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量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，量子通信具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，并因此成為國(guó)際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
二、量子通信理論由來
“1935年5月的一天早晨，愛因斯坦像往常一樣準(zhǔn)時(shí)來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮(zhèn)快兩年了，已經(jīng)熟悉并開始喜歡這個(gè)恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發(fā)表在《物理評(píng)論》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰(zhàn)勝老對(duì)手玻爾了。與此同時(shí)，在大西洋彼岸的哥本哈根大學(xué)玻爾研究所，愛因斯坦的文章立刻引起了物理學(xué)家玻爾的關(guān)注和不安。這對(duì)他來說簡(jiǎn)直是個(gè)晴天霹靂！玻爾立刻放下所有的工作，他說：‘我們必須睡在問題上。’愛因斯坦和玻爾是20世紀(jì)兩位最偉大的物理學(xué)家，他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻(xiàn)。然而，他們對(duì)于這個(gè)理論的含義卻一直爭(zhēng)論不休。這一爭(zhēng)論被稱為‘關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)’?！报D―引自郭光燦院士《愛因斯坦的幽靈：量子糾纏之謎》。
郭光燦院士書中所指的“物理學(xué)靈魂”的論戰(zhàn)，與“量子糾纏”現(xiàn)象有著莫大的關(guān)系。 在量子力學(xué)中，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個(gè)粒子，即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”和影響對(duì)方的狀態(tài)，這就是量子糾纏。盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、駁倒愛因斯坦的實(shí)驗(yàn)論據(jù)
對(duì)EPR實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證始于1960年，在1980年終于獲得有說服力的結(jié)果。這些是實(shí)驗(yàn)大多都是以光子來做為自旋關(guān)聯(lián)。主要是利用院子的級(jí)聯(lián)輻射，選擇出光子動(dòng)量為0的情形。1982年，法國(guó)物理學(xué)家艾倫•愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現(xiàn)象確實(shí)存在，這一結(jié)論對(duì)西方科學(xué)的主流世界觀產(chǎn)生了重大的沖擊。它證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時(shí)空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。
四、突破傳統(tǒng)的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國(guó)家的科學(xué)家，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案：將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。在量子通信系統(tǒng)中，共享信息的兩個(gè)人必須共享幾乎一致的兩個(gè)成對(duì)產(chǎn)生并永遠(yuǎn)纏結(jié)在一起的光子。一旦信息被帶到第一個(gè)光子上，它將會(huì)消失并重現(xiàn)在第二個(gè)光子上，以實(shí)現(xiàn)不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸?shù)母拍钍且粤孔游锢韺W(xué)為基礎(chǔ)的，它所使用的是具有波、粒兩重性但沒有電荷和質(zhì)量的光子，而不是常規(guī)使用的電子。在量子通信中，報(bào)文是以不加外力傳輸方式傳輸?shù)?。不加外力傳輸方式就是使信息在一個(gè)地方消失，從而使其能在另一個(gè)地方出現(xiàn)的過程。它不需要通過空中、太空或線路傳輸。在這一過程中，發(fā)送者與接收者共享所需光子的數(shù)量，決于所發(fā)送報(bào)文的長(zhǎng)度。在量子通信中，由于光子只能成對(duì)產(chǎn)生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一個(gè)發(fā)送者和一個(gè)接收者之間進(jìn)行。如果接收者需要將報(bào)文傳送給其他人，則每次必須共享和使用纏結(jié)在一起的新的一對(duì)光子。因此，量子網(wǎng)絡(luò)必須一個(gè)鏈路一個(gè)鏈路地建立。
利用量子信息技術(shù)之一量子密碼術(shù)，可實(shí)其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在這個(gè)方案中，糾纏態(tài)的非定域性起著至關(guān)重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。
五、量子通信的發(fā)展?fàn)顩r
量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性，不但在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。
為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實(shí),從上世紀(jì)90年代開始,國(guó)內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國(guó)IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局都對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究，歐盟在1999年集中國(guó)際力量致力于量子通信的研究，研究項(xiàng)目多達(dá)12個(gè)，日本郵政省把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國(guó)科技大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績(jī)。
量子密鑰分發(fā)是最先有望實(shí)用化的量子信息技術(shù)，它可以帶來絕對(duì)安全的信息傳輸方式，因此，科學(xué)家們一直致力于全球化量子密鑰分發(fā)的研究。而要實(shí)現(xiàn)全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，人們需要突破距離的限制。目前，由于光纖損耗和探測(cè)器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發(fā)的距離已基本到達(dá)極限，而由于地球曲率和遠(yuǎn)距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發(fā)也很難實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離，因此，要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的甚至是全球任意兩點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)，基于低軌道衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)是最具潛力和可行性的方案。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，則需要克服大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等諸多問題。
為了克服星地量子密鑰分發(fā)的上述困難，中科院協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術(shù)研究所進(jìn)行了多年的合作技術(shù)攻關(guān)，自主研制了高速誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)光源和輕便的收發(fā)整機(jī)，自主發(fā)展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來模擬低軌道衛(wèi)星的角速度和角加速度；利用熱氣球來模擬隨機(jī)振動(dòng)和衛(wèi)星姿態(tài)；利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗(yàn)證了星地之間安全量子信道的可行性。
據(jù)了解，該研究為我國(guó)通過發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)和在大尺度量子理論基礎(chǔ)檢驗(yàn)，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對(duì)論，奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。這是繼去年實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)和百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)后，中科院量子科技先導(dǎo)專項(xiàng)取得的又一階段性重要突破，同時(shí)也是量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的最新重要成果。
中國(guó)科學(xué)家成功破譯H5N1分子機(jī)制
新華網(wǎng)消息，中國(guó)科學(xué)家在美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告說，他們“破譯”了H5N1禽流感病毒感染人的分子機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)防止禽流感病毒擴(kuò)散具有重要意義。
此前科學(xué)家已經(jīng)知道禽流感病毒可以感染人，并確認(rèn)病毒表面一種名為血凝素（HA）蛋白的突變，讓禽流感病毒能夠通過空氣在雪貂之間傳播，但科學(xué)家一直不了解完成這一過程的分子機(jī)制。
中國(guó)科學(xué)院病原微生物與免疫學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員借助蛋白質(zhì)大分子晶體學(xué)研究方法，微觀研究了HA蛋白與相關(guān)受體的結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，一旦HA蛋白發(fā)生某種結(jié)構(gòu)變化，其受體結(jié)合特性就會(huì)從禽類變成人類。
中圖分類號(hào):TP 183 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1672-8513(2011)05-0388-08
The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures
ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng
（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）
Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .
Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography
1 量子信息時(shí)代
量子信息技術(shù)的研究對(duì)象是實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的相干疊加并對(duì)其進(jìn)行有效處理、傳輸和存儲(chǔ)，以創(chuàng)建新一代高性能的、安全的計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng).量子通信和量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)是量子物理學(xué).量子信息科學(xué)技術(shù)是在20世紀(jì)末期發(fā)展起來的新學(xué)科，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)將有大的發(fā)展［1］.
量子有許多經(jīng)典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態(tài)就是其中突出的一個(gè).原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個(gè)量子系統(tǒng)之間存在瞬時(shí)的超距量子關(guān)聯(lián)，這種狀態(tài)被稱為量子糾纏態(tài)［1］.
量子的另一個(gè)奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因?yàn)榱孔討B(tài)具有測(cè)不準(zhǔn)和不可克隆的屬性，根據(jù)這種屬性除了合法的收發(fā)信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態(tài).這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術(shù)是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統(tǒng)的“一次一密”方式加密.量子糾纏態(tài)的超距作用預(yù)示，如果能夠利用量子糾纏態(tài)進(jìn)行通信，將獲得超距和超高速通信.
量子計(jì)算機(jī)是一種以量子物理實(shí)現(xiàn)信息處理的新型計(jì)算機(jī).奇妙的是量子計(jì)算具有天然的并行性.n量子位的量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)操作能夠處理2n個(gè)狀態(tài)，具有指數(shù)級(jí)的處理能力，所以可以用多項(xiàng)式時(shí)間解決一些指數(shù)復(fù)雜度的問題.這就使得一些原來在電子計(jì)算機(jī)上無法解決的困難問題，在量子計(jì)算機(jī)上卻是可以解決的.
2 量子計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)有密碼提出嚴(yán)重挑戰(zhàn)
針對(duì)密碼破譯的量子計(jì)算機(jī)算法主要有以下2種.
第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計(jì)算復(fù)雜度為O(N).對(duì)于密碼破譯來說，這一算法的作用相當(dāng)于把密碼的密鑰長(zhǎng)度減少到原來的一半.這已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有密碼構(gòu)成很大的威脅，但是并未構(gòu)成本質(zhì)的威脅，因?yàn)橹灰衙荑€加長(zhǎng)1倍就可以了.
第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Shor在1997年提出的在量子計(jì)算機(jī)上求解離散對(duì)數(shù)和因子分解問題的多項(xiàng)式時(shí)間算法.利用這種算法能夠?qū)δ壳皬V泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協(xié)商體制進(jìn)行有效攻擊.對(duì)于橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計(jì)算機(jī)上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對(duì)于整數(shù)的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計(jì)算機(jī)上可以容易地分解k比特的整數(shù)［5］，其中N≈2k.根據(jù)這種分析，利用1448qbit的計(jì)算機(jī)可以求解256位的橢圓曲線離散對(duì)數(shù)，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國(guó)第2代身份證的安全.利用2048qbit的計(jì)算機(jī)可以分解1024位的整數(shù)，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務(wù)的安全
Shor算法的攻擊能力還在進(jìn)一步擴(kuò)展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴(kuò)展到求解隱藏子群?jiǎn)栴}(HSP)，凡是能歸結(jié)為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計(jì)算機(jī)能夠走向?qū)嵱茫F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計(jì)算機(jī)對(duì)我們的密碼提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).
