龍桂魯教學(xué)團(tuán)隊(duì)：用量子技巧保證通訊保險(xiǎn)

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物理系龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)“量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究”獲2013年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

用量子技巧保證通信安全

練習(xí)記者 衛(wèi)夢(mèng)嬌

　　項(xiàng)目稱號(hào)

　　量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究

　　項(xiàng)目成員

　　龍桂魯、鄧富國(guó)、仝殿民、李巖松、王川

　　名目先容

　　量子通信和量子計(jì)算存在重要的策略意義。該研究建立了國(guó)際上第一個(gè)量子直接安全通信模型，開(kāi)拓和增進(jìn)了量子通信新方向的發(fā)展。提出的構(gòu)造量子通信新方法被廣泛應(yīng)用。構(gòu)建了第一個(gè)多方高維量子密集編碼模型，提出了高維多方通信方案。多方高維密集編碼模型曾經(jīng)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并成為實(shí)驗(yàn)研究的主要利用目的。改進(jìn)了著名的格羅夫（Grover）量子算法，建立了相位匹配實(shí)踐，被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和廣泛運(yùn)用，獲得算法提出者格羅夫和量子計(jì)算創(chuàng)始人本尼沃夫（Benioff）等的確定；實(shí)驗(yàn)上完成了包括量子搜索算法在內(nèi)的一批重要量子算法。這些發(fā)明性研究成果被國(guó)際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)組所驗(yàn)證，失掉了廣泛引用，發(fā)生了重要普遍的國(guó)際影響。

圖為龍桂魯研究團(tuán)隊(duì)成員合影。物理系 供圖

　　在當(dāng)下熱播的諜戰(zhàn)劇中,清華培訓(xùn)，諜報(bào)搜集者們經(jīng)由過(guò)程收音機(jī)接受一段看似無(wú)序的數(shù)字，而后依據(jù)當(dāng)時(shí)商定好的暗碼書(shū)，將數(shù)碼改變?yōu)楣P墨。如許的信息通報(bào)方法并不是編劇們的藝術(shù)創(chuàng)作，而是阿誰(shuí)時(shí)期實(shí)在而原始的密碼學(xué)。

　　“但是跟著科技的成長(zhǎng)，量子范疇最有名的兩年夜算法向信息安全提出了史無(wú)前例的挑釁，開(kāi)展量子通信和量子盤(pán)算機(jī)勢(shì)在必行。”物理系教學(xué)龍桂魯說(shuō)，“量子信息的意思不下于核兵器。一旦產(chǎn)生戰(zhàn)斗，有的國(guó)家領(lǐng)有量子通信和量子計(jì)算技術(shù)，有的國(guó)家不，這就猶如一個(gè)瞽者與一個(gè)正凡人打斗，對(duì)方能把你看得清明白楚，你卻看不到敵手，非常風(fēng)險(xiǎn)。”

　　龍桂魯研究團(tuán)隊(duì)晝夜兼程，在量子信息領(lǐng)域開(kāi)展深刻研究。

　　工夫不負(fù)苦心人，終究，他們樹(shù)立了國(guó)際上第一個(gè)量子保險(xiǎn)通信模子，開(kāi)辟了量子通信的一個(gè)新標(biāo)的目的，結(jié)構(gòu)了改良的量子搜尋算法，建破了相位婚配，并在試驗(yàn)上完成了量子算法。憑仗“量子通訊跟量子算法的物理基本研討”，龍桂魯團(tuán)隊(duì)取得2013年度國(guó)度天然迷信獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

挑戰(zhàn)前沿開(kāi)展量子信息勢(shì)在必行

　　普通來(lái)講，傳統(tǒng)密碼多由單向函數(shù)形成，當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)上較為經(jīng)常使用的RSA算法就采取了典范的因數(shù)分解式。計(jì)算兩個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積其實(shí)不難，個(gè)別的計(jì)算器就可以做到，不外要將乘積分化為兩個(gè)質(zhì)因數(shù)卻并非易事，這也是久長(zhǎng)以來(lái)RSA算法運(yùn)作的機(jī)制。

