论构想到全球量子网络，量子信息时代加速到来
徐飞虎最后补充道，量子密码学并非一开始就被大众理解并接受。早在20 世纪 70 年代初，已故物理学家Stephen Wiesner就提出了量子货币的设想，但因为概念太过超前，导致论文迟迟没有发表。但他的思想实验却深深地影响了Bennett与Brassard。从1979年Bennett与Brassard的海滩偶遇，到1984年发表BB84协议，再到今天的天地一体量子通信网络，量子信息科学走过了从“思想实验”到“工程现实”的四十多年的历程。
“展望未来，量子信息科学的下一阶段将包括对容错量子计算机、新型量子算法，以及由卫星和量子中继器支撑的远距离量子通信的持续探索。隐形传态、纠缠交换与纠缠纯化——这些曾经被视为抽象理论构想的概念——如今正逐步成为实用量子工程体系的核心组成部分。”美国计算机协会（ACM）评价道[1]。量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络：利用量子精密测量实现对信息的高精度感知、利用量子通信实现信息的安全和高效传输、利用量子计算实现信息的指数级加速处理，从而实现对物质世界认知能力的革命性飞跃。构建量子网络的基本要素正是量子密钥分发、量子隐形传态，以及支撑它们能够远距离传输的纠缠纯化等。
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量子网络示意图
Bennett 和 Brassard 的开创性理论工作获得了2025年图灵奖，正是因为其深远的现实意义被当今全球量子技术的迅猛发展所证明。我国学者在将他们的理论转化为现实技术方面发挥了决定性作用，显著提升了这一领域的全球影响力。作为计算机科学领域的最高荣誉，此次图灵奖的授予，不仅是对其开创性理论工作的肯定，也清晰传递出一个信号：量子通信与量子网络，已从前沿探索走向信息科学的核心版图，其基础性价值正获得全球计算机与信息科学界的广泛认可与高度重视。
参考资料：
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