3 抗量子計(jì)算密碼的發(fā)展現(xiàn)狀
抗量子計(jì)算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：
第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計(jì)算不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼.
量子保密的安全性建立在量子態(tài)的測(cè)不準(zhǔn)與不可克隆屬性之上，而不是基于計(jì)算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計(jì)算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計(jì)算的.由于技術(shù)的復(fù)雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.
第3類抗量子計(jì)算密碼是基于量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)的數(shù)學(xué)問題構(gòu)建的密碼.基于量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題構(gòu)建密碼，就可以抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計(jì)算密碼［9］.
所有量子計(jì)算機(jī)不能攻破的密碼都是抗量子計(jì)算的密碼.國(guó)際上關(guān)于抗量子計(jì)算密碼的研究主要集中在以下4個(gè)方面.
3.1 基于HASH函數(shù)的數(shù)字簽名
1989年Merkle提出了認(rèn)證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數(shù)的安全性.目前量子計(jì)算機(jī)還沒有對(duì)一般Hash函數(shù)的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計(jì)算性質(zhì).與基于數(shù)學(xué)困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構(gòu)造單向陷門函數(shù),給定1個(gè)單向函數(shù)(通常采用Hash函數(shù))便能造1個(gè)Merkle簽名方案.在密碼學(xué)上構(gòu)造1個(gè)單向函數(shù)要比構(gòu)造1個(gè)單向陷門函數(shù)要容易的多,因?yàn)樵O(shè)計(jì)單向函數(shù)不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運(yùn)用置換、迭代、移位、反饋等簡(jiǎn)單編碼技巧的巧妙組合,以簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)指令或廉價(jià)的邏輯電路達(dá)到高度復(fù)雜的數(shù)學(xué)效果.新的Hash標(biāo)準(zhǔn)SHA-3［11］的征集過程中,涌現(xiàn)出了許多新的安全的Hash函數(shù),利用這些新的Hash算法可以構(gòu)造出一批新的實(shí)用Merkle簽名算法.
Merkle 簽名樹方案的優(yōu)點(diǎn)是簽名和驗(yàn)證簽名效率較高，缺點(diǎn)是簽名和密鑰較長(zhǎng),簽名次數(shù)受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數(shù)與需要構(gòu)造的二叉樹緊密相關(guān).簽名的次數(shù)越多,所需要構(gòu)造的二叉樹越大,同時(shí)消耗的時(shí)間和空間代價(jià)也就越大.因此該方案的簽名次數(shù)是受限制的.近年來,許多學(xué)者對(duì)此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數(shù), 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數(shù),便能構(gòu)造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數(shù)必須是抗強(qiáng)碰撞的.這是對(duì)原始Merkle簽名方案的有益改進(jìn).上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術(shù)上已基本滿足工程應(yīng)用要求, 一些成果已經(jīng)應(yīng)用到了Microsoft Outlook 以及移動(dòng)路由協(xié)議中［16］.
雖然基于Hash函數(shù)的數(shù)字簽名方案已經(jīng)開始應(yīng)用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數(shù)、減小簽名和密鑰的尺寸、優(yōu)化認(rèn)證樹的遍歷方案以及如何實(shí)現(xiàn)加密和基于身份的認(rèn)證等功能，均值得進(jìn)一步研究.
3.2 基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼
基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯(cuò)的方法作為私鑰, 加密時(shí)對(duì)明文進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，并主動(dòng)加入一定數(shù)量的錯(cuò)誤, 解密時(shí)運(yùn)用私鑰糾正錯(cuò)誤, 恢復(fù)出明文.
McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點(diǎn), 提出了第1個(gè)基于糾錯(cuò)編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設(shè)G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機(jī)選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設(shè)G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個(gè)明文m∈GF(2)k,則計(jì)算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機(jī)向量.要解密密文c, 首先計(jì)算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應(yīng)明文m= m′S-1.
1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎(chǔ)上.McEliece密碼已經(jīng)經(jīng)受了30多年來的廣泛密碼分析,被認(rèn)為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運(yùn)算比較快, 但該方案也有它的弱點(diǎn), 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.
1986年Niederreiter提出了另一個(gè)基于糾錯(cuò)碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗(yàn)矩陣.該系統(tǒng)的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗(yàn)矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯(cuò)誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時(shí),首先根據(jù)加密表達(dá)式可推導(dǎo)出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國(guó)學(xué)者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價(jià)的.
McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯(cuò)碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質(zhì)是它的最大優(yōu)點(diǎn). 其缺點(diǎn)是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實(shí)用性.
因此, 如何用糾錯(cuò)碼構(gòu)造一個(gè)既能加密又簽名的密碼, 是一個(gè)相當(dāng)困難但卻非常有價(jià)值的開放課題.
3.3 基于格的公鑰密碼
近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優(yōu)勢(shì):①由于格上的一些困難性問題還未發(fā)現(xiàn)量子多項(xiàng)式破譯算法，因此我們認(rèn)為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計(jì)算的性質(zhì).②格上的運(yùn)算大多為線性運(yùn)算,較RSA等數(shù)論密碼實(shí)現(xiàn)效率高,特別適合智能卡等計(jì)算能力有限的設(shè)備.③根據(jù)計(jì)算復(fù)雜性理論,問題類的復(fù)雜性是指該問題類在最壞情況下的復(fù)雜度.為了確?；谠擃惱щy問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復(fù)雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻(xiàn)［22］中開創(chuàng)性地證明了:格中一些問題類的平均復(fù)雜度等于其最壞情況下的復(fù)雜度.Ajtai和Dwork利用這一結(jié)論設(shè)計(jì)了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個(gè)能被證明其任一隨機(jī)實(shí)例與最壞情況相當(dāng).盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實(shí)現(xiàn)效率太低、而缺乏實(shí)用性.
1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個(gè)大維數(shù)的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)空間小.然而, 基于NTRU的數(shù)字簽名方案卻并不成功.
2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個(gè)體制在簽名時(shí)泄露了私鑰信息,導(dǎo)致了一類統(tǒng)計(jì)攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設(shè)計(jì)者改進(jìn)了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結(jié)合最大公因子方法和統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數(shù)字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個(gè)簽名方案做了很大的改進(jìn),在簽名過程中增加了對(duì)消息的擾動(dòng), 大大減少簽名中對(duì)私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復(fù)雜.但這些簽名方案都不是零知識(shí)的,也就是說,簽名值會(huì)泄露私鑰的部分相關(guān)信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數(shù)為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設(shè)計(jì)值保守推薦該方案每個(gè)密鑰對(duì)最多只能簽署107 次,實(shí)際中一般認(rèn)為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國(guó)學(xué)者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點(diǎn)是無限制泄露的最終形式只是關(guān)于私鑰的一組復(fù)雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現(xiàn)的時(shí)間都還較短，還需要經(jīng)歷一段時(shí)間的安全分析和完善.
由上可知，進(jìn)一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設(shè)計(jì)構(gòu)造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.
3.4 MQ公鑰密碼
MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項(xiàng)式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡(jiǎn)稱為MQ密碼.它最早出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經(jīng)典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應(yīng)用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一.其主要有3個(gè)原因:一是量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典公鑰密碼的挑戰(zhàn);二是MQ密碼孕育了代數(shù)攻擊的出現(xiàn)［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉(zhuǎn)化為MQ問題,人們?cè)噲D借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數(shù)攻擊的興起又帶動(dòng)了MQ密碼的蓬勃發(fā)展;三是MQ密碼的實(shí)現(xiàn)效率比經(jīng)典公鑰密碼快得多.在目前已經(jīng)構(gòu)造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動(dòng)電話、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算能力有限的設(shè)備, 這是RSA等經(jīng)典公鑰密碼所不具備的優(yōu)勢(shì).
MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學(xué)領(lǐng)域中論文數(shù)量最多、最活躍的研究分支.
設(shè)U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數(shù),稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復(fù)合所構(gòu)成的單向陷門函數(shù),即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構(gòu)造具有良好密碼性質(zhì)的非線性可逆變換F是MQ密碼設(shè)計(jì)的核心.根據(jù)中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.
1988年日本的Matsumoto和Imai運(yùn)用"大域-小域"的原理設(shè)計(jì)出第1個(gè)MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標(biāo)準(zhǔn)的候選方案.1995年P(guān)atarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發(fā)展的一個(gè)里程碑,為該領(lǐng)域帶來了一種全新的設(shè)計(jì)思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進(jìn)MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項(xiàng)目收錄,用于智能卡的簽名標(biāo)準(zhǔn)算法.該標(biāo)準(zhǔn)簽名算法在2007年美密會(huì)上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動(dòng)和加模式方法給出了MI的改進(jìn)方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國(guó)也給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］，改進(jìn)后的方案可以抵抗文獻(xiàn)［36］的攻擊.但這些改進(jìn)方案的安全性還需進(jìn)一步研究.
1996年P(guān)atarin針對(duì)MI算法的弱點(diǎn)提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對(duì)MI的實(shí)質(zhì)性改進(jìn).2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進(jìn)算法.一是HFEv-體制,它是結(jié)合了醋變量方法和減方法改進(jìn)而成,特殊參數(shù)化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結(jié)合內(nèi)部擾動(dòng)方法對(duì)HFE的改進(jìn).這2種MQ密碼至今還未發(fā)現(xiàn)有效的攻擊方法.