　　但是，在上世紀(jì)90年月中期，美國(guó)科學(xué)家皮特·休爾（PeterShor）提出了大因數(shù)分解的量子算法；差未幾同時(shí)，物理學(xué)家格羅夫（Grover）提出了著名的非構(gòu)造化數(shù)據(jù)的 “量子搜索算法”（“Grover算法”），可以破譯DES密碼體制。量子領(lǐng)域最著名的兩大算法接踵提出，象征著以大數(shù)因式分解算法為根據(jù)的RSA公然密鑰密碼體系將會(huì)在量子計(jì)算眼前摧枯拉朽。量子計(jì)算和量子通信研究在國(guó)際上構(gòu)成熱門(mén)，成為具備重要戰(zhàn)略意義的研究領(lǐng)域，發(fā)展量子信息勢(shì)在必行。

　　在這類布景下，1998年龍桂魯率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在科技部、教導(dǎo)部和國(guó)家天然科學(xué)基金委項(xiàng)目支持下，開(kāi)始進(jìn)行量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究。龍桂魯團(tuán)隊(duì)起首從量子搜索算法開(kāi)始切入研究，“其時(shí)我們還不是特殊肯定應(yīng)當(dāng)先從哪動(dòng)手，手頭有甚么就干什么。記切當(dāng)時(shí)看到的第一篇文章就是對(duì)于Grover算法的，于是團(tuán)隊(duì)的科研途徑就從這里開(kāi)始了。”恰是在不經(jīng)意間，龍桂魯科研團(tuán)隊(duì)翻開(kāi)了量子信息研究的大門(mén)。那時(shí)的他們不會(huì)想到，這個(gè)并非決心挑選的研究方向，居然在往后產(chǎn)生了嚴(yán)重科研發(fā)現(xiàn)。

敢想敢做相位婚配和改進(jìn)量子搜索算法

　　Grover算法由兩個(gè)HW 變更和兩個(gè)相位取反構(gòu)成，包含格羅夫等在內(nèi)的物理學(xué)家都以為肆意相角滾動(dòng)皆可構(gòu)造量子搜索算法。但由于效力較低，在能夠抉擇時(shí)，大師就默許應(yīng)用180度來(lái)停止計(jì)算。

　　“咱們得感激他的這個(gè)過(guò)錯(cuò)的估量。”龍桂魯笑著說(shuō)，“因?yàn)樵谒�作了這個(gè)預(yù)判以后，各人都沒(méi)有持續(xù)深入做這方面的研究，因而我們就成為第一個(gè)往這方面做研究的科研團(tuán)隊(duì)。”

　　只管龍桂魯把科研方向的取舍歸功于“運(yùn)氣”，但機(jī)會(huì)常常只留給有籌備的人，福氣背地，是大量踏實(shí)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)求證。在二維動(dòng)彈中，龍桂魯團(tuán)隊(duì)發(fā)明，得出的數(shù)據(jù)無(wú)奈轉(zhuǎn)換成表白式，于是他們應(yīng)用計(jì)算機(jī)獲得了大量數(shù)據(jù)并停止計(jì)算，以此驗(yàn)證是不是隨便相角轉(zhuǎn)動(dòng)都可構(gòu)成量子搜索算法。

　　但沒(méi)想到的是，他們得出的計(jì)算結(jié)果竟然與格羅夫揣度的估計(jì)相反，隨意率性角度相位轉(zhuǎn)動(dòng)并不克不及進(jìn)行有用的搜索！為了求真證偽，龍桂魯團(tuán)隊(duì)特地給格羅夫發(fā)了一封郵件，并在信中論述了團(tuán)隊(duì)的研究成果。收到郵件后的格羅夫十分欣喜和驚嘆，因?yàn)樗�在提出此�?xiàng)推論后并沒(méi)有進(jìn)行驗(yàn)證。

　　根據(jù)此項(xiàng)研究結(jié)果，龍桂魯團(tuán)隊(duì)在 1999年頒發(fā)了相干科研論文，他們指出，并非恣意角度都能實(shí)現(xiàn)量子搜索，角度之間必需滿意必定的關(guān)聯(lián)，這即是著名的“相位匹配”理論的由來(lái)。利用“相位匹配”，龍桂魯團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了改進(jìn)量子搜索算法，搜索勝利率到達(dá)100%，改進(jìn)了“Grover量子算法”，而他們的研究工作也開(kāi)始遭到海內(nèi)外研究者的看重。