油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構(gòu)造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時(shí)只需隨機(jī)選擇一組醋變量代入油醋多項(xiàng)式,然后結(jié)合要簽名的文件,解一個(gè)關(guān)于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年P(guān)atarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會(huì)上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會(huì)議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個(gè)數(shù)相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項(xiàng)式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認(rèn)為是相對(duì)安全的MQ密碼之一.
三角形體制是現(xiàn)有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進(jìn)行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國(guó)申請(qǐng)了專利.丁津泰等指出當(dāng)時(shí)所有的TTM實(shí)例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個(gè)新的TTM 實(shí)例,這個(gè)新的實(shí)例被我國(guó)學(xué)者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設(shè)計(jì)主要是圍繞鎖多項(xiàng)式的構(gòu)造、結(jié)合其它增強(qiáng)多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數(shù)結(jié)構(gòu)如有理映射等.
我國(guó)學(xué)者也對(duì)MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數(shù)鏈對(duì)MQ密碼進(jìn)行擴(kuò)展,提出了有理分式公鑰密碼系統(tǒng)［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個(gè)TTM新實(shí)例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國(guó)給出了一種SFLASH的改進(jìn)方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國(guó)基于擴(kuò)展MQ，設(shè)計(jì)了一種Hash函數(shù)［52-53］，該Hash函數(shù)具有一些明顯的特點(diǎn).同年，王后珍、張煥國(guó)借鑒有理分式密碼單向函數(shù)鏈的思想［52］，對(duì)MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一種新的抗量子計(jì)算擴(kuò)展MQ密碼［54］.這些研究對(duì)于擴(kuò)展MQ密碼結(jié)構(gòu)，做了有益的探索.但是這些方案提出的時(shí)間較短，其安全性有待進(jìn)一步分析.
根據(jù)上面的介紹,目前還沒有一種公認(rèn)安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點(diǎn)是:只能簽名,不能安全加密(加密時(shí)安全性降低)，公鑰大小較長(zhǎng)，很難設(shè)計(jì)出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.
3.5 小結(jié)
無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計(jì)算不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.
量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產(chǎn)生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統(tǒng)密碼.因此，嚴(yán)格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數(shù)字簽名和認(rèn)證方面還存在一些困難.
對(duì)于DNA密碼，目前雖然已經(jīng)提出了DNA傳統(tǒng)密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術(shù)都還不成熟［9-10］.
對(duì)于基于量子計(jì)算不擅長(zhǎng)計(jì)算的那些數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的密碼，現(xiàn)有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯(cuò)碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴(yán)格的理論分析.
總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.
4 我們的研究工作
我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計(jì)算密碼.目前獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，并取得了以下2個(gè)階段性研究成果.
4.1 利用多變量問題，設(shè)計(jì)了一種新的Hash函數(shù)
Hash 函數(shù)在數(shù)字簽名、完整性校驗(yàn)等信息安全技術(shù)中被廣泛應(yīng)用.目前 Hash 函數(shù)的設(shè)計(jì)主要有3類方法:①直接構(gòu)造法.它采用大量的邏輯運(yùn)算來確保Hash函數(shù)的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數(shù)均是采用這種方法設(shè)計(jì)的.②基于分組密碼的Hash 函數(shù)，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構(gòu)造法.利用一些難解性問題諸如離散對(duì)數(shù)、因子分解等來構(gòu)造Hash 函數(shù).在合理的假設(shè)下，這種Hash函數(shù)是可證明安全的，但一般來講其效率較低.
我們基于多變量非線性多項(xiàng)式方程組的難解性問題，構(gòu)造了一種新的Hash 函數(shù)［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項(xiàng)式方程組的求解困難性之上.方程組的次數(shù)越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權(quán)衡安全性和效率來控制多變量多項(xiàng)式方程組的次數(shù)和稠密度，以構(gòu)造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數(shù).
4.2 對(duì)MQ密碼進(jìn)行了擴(kuò)展，把Hash認(rèn)證技術(shù)引入MQ密碼，得到一種新的擴(kuò)展MQ密碼
擴(kuò)展MQ密碼的基本思想是對(duì)傳統(tǒng)MQ密碼的算法空間進(jìn)行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統(tǒng)MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對(duì)稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質(zhì). 同時(shí), 算法空間的拓展破壞了傳統(tǒng)MQ密碼的一些特殊代數(shù)結(jié)構(gòu)性質(zhì), 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規(guī)模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認(rèn)證技術(shù), 攻擊者偽造簽名時(shí), 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數(shù)認(rèn)證, 雙重安全性保護(hù)極大地提升了傳統(tǒng)MQ公鑰密碼系統(tǒng)的安全性. 底層MQ體制及Hash函數(shù)可靈活選取, 由此可構(gòu)造出一類新的抗量子計(jì)算公鑰密碼體制.這種擴(kuò)展MQ密碼的特點(diǎn)是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.
我們提出的基于多變量問題的Hash函數(shù)和擴(kuò)展MQ密碼，具有自己的優(yōu)點(diǎn)，也有自己的缺點(diǎn).其安全性還需要經(jīng)過廣泛的分析與實(shí)踐檢驗(yàn)才能被實(shí)際證明.
5 今后的研究工作
5.1 量子信息論
量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質(zhì)，據(jù)此我們估計(jì)量子的信息特征也會(huì)有一些特殊的性質(zhì).這些特殊性質(zhì)將會(huì)使量子信息論對(duì)經(jīng)典信息論有一些新的擴(kuò)展.但是，具體有哪些擴(kuò)展，以及這些新擴(kuò)展的理論體系和應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.
5.2 量子計(jì)算理論
這里主要討論量子可計(jì)算性理論和量子計(jì)算復(fù)雜性理論.
可計(jì)算性理論是研究計(jì)算的一般性質(zhì)的數(shù)學(xué)理論.它通過建立計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，精確區(qū)分哪些是可計(jì)算的，哪些是不可計(jì)算的.如果我們研究清楚量子可計(jì)算性理論，將有可能構(gòu)造出量子計(jì)算環(huán)境下的絕對(duì)安全密碼.但是我們目前對(duì)量子可計(jì)算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.
計(jì)算復(fù)雜性理論使用數(shù)學(xué)方法對(duì)計(jì)算中所需的各種資源的耗費(fèi)作定量的分析，并研究各類問題之間在計(jì)算復(fù)雜程度上的相互關(guān)系和基本性質(zhì).它是密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，公鑰密碼的安全性建立在計(jì)算復(fù)雜性理論之上.因此，抗量子計(jì)算密碼應(yīng)當(dāng)建立在量子計(jì)算復(fù)雜性理論之上.為此，應(yīng)當(dāng)研究以下問題.
1） 量子計(jì)算的問題求解方法和特點(diǎn).量子計(jì)算復(fù)雜性建立在量子圖靈機(jī)模型之上，問題的計(jì)算是并行的.但是目前我們對(duì)量子圖靈機(jī)的計(jì)算特點(diǎn)及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計(jì)算問題求解的方法和特點(diǎn).
2） 量子計(jì)算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性之間的關(guān)系.與電子計(jì)算機(jī)環(huán)境的P問題、NP問題相對(duì)應(yīng), 我們記量子計(jì)算環(huán)境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對(duì)量子計(jì)算復(fù)雜性與傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性的關(guān)系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關(guān)系是怎樣的？ NPC與QP的關(guān)系是怎樣的？NPC與QNP的關(guān)系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關(guān)系到我們應(yīng)基于哪些問題構(gòu)造密碼以及所構(gòu)造的密碼是否具有抗量子計(jì)算攻擊的能力.
3） 典型難計(jì)算問題的量子計(jì)算復(fù)雜度分析.我們需要研究傳統(tǒng)計(jì)算環(huán)境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？
5.3 量子計(jì)算環(huán)境下的密碼安全性理論
在分析一個(gè)密碼的安全性時(shí)，應(yīng)首先分析它在電子計(jì)算環(huán)境下的安全性，如果它是安全的，再進(jìn)一步分析它在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性.如果它在電子計(jì)算環(huán)境下是不安全的，則可肯定它在量子計(jì)算環(huán)境下是不安全的.
1） 現(xiàn)有量子計(jì)算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現(xiàn)在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復(fù)雜度是多大？
2) 尋找新的量子計(jì)算攻擊算法.因?yàn)槊艽a的安全性依賴于新攻擊算法的發(fā)現(xiàn).為了確保我們所構(gòu)造的密碼在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是安全的，必須尋找新的量子計(jì)算攻擊算法.
3) 密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性分析.目前普遍認(rèn)為, 基于格問題、MQ問題、糾錯(cuò)碼的譯碼問題設(shè)計(jì)的公鑰密碼是抗量子計(jì)算的.但是，這種認(rèn)識(shí)尚未經(jīng)過量子計(jì)算復(fù)雜性理論的嚴(yán)格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的實(shí)際安全性如何？只有經(jīng)過了嚴(yán)格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.
5.4 抗量子計(jì)算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù)
通過量子計(jì)算復(fù)雜性理論和密碼在量子計(jì)算環(huán)境下的安全性分析的研究，為設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算密碼奠定了理論基礎(chǔ)，并得到了一些可構(gòu)造抗量子計(jì)算的實(shí)際困難問題.但要實(shí)際設(shè)計(jì)出安全的密碼，還要研究抗量子計(jì)算密碼的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù).
1) 量子計(jì)算環(huán)境下的單向陷門設(shè)計(jì)理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數(shù).要構(gòu)造一個(gè)抗量子計(jì)算公鑰密碼首先就要設(shè)計(jì)一個(gè)量子計(jì)算環(huán)境下的單向陷門函數(shù).單向陷門函數(shù)的概念是簡(jiǎn)單的，但是單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)是困難的.在傳統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)已經(jīng)十分困難，我們估計(jì)在量子計(jì)算復(fù)雜性下單向陷門函數(shù)的設(shè)計(jì)將更加困難.
2） 抗量子計(jì)算密碼的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù).有了單向陷門函數(shù)，還要進(jìn)一步設(shè)計(jì)出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實(shí)現(xiàn)技術(shù).這些都是十分重要的問題.都需要認(rèn)真研究才能做好.
6 結(jié)語
量子計(jì)算時(shí)代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰(zhàn)略問題.研究并建立我國(guó)獨(dú)立自主的抗量子計(jì)算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)問題所構(gòu)建的一類抗量子計(jì)算的密碼，介紹了其發(fā)展現(xiàn)狀，并給出了進(jìn)一步研究的建議.
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2.考慮電力通信網(wǎng)可靠性的業(yè)務(wù)路由優(yōu)化分配方法
3.廣域后備保護(hù)通信模式及其性能評(píng)估
4.衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望
5.空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
6.現(xiàn)代化礦井通信技術(shù)與系統(tǒng)
7.高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展
8.智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息模型及配置描述
9.信息與通信地理學(xué)的學(xué)科性質(zhì)、發(fā)展歷程與研究主題
10.構(gòu)建新一代智能配用電通信網(wǎng)建議
11.基于EPOCHS平臺(tái)的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)仿真
12.電力通信網(wǎng)脆弱性分析
13.通信電臺(tái)電磁輻射效應(yīng)機(jī)理
14.4G通信技術(shù)綜述
15.電力和信息通信系統(tǒng)混合仿真方法綜述
16.面向智能電網(wǎng)的配用電通信網(wǎng)絡(luò)研究
17.基于SDH光網(wǎng)絡(luò)的分層區(qū)域式保護(hù)通信系統(tǒng)的可靠性研究
18.調(diào)度與變電站一體化系統(tǒng)鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與TCP通信方案
19.煤礦事故特點(diǎn)與煤礦通信、人員定位及監(jiān)視新技術(shù)
20.Tor匿名通信流量在線識(shí)別方法
21.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術(shù)
22.配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)斷面流量分析方法
23.光纖通信概述
24.電力通信及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用
25.WAMS通信業(yè)務(wù)的系統(tǒng)有效性建模與仿真
26.基于API的Win32串口通信編程技術(shù)
27.第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)
28.量子通信現(xiàn)狀與展望
29.配電網(wǎng)EPON通信接入與分區(qū)自治
30.基于業(yè)務(wù)的電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法
31.移動(dòng)通信技術(shù)擴(kuò)散的實(shí)證研究:基于中國(guó)1990-2012年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
32.基于IPv6的電力線載波通信分片獨(dú)立的重傳機(jī)制
33.空間激光通信捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)
34.基于時(shí)頻峰值濾波的電力線通信噪聲消除方法
35.通信網(wǎng)絡(luò)能耗分析與節(jié)能技術(shù)應(yīng)用
36.“日盲”紫外光通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍研究
37.基于壓縮感知的脈沖同步的混沌保密通信系統(tǒng)
38.淺談4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展
39.量子安全直接通信
40.一種繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)在線通信報(bào)文分析工程方案
41.光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用
42.智能配電網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用
43.基于空間激光通信組網(wǎng)四反射鏡動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)研究
44.運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改革通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
45.淺談超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展
46.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)
47.SM2加密體系在智能變電站站內(nèi)通信中的應(yīng)用
48.現(xiàn)代信息安全與混沌保密通信應(yīng)用研究的進(jìn)展
49.中美4G移動(dòng)通信技術(shù)專利信息比較研究
50.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
51.VC中應(yīng)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信
52.青?！鞑亟恢绷髀?lián)網(wǎng)工程輸電線路在線監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
53.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信
54.空間激光通信組網(wǎng)光學(xué)原理研究
55.計(jì)算機(jī)技術(shù)在通信中的應(yīng)用研究
56.面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述
57.基于C8051F020單片機(jī)的RS485串行通信設(shè)計(jì)
58.智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文特性分析與通信配置研究
59.基于業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)均衡度的電力通信網(wǎng)可靠性評(píng)估算法
60.基于4G通信技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)安全通信分析
61.無線激光通信系統(tǒng)弱光干擾技術(shù)
62.基于SJA1000的CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
63.10kV電力線載波通信自動(dòng)組網(wǎng)算法
64.數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線可靠通信機(jī)制的研究
65.基于WiFi的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的研究
66.機(jī)載激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
67.軟件定義的能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)研究
68.一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)同時(shí)空間激光通信光學(xué)跟瞄技術(shù)研究
69.開放式自動(dòng)需求響應(yīng)通信規(guī)范的發(fā)展和應(yīng)用綜述
70.兆瓦(MW)級(jí)海島微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究及工程應(yīng)用
71.帶通信約束的多無人機(jī)協(xié)同搜索中的目標(biāo)分配
72.基于信道認(rèn)知在線可定義的電力線載波通信方法
73.一種基于混沌系統(tǒng)部分序列參數(shù)辨識(shí)的混沌保密通信方法
74.智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的QoS-MAC層模型
75.無線紫外光散射通信中多信道接入技術(shù)研究
76.水下無線通信技術(shù)發(fā)展研究
77.深空、自由空間、非可視散射和水下激光光子通信
78.基于光電反饋延遲的多點(diǎn)耦合混沌同步和通信
79.面向異步通信機(jī)制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其MAC協(xié)議研究
80.不可靠通信環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小能耗廣播算法
81.中間環(huán)節(jié)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)與價(jià)值鏈治理者的決定——以2G和3G時(shí)代中國(guó)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)為例
82.基于IEEE802.11p高速車路通信環(huán)境研究
83.太赫茲通信技術(shù)的研究與展望
84.一種分布式電源并網(wǎng)監(jiān)控通信適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法
85.不同耦合方式和耦合強(qiáng)度對(duì)電力-通信耦合網(wǎng)絡(luò)的影響
86.太赫茲通信技術(shù)研究進(jìn)展
87.低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)特性模型與組網(wǎng)算法
88.基于LabVIEW的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)與單片機(jī)的串行通信
89.聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)的小世界性對(duì)企業(yè)創(chuàng)新影響的實(shí)證研究——基于中國(guó)通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)的分析
90.基于共享內(nèi)存的Xen虛擬機(jī)間通信的研究
91.考慮通信系統(tǒng)影響的電力系統(tǒng)綜合脆弱性評(píng)估
92.貓眼逆向調(diào)制自由空間激光通信技術(shù)的研究進(jìn)展
93.擴(kuò)頻通信技術(shù)淺談
94.基于信息熵的電力通信網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)方法
95.安全高效礦井通信系統(tǒng)技術(shù)要求
96.無線紫外光非直視通信信道容量估算與分析
97.基于高能效無線接入網(wǎng)的綠色無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究
2016年1月8日，潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽教授、陳增兵教授組成的5人團(tuán)隊(duì)獲得了2015年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，并在人民大會(huì)堂接受頒獎(jiǎng)。5位老師均來自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，他們是該獎(jiǎng)項(xiàng)歷史上最年輕的獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)，其中潘建偉、彭承志、陳增兵3位老師為70后，而陳宇翱和陸朝陽兩位老師為80后。
國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)是中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，很多耳熟能詳?shù)睦弦惠吙茖W(xué)家都名列其中。但是因2014年獲獎(jiǎng)的“透明計(jì)算”存在較大爭(zhēng)議，2015年急需一個(gè)眾望所歸的團(tuán)隊(duì)來重新樹立該獎(jiǎng)項(xiàng)的聲譽(yù)。恰好2015年初潘院士團(tuán)隊(duì)作為最大熱門參加了該獎(jiǎng)項(xiàng)的評(píng)選，并最終毫無懸念地獲獎(jiǎng)。
這次潘建偉院士團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”。“多光子糾纏”顧名思義就是讓多個(gè)光子產(chǎn)生糾纏，這是利用光子做量子比特傳送和量子計(jì)算的必要前提;而“干涉”就是實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)多光子糾纏的手段。潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在量子通信和量子計(jì)算等多個(gè)方向上都取得了世界領(lǐng)先的科研成果，“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就作為其核心研究?jī)?nèi)容之一，貫穿始終。
潘建偉院士的團(tuán)隊(duì)是世界上量子信息研究的領(lǐng)軍者之一，在量子通信領(lǐng)域更是世界最強(qiáng)。與以往的歷屆國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)相比，潘建偉團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)論文數(shù)量和國(guó)際影響力上都更為出類拔萃。截止到2015年，該團(tuán)隊(duì)成果3次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大事件”，2次入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”。2015年年末更是被物理世界網(wǎng)站（Physics world）評(píng)選為“2015年世界物理學(xué)十大進(jìn)展”第一名，這在中國(guó)物理學(xué)界史無前例。
量子糾纏
介紹“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”，首先需要介紹一下什么是量子糾纏。量子力學(xué)中最神秘的就是疊加態(tài)，而量子糾纏就是多粒子的一種疊加態(tài)。以雙粒子為例，一個(gè)粒子A可以處于某個(gè)物理量的疊加態(tài)，同時(shí)另一個(gè)粒子B也可以處于疊加態(tài)，當(dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏，就會(huì)形成一個(gè)雙粒子的疊加態(tài)，即糾纏態(tài)：無論兩個(gè)粒子相隔多遠(yuǎn)，只要沒有外界干擾，當(dāng)A粒子處于0態(tài)時(shí)，B粒子一定處于1態(tài);反之，當(dāng)A粒子處于1態(tài)時(shí)，B粒子一定處于0態(tài)。