　　量子計(jì)算機(jī)開(kāi)創(chuàng)人之一本尼沃夫（Benioff）教授很快留神到了龍桂魯團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，并在美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)量子計(jì)算大會(huì)呈文中援用了他們的任務(wù)結(jié)果；國(guó)際著名量子算法專家巴勒姆（Burham）和沃爾夫（Wolf）教授等人也在計(jì)算機(jī)國(guó)際大會(huì)講演中引用此項(xiàng)成果；而改進(jìn)后的算法更是被美國(guó)圣地亞哥加州大學(xué)在教養(yǎng)中使用；而在前多少年，經(jīng)過(guò)相位匹配前提改進(jìn)后的算法，已被荷蘭施普雷（Spreeuw）傳授研究組使用光學(xué)方式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　2000年，龍桂魯團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上提出了第一個(gè)量子直接平安通信（QSDC）的物理模型———兩步量子通信計(jì)劃，開(kāi)拓了量子直接安全通信這一新的量子通信研究偏向。

　　2002年，隨著量子信息的研究方向開(kāi)始向高維和多方量子系統(tǒng)發(fā)展，龍桂魯團(tuán)隊(duì)又第一次在國(guó)際上建立了多方高維量子密集編碼模型，提出了高維多步量子通信方案，發(fā)展了散布式量子通信。

　　機(jī)遇一次次看重龍桂魯科研團(tuán)隊(duì)，要害在于他們不科學(xué)威望，不害怕艱苦。試想，假如沒(méi)有一開(kāi)端對(duì) Grover算法的質(zhì)疑，沒(méi)有他們一次次的摸索，沒(méi)有大批的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支持，來(lái)自中國(guó)的量子通信和量子算法研究隊(duì)伍很難在剛起步時(shí)就登上如斯遼闊的平臺(tái)。而這所有，都源于這支年青步隊(duì)的敢想敢做。

團(tuán)隊(duì)合作亦師亦友獨(dú)特進(jìn)步

　　龍桂魯曾六次獲評(píng)清華大學(xué)“良師良朋”名稱，他曾的學(xué)生、項(xiàng)目第二實(shí)現(xiàn)人、北京師范大學(xué)物理系教授鄧富國(guó)曾屢次抒發(fā)對(duì)龍桂魯?shù)木囱雠c感激：“記得2003年冬季的一個(gè)早晨，我發(fā)現(xiàn)可能可以用單光子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子直接通信后，即時(shí)高興地給龍教員打德律風(fēng)，卻完整疏忽他因傷風(fēng)曾經(jīng)歇息。讓我驚奇的是，大概過(guò)了一刻鐘，龍先生竟然披著大衣從家離開(kāi)辦公室找我探討！我看了看表，已經(jīng)是深夜十一點(diǎn)多了。我心坎又感謝又慚愧，也再一次感觸到一位真正學(xué)者對(duì)學(xué)術(shù)的執(zhí)著尋求。”

　　“失掉國(guó)家做作科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)是人人的聲譽(yù)。”龍桂魯說(shuō)，“仝殿平易近是我的同窗，鄧富國(guó)、李巖松、王川是我之前的博士生，他們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目支出了良多血汗。我們還要感謝物理系原主任陳皓明教授和機(jī)電系盧強(qiáng)院士在專業(yè)上的引領(lǐng)，梁尤能、王大中、顧秉林、康克軍和薛其坤等歷任校引導(dǎo)在科研方面賜與我們的支撐，龔克、朱邦芬、李惕培、李家明、李衍達(dá)、周炳坤、李志堅(jiān)、張鈸、孫家廣和鄭厚植等多位老師和校友的鼎力輔助。”龍桂魯說(shuō)，龍桂魯夸大，清華造就人材不但給“干糧”，而且給“獵槍”，豈但教授常識(shí)，并且教授獲得悉識(shí)的方法。始終以來(lái)，龍桂魯在培育先生的過(guò)程當(dāng)中，也是最為器重教授給先生自立進(jìn)修的辦法。

　　在這樣的團(tuán)隊(duì)中，有支持?jǐn)v扶幫助的先輩，有踴躍長(zhǎng)進(jìn)的子弟，團(tuán)隊(duì)中的每小我都盡力奮進(jìn)，霸占一個(gè)個(gè)科研困難，繼承為中國(guó)的通信安全奇跡努力著。

　　起源：新清華 2014-5-16