隨著量子信息學(xué)的誕生，量子糾纏已經(jīng)不僅僅是一個(gè)基礎(chǔ)研究，它已經(jīng)成為量子信息科技的核心：例如，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態(tài)，可以完成一次性操作多個(gè)量子比特的量子計(jì)算。讓更多的粒子糾纏起來是量子信息科技不斷追尋的目標(biāo)。
多光子糾纏和干涉度量學(xué)
“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”就是通過干涉度量的方法實(shí)現(xiàn)多光子的量子糾纏。如果這種把雙光子干涉產(chǎn)生糾纏的方法層層累加，擴(kuò)展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。針對(duì)量子信息處理尤其是光量子計(jì)算的需求，糾纏的光子數(shù)自然是越多越好。但是隨著產(chǎn)生糾纏的光子數(shù)越多，干涉和測(cè)量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度也就越大。
潘建偉團(tuán)隊(duì)從2004年開始，通過在國(guó)際上原創(chuàng)的多光子干涉和測(cè)量技術(shù)，一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄。2004年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了5光子糾纏，2007年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了6光子糾纏，2012年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了8光子糾纏，并且保持該紀(jì)錄至今。
每增加一個(gè)糾纏光子，光學(xué)干涉系統(tǒng)就要復(fù)雜一倍，糾纏產(chǎn)生的難度會(huì)隨著光子數(shù)呈指數(shù)上升。這個(gè)8光子糾纏光路就像“潘神的迷宮”一樣復(fù)雜，精巧，困難重重，但又引人入勝。
量子計(jì)算的應(yīng)用
1. 量子疊加態(tài)的計(jì)算魅力。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時(shí)刻僅有確定的一個(gè)狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會(huì)同時(shí)處于不同的量子態(tài)上。因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，這就意味著，量子計(jì)算一次運(yùn)算就可以處理210=1024個(gè)數(shù)（從0到1023被同時(shí)處理一遍）。以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)是2的指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。一個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算就可以同時(shí)處理264=18446744073709551616個(gè)數(shù)。如果單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級(jí)別（1GHz），那么這個(gè)64位量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是世界上最快的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。
量子力學(xué)疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)真正意義上的“并行計(jì)算”，而不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求強(qiáng)烈的今天，量子計(jì)算機(jī)越來越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。
2. 肖爾算法――RSA加密技術(shù)的終結(jié)者。1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維?德意志提出了量子圖靈機(jī)模型的概念。隨后貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計(jì)算的第一個(gè)解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。
我們今天在互聯(lián)網(wǎng)上輸入的各種密碼，都會(huì)用到RSA算法加密。這種技術(shù)用一個(gè)很大的數(shù)的兩個(gè)質(zhì)數(shù)因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個(gè)數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不可能的任務(wù)。但利用量子計(jì)算的并行性，肖爾算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過遍歷算法來獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。
量子計(jì)算機(jī)會(huì)終結(jié)任何依靠計(jì)算復(fù)雜度的加密技術(shù)，但這不意味著從此我們會(huì)失去信息安全的保護(hù)。量子計(jì)算的孿生兄弟――量子通信，會(huì)從根本上解決信息傳輸?shù)陌踩[患。
3. 格羅弗算法――未來的搜索引擎。肖爾算法提出一年后的1996年，同在貝爾實(shí)驗(yàn)室的洛夫?格羅弗提出了格羅弗算法，即通過量子計(jì)算的并行能力，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)做變換，用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。
量子計(jì)算的格羅弗搜索算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)搜索速度，這也是互聯(lián)網(wǎng)巨頭們對(duì)量子計(jì)算最大的關(guān)注點(diǎn)之一。量子信息時(shí)代的搜索引擎將植根于格羅弗算法，讓我們更快捷地獲取信息。
1納米導(dǎo)線激光器
2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導(dǎo)線上制造出世界最小的激光器-納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是"培養(yǎng)"納米導(dǎo)線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長(zhǎng)度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線。然后，當(dāng)研究人員在溫室下用另一種激光將納米導(dǎo)線中的純氧化鋅晶體激活時(shí)，純氧化鋅晶體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。
2紫外納米激光器
繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問世后，美國(guó)加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵(lì)下能發(fā)射線寬小于0.3nm、波長(zhǎng)為385nm的激光，被認(rèn)為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實(shí)際器件之一。在開發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍(lán)光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進(jìn)入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長(zhǎng)這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長(zhǎng)的氣相輸運(yùn)法合成。首先，在藍(lán)寶石襯底上涂敷一層1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個(gè)氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運(yùn)到襯底上，在2min~10min的生長(zhǎng)過程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線形成天然的激光腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95％）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長(zhǎng)，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對(duì)樣品進(jìn)行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當(dāng)激射超過ZnO納米線的閾值（約為40kW／cm）時(shí)，發(fā)射光譜中會(huì)出現(xiàn)最高點(diǎn)，這些最高點(diǎn)的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點(diǎn)的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發(fā)射強(qiáng)度的迅速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進(jìn)而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長(zhǎng)納米激光器可應(yīng)用在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析儀等領(lǐng)域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蝕刻在半導(dǎo)體片上的線路寬度將達(dá)到100nm以下，在電路中移動(dòng)的將只有少數(shù)幾個(gè)電子，一個(gè)電子的增加和減少都會(huì)給電路的運(yùn)行造成很大影響。為了解決這一問題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學(xué)中，把能夠?qū)﹄娮拥倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約束并使其量子化的勢(shì)場(chǎng)稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導(dǎo)體激光器的有源層中形成量子能級(jí)，使能級(jí)之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器和量子點(diǎn)激光器。
3.1量子線激光器
近日，科學(xué)家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備邁進(jìn)了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學(xué)、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實(shí)驗(yàn)室及德國(guó)德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學(xué)家們共同研制的。這些較高功率的激光器會(huì)減少對(duì)昂貴的中繼器的要求，因?yàn)檫@些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個(gè)，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時(shí)強(qiáng)度會(huì)減弱（中繼器）。
3.2量子點(diǎn)激光器
由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當(dāng)于60個(gè)硅原子排成一串的長(zhǎng)度的量子點(diǎn)，可以控制非常小的電子群的運(yùn)動(dòng)而不與量子效應(yīng)沖突。科學(xué)家們希望用量子點(diǎn)代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點(diǎn)激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會(huì)使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過改變材料使量子點(diǎn)能夠更牢地約束電子，日本電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決，開關(guān)速度不高，偶然的電能容易使單個(gè)電子脫離預(yù)定的路線。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)量子裝置。
4微腔激光器
微腔激光器是當(dāng)代半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，它采用了現(xiàn)代超精細(xì)加工技術(shù)和超薄材料加工技術(shù)，具有高集成度、低噪聲的特點(diǎn)，其功耗低的特點(diǎn)尤為顯著，100萬個(gè)激光器同時(shí)工作，功耗只有5W。該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功。其內(nèi)部為采用先進(jìn)的蝕刻工藝蝕刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個(gè)微小的底座支撐。由于半導(dǎo)體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn)生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時(shí)只需大約100μA的電流。
長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院北京半導(dǎo)體研究所從經(jīng)典量子電動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕和選擇化學(xué)腐蝕等微細(xì)加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運(yùn)InGaAs／InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯(lián)和光信息處理等方面有著很好的應(yīng)用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
中圖分類號(hào)：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0007-02
Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.
Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference
衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)以天基人造衛(wèi)星為基本平臺(tái)，能夠?yàn)槿蚝?、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時(shí)連續(xù)不間斷的高精度三維位置、速度和時(shí)間信息。目前技術(shù)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），歐洲導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)，我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于交通導(dǎo)航、衛(wèi)星授時(shí)應(yīng)用、應(yīng)急指揮、民用水情測(cè)報(bào)服務(wù)等，發(fā)揮了非常重要的作用。
雖然GPS在導(dǎo)航定位領(lǐng)域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個(gè)方面的問題。
（1）定位精度仍然不夠高，系統(tǒng)體制仍存在著物理極限。因?yàn)镚PS定位的原理是通過重復(fù)地向空間發(fā)射電磁波信號(hào)，檢測(cè)電磁波到達(dá)待測(cè)點(diǎn)的時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)的，這種以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的方法受到所能實(shí)現(xiàn)的可利用功率及帶寬的限制，其測(cè)量精度很難獲得進(jìn)一步的提高。此外，電磁波信號(hào)受到電離層和對(duì)流層的干擾，特別在城市、山區(qū)等復(fù)雜自然環(huán)境下，由于高層建筑、樹木等對(duì)信號(hào)的影響，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，從而使得不同環(huán)境下的導(dǎo)航效果具有比較大的差異。
（2）保密性較差，美國(guó)斯坦福大學(xué)設(shè)立有一個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，主要截獲并分析全球所有的衛(wèi)星信號(hào)，華裔學(xué)者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細(xì)地闡述了衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機(jī)碼，但至少是可以部分破譯的。
（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統(tǒng)相比，GPS信號(hào)強(qiáng)度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)存在穩(wěn)定性漏洞。
由于存在著這些缺陷，美國(guó)投入巨資完善并發(fā)展GPS系統(tǒng)?；诹孔蛹夹g(shù)的量子定位系統(tǒng)（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù)，就是其發(fā)展重點(diǎn)之一。量子定位的概念最先是由美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員于2001年提出，其與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于所采用信號(hào)的不同。傳統(tǒng)定位如GPS系統(tǒng)采用的是基于重復(fù)發(fā)送電磁波脈沖測(cè)量信號(hào)達(dá)到時(shí)間，通過計(jì)算得到距離信息，而量子定位系統(tǒng)采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態(tài)，量子定位系統(tǒng)就能夠超越經(jīng)典測(cè)量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理所限定的物理極限。
1 量子定位技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
1.1 量子定位系統(tǒng)的原理
量子定位技術(shù)利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統(tǒng)GPS的微波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)精確定位。區(qū)別于微波信號(hào)的長(zhǎng)波長(zhǎng)波束覆蓋寬，激光的波長(zhǎng)很短指向性很高，衛(wèi)星與用戶間的傳統(tǒng)同步方法不再適用。因此量子定位系統(tǒng)的定位不應(yīng)是取代現(xiàn)有GPS，而是與GPS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全高精度的定位目的。通過對(duì)量子定位技術(shù)原理的研究與優(yōu)選，提出具有實(shí)用性的量子定位系統(tǒng)體系架構(gòu)以及面向用戶的應(yīng)用模式，才能將量子定位系統(tǒng)推廣應(yīng)用。
量子定位系統(tǒng)由量子糾纏態(tài)光源、HOM干涉測(cè)量部分以及系統(tǒng)控制部分組成，其基本原理與關(guān)鍵特性如下。
（1）高性能量子糾纏態(tài)光源。在光與非線性晶體相互作用的過程中，能夠產(chǎn)生一種非線性光學(xué)效應(yīng)，這種效應(yīng)一對(duì)低頻率光子具有很強(qiáng)的量子糾纏、關(guān)聯(lián)和非定域特性，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的高精度測(cè)量。作為光源，光子糾纏態(tài)的糾纏純度、退相干時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大的影響。
（2）高穩(wěn)定HOM干涉測(cè)量與處理。在量子力學(xué)的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區(qū)分的雙光子整體態(tài)。當(dāng)兩個(gè)光子在時(shí)域上同時(shí)到達(dá)分束片上時(shí)，雙光子態(tài)不可區(qū)分，此時(shí)干涉出現(xiàn)，兩個(gè)探測(cè)器的計(jì)數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)。反之，當(dāng)我們改變一條鏈路中的延時(shí)，致使復(fù)合計(jì)數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)時(shí)，即可知道此時(shí)兩個(gè)光子在時(shí)域上不可區(qū)分。這正是利用HOM干涉實(shí)現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的基本原理。
（3）高精度ATP與時(shí)間同步技術(shù)：在單組基線的系統(tǒng)中，需通過改變可控反射模塊來實(shí)現(xiàn)基線與待測(cè)點(diǎn)r0之間建立穩(wěn)定的光鏈路。二者的精確指向?qū)⒂绊懙阶罱K定位的精度，因此對(duì)反射模塊的反射角度需要進(jìn)行反饋控制。在利用參考光實(shí)現(xiàn)對(duì)于待測(cè)點(diǎn)ATP（獲取、跟蹤、瞄準(zhǔn)）之后，定位過程將通過精密調(diào)整延時(shí)并觀測(cè)探測(cè)器的復(fù)合計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
1.2 量子定位系統(tǒng)與量子保密通信的結(jié)合技術(shù)
原理上，量子定位系統(tǒng)與量子保密通信都是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與后處理。因此，在同一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)兩種功能具有可行性。研究在量子定位過程中引入量子保密通信的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交互信息的保密處理，提高量子定位系統(tǒng)的安全性。兩者相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮量子定位系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來量子定位系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用方向。
1.3 大氣、重力場(chǎng)環(huán)境的干擾校正技術(shù)
與GPS類似，為了實(shí)現(xiàn)寬覆蓋、全天候工作，星載平臺(tái)將是未來量子定位系統(tǒng)走向?qū)嵱没淖罴哑脚_(tái)。對(duì)于LEO低軌衛(wèi)星等自由空間傳輸?shù)男堑劓溌范?，大氣的損耗、湍流、散射，重力場(chǎng)對(duì)于授時(shí)的影響都是系統(tǒng)中必須考慮的因素，必須通過對(duì)環(huán)境的建模與仿真，分析對(duì)信息傳輸鏈路的影響，以實(shí)現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的校正。
2 量子定位技術(shù)的發(fā)展前景
量子定位技術(shù)作為一種不同于傳統(tǒng)GPS的新型精確定位技術(shù)，是量子光學(xué)和通信導(dǎo)航技術(shù)相融合的典范。這項(xiàng)技術(shù)的深入研究，能為下一代高精度導(dǎo)航系統(tǒng)提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個(gè)方面。
（1）量子定位系統(tǒng)技術(shù)理論和工程實(shí)現(xiàn)將促進(jìn)電子信息系統(tǒng)進(jìn)入量子時(shí)代。
隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，未來將逐步進(jìn)入量子的時(shí)代。在量子領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程中，高性能、大規(guī)模的量子設(shè)備（如星地量子保密通信、量子計(jì)算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術(shù)逐步實(shí)用化提供了良好的基礎(chǔ)。
（2）量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)的結(jié)合是未來實(shí)用化的最佳途徑。
“量子世界為何是不確定的、概率性的？量子糾纏態(tài)中，為何呈現(xiàn)出幽靈般的超距作用？”接受記者采訪時(shí)，郭光燦鋪陳出一連串盤旋在他頭腦中揮之不去的玄奧問題。
盡管量子理論已有百年歷史，但對(duì)于這些問題的回答，國(guó)際科學(xué)界至今仍無定論。
作為中國(guó)量子科技的先行者，郭光燦為國(guó)內(nèi)量子光學(xué)、量子密碼、量子通信和量子計(jì)算等眾多研究領(lǐng)域貢獻(xiàn)了“第一推動(dòng)力”。
這些研究方向如今已成熱門，而他本人則將視野再次轉(zhuǎn)向少人問津的“冷門”，開始思考量子物理的基本問題，嘗試探尋量子世界的本質(zhì)。
“這些是我個(gè)人的研究興趣所在，而年輕學(xué)者很難去進(jìn)行此類研究，我這個(gè)年齡的人正合適。”郭光燦說，沒有了發(fā)表學(xué)術(shù)論文等各種成果考評(píng)的現(xiàn)實(shí)壓力，他才可以更加自由地思考深層次的物理基礎(chǔ)問題。
而對(duì)于他所熟悉的量子信息等“老本行”，郭光燦則希望讓課題組的年輕學(xué)術(shù)帶頭人“大展拳腳”，給他們充分的成長(zhǎng)空間。
事實(shí)上，正是量子信息研究不斷取得新的技術(shù)突破和發(fā)展，為郭光燦的深入思考提供了“靈感之源”。
“技術(shù)發(fā)展后，我們有能力做一些新的實(shí)驗(yàn)，其中有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象跟之前的理論可能會(huì)有沖突，這該如何解釋？”郭光燦所要做的，就是為此類問題尋找答案。他預(yù)計(jì)，在量子力學(xué)誕生兩百年之時(shí)，量子世界的本質(zhì)才有可能會(huì)被揭開。
“但很有可能找不到答案，研究工作沒有新的理論結(jié)果?！痹诼L(zhǎng)的求真之路上，郭光燦期待一點(diǎn)一滴的積累。
年過七旬，身體條件已經(jīng)不允許郭光燦像年輕時(shí)一樣，每天加班加點(diǎn)工作到深夜。然而，從他參加工作起就養(yǎng)成節(jié)假日鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、辦公室的老習(xí)慣，至今都沒有改變。
“我?guī)缀鯖]有休假，哪怕是春節(jié)，過完節(jié)后的第二天就會(huì)去辦公室。”郭光燦說這是自己的性格使然，不喜歡出去玩，干脆就安排工作。
早八點(diǎn)出門，晚六點(diǎn)回家，郭光燦將工作生活安排得非常有規(guī)律。盡管如此，他每年仍有一半時(shí)間都在出差，參加學(xué)術(shù)會(huì)議、評(píng)審會(huì)議、科普?qǐng)?bào)告等各種活動(dòng)。
出差旅行途中，郭光燦總喜歡戴上耳機(jī)，聆聽存放在手機(jī)或MP3中的音樂，有流行歌曲，也有古典音樂，以此舒解旅途勞頓。
“我不會(huì)唱歌，但我喜歡不同旋律給人心靈帶來的激蕩?！惫鉅N笑聲爽朗，說自己甚至成了各類音樂選秀節(jié)目的忠實(shí)觀眾，中國(guó)好聲音、中國(guó)好歌曲、青歌賽等，只要有好節(jié)目一定場(chǎng)場(chǎng)不落。
神秘大門透出的亮光
1999年山西大學(xué)本科畢業(yè)后，張國(guó)鋒師從梁九卿教授進(jìn)行碩博連讀的學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)我國(guó)對(duì)量子信息的研究基本處于萌芽階段，梁九卿教授認(rèn)為這將會(huì)是一個(gè)新的研究方向，在張國(guó)鋒的師兄師姐都跟著老師做磁宏觀量子效應(yīng)研究的時(shí)候，老師毅然決定讓他去湖南師范大學(xué)的暑期班里學(xué)習(xí)和量子理論相關(guān)的知識(shí)，量子信息這道神秘的大門緩緩打開。
張國(guó)鋒本碩博就讀的山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院師資雄厚、設(shè)備齊全。碩博連讀期間，為拓展視野、豐富知識(shí)，他還專門前往中國(guó)科學(xué)院學(xué)習(xí)。在交通落后的情況下，北京、山西兩頭跑，校內(nèi)扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)以及校外新的理論知識(shí)的加固，使得張國(guó)鋒在量子信息基礎(chǔ)研究方面有了很大的提升。對(duì)張國(guó)鋒的聯(lián)合培養(yǎng)，中國(guó)科學(xué)院也承擔(dān)著重要的角色，博士畢業(yè)后，張國(guó)鋒到中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所進(jìn)行博士后研究工作，在李樹深院士的指導(dǎo)下，張國(guó)鋒的研究興趣進(jìn)一步拓寬到基于固態(tài)體系為載體的量子信息研究。從2006年到北京航空航天大學(xué)任教以來，更是把他的研究方向細(xì)化到光力耦合體系的量子物理相關(guān)問題。
在量子相關(guān)研究中，量子調(diào)控是國(guó)家的重大科研計(jì)劃，是構(gòu)建未來信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)。張國(guó)鋒圍繞“如何制備、控制及應(yīng)用具有高魯棒性的量子糾纏態(tài)”這一科學(xué)問題展開了具體細(xì)致的工作，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。
量子糾纏是量子力學(xué)的最神奇的特性之一。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。張國(guó)鋒形象地解釋了量子糾纏：“就像是手機(jī)用戶和移動(dòng)聯(lián)通等簽的協(xié)議，也就是手機(jī)卡，當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)，只有借助這個(gè)協(xié)議（糾纏態(tài)），才能進(jìn)行量子通信?！鼻籓ED系統(tǒng)是目前最有前景的硬件系統(tǒng)之一，它被廣泛地應(yīng)用于量子態(tài)的制備和操控。為此，張國(guó)鋒系統(tǒng)考察了旋波近似下腔OED體系中的量子糾纏、量子關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生與演化以及與量子相位之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)：量子糾纏猝死現(xiàn)象不僅依賴于體系初始態(tài)的糾纏，而且還依賴于初始態(tài)，且原子間偶極一偶極相互作用可以削弱這種現(xiàn)象，光場(chǎng)的損耗可以很明顯地延緩糾纏猝死。張國(guó)鋒在此基礎(chǔ)上就固態(tài)自旋體系提出了一套抑制量子糾纏猝死和量子態(tài)傳輸?shù)膬?yōu)化方案。
眾所周知，實(shí)現(xiàn)量子信息處理的必需資源是量子糾纏態(tài)。而量子糾纏態(tài)是非常脆弱的，張國(guó)鋒在前人研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了固態(tài)兩量子比特自旋模型中的熱糾纏，將自旋所處磁場(chǎng)分為均勻和非均勻兩部分，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的非均勻部分使量子糾纏的演化出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，也詳細(xì)研究了Heisenberg交換相互作用對(duì)量子熱糾纏的臨界行為的影響。隨后更引發(fā)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于量子熱糾纏的研究。
Dzyaloshinski-Moriya（DM）相互作用來自自旋軌道之間的耦合，是一種各項(xiàng)異性相互作用，在許多磁性材料中都存在。張國(guó)鋒將DM相互作用引入兩自旋量子比特鏈中，結(jié)合Heisenberg相互作用研究了DM相互作用對(duì)量子熱糾纏的影響，發(fā)現(xiàn)DM相互作用可以激發(fā)量子熱糾纏的產(chǎn)生，可以使鐵磁耦合的自旋體系成為好的量子態(tài)傳輸?shù)耐ǖ?，且能顯著提高態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑取Ｒ赃@一研究成果為代表的論文獲得“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”，被引150多次，為ESI高引論文。與此同時(shí)，張國(guó)鋒把自己的研究推廣到量子關(guān)聯(lián)，得到一些量子關(guān)聯(lián)度量量間的因子化公式，同時(shí)也比較了量子關(guān)聯(lián)和量子糾纏在實(shí)現(xiàn)量子算法、構(gòu)建量子邏輯門的異同。
神秘的量子世界透出的光讓張國(guó)鋒雀躍不已，他飽含熱情地走在研究量子世界的大道上，默默耕耘，靜靜享受這神秘帶來的不一樣的世界。
光亮指引前進(jìn)的方向
一分耕耘一分收獲。張國(guó)鋒在量子研究這條道路上不僅收獲了具有創(chuàng)新意義的科研成果，而且多次主持包括國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、面上基金等項(xiàng)目在內(nèi)的多項(xiàng)科研項(xiàng)目；發(fā)表多篇代表性論文，并多次被他引；在教學(xué)上成果也很顯著，多次獲得各種校內(nèi)優(yōu)秀教師獎(jiǎng)勵(lì)。
但是張國(guó)鋒并沒有止步于此，神秘的量子世界還等待著他去進(jìn)一步破解其中的奧秘，在長(zhǎng)期量子光學(xué)基礎(chǔ)理論、自旋模型中量子糾纏、量子關(guān)聯(lián)動(dòng)力學(xué)研究的相關(guān)基礎(chǔ)上，依托北航和中科院的兩個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和三個(gè)重量級(jí)的研究團(tuán)隊(duì)共同合作，將就全耦合區(qū)量子比特與光場(chǎng)動(dòng)力學(xué)行為及應(yīng)用這一熱點(diǎn)問題展開深入研究。
構(gòu)造量子比特是量子信息處理的首要，實(shí)現(xiàn)量子比特有很多種物理方案，量子比特與光場(chǎng)相互作用體系是量子光學(xué)甚至凝聚態(tài)物理的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的重要途徑。看見量子世界發(fā)出的神秘的光，張國(guó)鋒對(duì)接下來的工作重心有了清晰的規(guī)劃：（1）進(jìn)一步求解兩量子比特與光場(chǎng)相互作用強(qiáng)耦合體系的動(dòng)力學(xué)演化，尤其是兩個(gè)量子比特的閂abi模型的近似求解；（2）根據(jù)系統(tǒng)演化性質(zhì)，選擇合適的初始條件和反應(yīng)時(shí)間，構(gòu)建超快兩量子比特邏輯門和進(jìn)行相干量子態(tài)的超快傳輸?shù)妊芯?；?）尋找新奇的特殊量子本征態(tài)，并通過研究包括耗散在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)，考察這些具有特殊性質(zhì)的量子態(tài)（比如：暗態(tài)）在量子信息中的應(yīng)用。張國(guó)鋒不僅把自己接下來的工作定位在這三方面，還就這三方面的研究擬定了初步研究方案。
1半導(dǎo)體激光
十分引人注目的是半導(dǎo)體激光器件研究方面的成果。其中有關(guān)新材料及其處理過程,器件工作物理機(jī)制,器件的設(shè)計(jì)思想,器件工作向短波段的延拓等,都有很大的發(fā)展。光子帶隙、半導(dǎo)體量子電子學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究逐步使量子阱異質(zhì)結(jié)激光器邁向?qū)嵱秒A段,并導(dǎo)致光學(xué)和光電子學(xué)用的量子阱器件以及超短脈沖半導(dǎo)體激光器和高速光探測(cè)器件的迅速發(fā)展。這對(duì)推動(dòng)高速通訊的發(fā)展是十分重要的。垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高于50%,闌值電流200拼A,工作體積7只7(拜m)2;半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)可以制作出微腔激光器。一個(gè)10nm的腔體可產(chǎn)生1000nm波長(zhǎng)的窄頻帶輻射。可見區(qū),特別是藍(lán)綠波段半導(dǎo)體激光器研制令人鼓舞,一旦進(jìn)入實(shí)用階段,勢(shì)必劇烈改變小功率可見區(qū)激光器銷售市場(chǎng)的狀況,并將大大擴(kuò)展激光在科技和生活領(lǐng)域的使用范圍。長(zhǎng)波可見段630nm,650nm和670nm的紅色激光二極管(LD)制作成本較前兩年已大大下降。目前可以預(yù)感到:在激光顯示、激光準(zhǔn)直、激光印刷、激光醫(yī)學(xué)生物學(xué)應(yīng)用等方面,半導(dǎo)體紅光激光二極管將會(huì)迅速占領(lǐng)氦氖激光器的原有市場(chǎng),取而代之。與此有關(guān)的藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)已開始以遠(yuǎn)較紅、黃、綠色發(fā)光二極管高昂的價(jià)格投放市場(chǎng)(隨著技術(shù)改進(jìn),將很快降低成本),形成了大型彩色顯示屏幕蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)。在半導(dǎo)體激光領(lǐng)域,近年備受關(guān)注且影響著該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的課題是半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和微腔以及在這類器件中的相干現(xiàn)象的研究。
2固體激光
迅速發(fā)展的另一領(lǐng)域是固體激光器。近兩年,明顯看到:纖維激光和波導(dǎo)固體激光,可調(diào)諧固態(tài)激光,特別是用半導(dǎo)體激光二極管陣列泵浦的“全固態(tài)化”固體激光器的實(shí)用化,將可以達(dá)到許多目的:相對(duì)廉價(jià)、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍寬、脈沖寬度窄,還可以具有優(yōu)良的空間分布光束質(zhì)量等。因此,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。它已開始取代優(yōu)質(zhì)、高功率的氣體激光器,用于微束打印和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。尤其值得一提的是:“全固態(tài)化”的欽寶石激光器,在連續(xù)操作時(shí).波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍甚寬(從600~1100nm),功率很易達(dá)到瓦級(jí)水平。在鎖模脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),可以產(chǎn)生自鎖模,脈寬達(dá)數(shù)十飛鈔,平均功率已達(dá)瓦級(jí)。如此一來,再配合非線性頻率變換辦法,可以把激光波段擴(kuò)展到很大的范圍。再加這類激光器的裝里有牢靠、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),可以做成車載、機(jī)載系統(tǒng)。顯然,在不遠(yuǎn)的將來,有可能由它淘汰染料激光。
3非線性光學(xué)
非線性光學(xué)領(lǐng)域的論文最為吸引人的是一些新的無機(jī)或有機(jī)光學(xué)材料的誕生和應(yīng)用。目前從紫外到中紅外的實(shí)用的光學(xué)參童振蕩器已商品化。此外,與高速信息公路有關(guān)的孤子激光產(chǎn)生和傳翰問題,其成果已陸續(xù)投人實(shí)際使用。
4超短超快激光
會(huì)議中研討的一個(gè)特殊領(lǐng)域是超短脈沖激光的產(chǎn)生與測(cè)量及其在電子學(xué)、醫(yī)學(xué)、成象和超快過程控制方面的應(yīng)用。欽寶石的鎖模飛秒激光裝置以及光纖激光器的鎖模是與當(dāng)前研究超短光脈沖發(fā)生技術(shù)的熱點(diǎn)。其中有關(guān)的機(jī)理與技術(shù)已趨成熟,將會(huì)很快開辟通信、化學(xué)、生物學(xué)的應(yīng)用。
5激光生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
但近年來，實(shí)驗(yàn)室多年積累的成果開始厚積薄發(fā)：2012年評(píng)選上1個(gè)“杰青”、2個(gè)“優(yōu)青”；今年又評(píng)選了1個(gè)“杰青”，1個(gè)“優(yōu)吉”……
“我們的成果在爆發(fā)，人才成長(zhǎng)在爆發(fā)，作為人才搖籃的作用，十幾年的積累到這時(shí)也出來了?！币惶崞饘?shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新人才培養(yǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦一掃出差回來的疲憊，興奮地說。
郭光燦的實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍有個(gè)特點(diǎn)，就是以“土鱉”居多，大多都是從學(xué)生時(shí)期就一直跟著郭光燦的中國(guó)科大“土著”。
在國(guó)家大力吸引海外人才支援科技事業(yè)的背景下，很多實(shí)驗(yàn)室的科技骨干都是引進(jìn)人才。但郭光燦卻憑借自己獨(dú)到的眼光，培養(yǎng)出了一支富有創(chuàng)新開拓精神和沖擊國(guó)際科研前沿能力的學(xué)術(shù)隊(duì)伍。
做“敢死隊(duì)”的后援團(tuán)“年輕人，為什么這么在乎當(dāng)下呢?！绷孔有畔⒅攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授郭國(guó)平從18歲起就跟著郭光燦，至今，他還清楚記得第一次郭光燦對(duì)他說的話。
2010年，年僅33歲的郭國(guó)平獲得科技部A類國(guó)家重大研究計(jì)劃（“超級(jí)973”）科技專項(xiàng)“固態(tài)量子芯片研究”重大項(xiàng)目，并于今年成功在“一個(gè)電子”上實(shí)現(xiàn)10皮秒級(jí)量子邏輯門運(yùn)算，將原世界紀(jì)錄提高近百倍，為基于半導(dǎo)體的“量子計(jì)算機(jī)”的實(shí)現(xiàn)邁出重要一步。
但從當(dāng)下的評(píng)價(jià)體系來說，量子芯片領(lǐng)域的研究，不僅難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，而且從發(fā)文章的角度看，“產(chǎn)出收益”也未必好。連郭國(guó)平自己都說，當(dāng)時(shí)很多老院士都稱這是“愣頭青”干的事兒。
但這不是郭國(guó)平做的第一個(gè)“愣頭青”的決定。他一直在中國(guó)科大學(xué)習(xí)量子光學(xué)，在博士三年級(jí)時(shí)，他突然覺得量子信息現(xiàn)有的研究已經(jīng)不足以吸引自己了。
在郭光燦的大力支持和資助下，郭國(guó)平遠(yuǎn)赴日本NEC中央研究院訪學(xué)。結(jié)果不到半年，郭國(guó)平就回來了?！袄匣⒏垖W(xué)爬樹，他不會(huì)教你的，肯定要自己學(xué)。”他走到郭光燦面前說，“我不再寫文章了，后面兩年我要去選修固體物理的課，行不行？”
當(dāng)時(shí)，郭光燦看到了未來實(shí)驗(yàn)室的戰(zhàn)略部署需要固態(tài)物理，但實(shí)驗(yàn)室的研究人員多數(shù)都是光學(xué)專業(yè)的。于是“大小郭”一拍即合。當(dāng)時(shí)不到30歲的郭國(guó)平開始負(fù)責(zé)建立國(guó)內(nèi)首個(gè)半導(dǎo)體量子芯片研究組，競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際量子計(jì)算機(jī)的制高點(diǎn)。
想搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一臺(tái)儀器就要350萬元。郭光燦相信半導(dǎo)體量子芯片是有前途的，便將實(shí)驗(yàn)室所有能調(diào)動(dòng)的資金都先投入到郭國(guó)平的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。郭光燦就以自己和整個(gè)實(shí)驗(yàn)室作擔(dān)保，又向?qū)W校借了800萬元。“要趕快把實(shí)驗(yàn)條件做成。我們有理論、有想法，但是實(shí)驗(yàn)科學(xué)只有做過了才知道?！惫鉅N堅(jiān)信，“耕算失敗了，對(duì)國(guó)家的工業(yè)和技術(shù)發(fā)展也是有好處的?！?/p>
郭光燦“借錢過日子”的“超前消費(fèi)觀”在學(xué)校是出了名的。為此，學(xué)校免了這800萬元的欠款，還又支持了他200萬元。“我們就像社會(huì)主義大家庭一樣，這十幾年各種經(jīng)費(fèi)大項(xiàng)目都是實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)籌使用。哪兒需要加什么，我們就把錢買儀器?，F(xiàn)在每個(gè)‘?dāng)傋印加袊?guó)際一流水平的硬件條件。”郭光燦說?！安枙?huì)不高興的”
在過去的一百多年間，哥本哈根學(xué)派的玻爾互補(bǔ)原理一直統(tǒng)治著量子力學(xué)界。它認(rèn)為，光子的波粒二象性是“對(duì)立互補(bǔ)”的。如同一枚硬幣的兩面，只能看到其中一面，不可能同時(shí)看到另一面。
但是實(shí)驗(yàn)室的李傳鋒研究小組 2012年9月發(fā)表在《自然一光學(xué)》雜志的論文則宣稱：他們同時(shí)看到了光子的波動(dòng)性和粒子性?！澳暇┐髮W(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)施毅告訴我，他們的量子物理課本來要講玻爾的互補(bǔ)原理。但現(xiàn)在他們也要把我們同時(shí)看到波粒二象l生的文章拿出來講?！惫鉅N對(duì)外都這么夸獎(jiǎng)自己的弟子。
但在實(shí)驗(yàn)室，他卻要求大家有一種“我創(chuàng)新故我在”的勁頭。
今年年初，郭光燦把李傳鋒叫了過去，抽出三本書來說：“量子力學(xué)的書好像都解釋不了你們的實(shí)驗(yàn)，太牛了。”
李傳鋒憨憨一笑：“是啊，我們希望把玻爾的理論擴(kuò)展一下，把我們的結(jié)論包含進(jìn)去。”
郭光燦聽了，卻微微一皺眉：“玻爾根本不會(huì)像你這么想，你這種說法玻爾都會(huì)生氣的。你應(yīng)該更有創(chuàng)造力，把玻爾的理論?！?/p>
這不僅是郭光燦的“野心”，也是整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的。
就在近期，實(shí)驗(yàn)室的史保森研究小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲(chǔ)與釋放，證明了建立高維量子存儲(chǔ)單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。
麻省理工學(xué)院的Technology Review網(wǎng)站更以“第一個(gè)存儲(chǔ)單光子形狀的量子存儲(chǔ)器在中國(guó)揭開面紗”為題，對(duì)研究室的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行積極評(píng)價(jià)。
沒有第一的競(jìng)賽
郭光燦眼光“毒”得很。
他是國(guó)內(nèi)第一個(gè)做量子光學(xué)的。三十多年前，國(guó)內(nèi)沒有人支持他做量子光學(xué)，甚至把量子信息稱為“偽科學(xué)”?！皠傞_始，郭光燦的工作沒人重視，按他自己的話說，‘坐了十多年冷板凳’?！痹袊?guó)科大副校長(zhǎng)韓榮典說，“哪個(gè)新學(xué)科不是坐冷板凳？但他堅(jiān)持下來了，還培養(yǎng)了一大批出色人才?！?/p>
在郭光燦的這場(chǎng)“科學(xué)賽跑”中，沒有第一名。
他趕上了全球量子信息發(fā)展的萌芽期，熟知量子信息發(fā)展動(dòng)態(tài)。因此，他做科研從來不緊跟風(fēng)國(guó)外，而是前瞻性地進(jìn)行戰(zhàn)略部署。
1999年，實(shí)驗(yàn)室在中科院實(shí)驗(yàn)室評(píng)比中獲得第一名。郭光燦借助350萬的獎(jiǎng)金，將對(duì)國(guó)家安全至關(guān)重要且容易出成果的“量子密碼”作為突破口，在國(guó)際上首次解決了量子密鑰分配過程的穩(wěn)定性問題，經(jīng)由實(shí)際通信光路實(shí)現(xiàn)了125公里單向量子密鑰分配。
兩年之后，他又布局量子信息最核心的資源――量子糾纏。2011年，《自然一通信》在線發(fā)表了李傳鋒、黃運(yùn)鋒研究組獨(dú)立制備出的八光子糾纏態(tài)，刷新了多光子糾纏制備與操作數(shù)目的世界記錄。
單是光學(xué)和量子信息是不夠的，因此郭光燦又與郭國(guó)平一起部署了半導(dǎo)體量子芯片研究平臺(tái)。
當(dāng)時(shí)正好趕上金融危機(jī)，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室都在降價(jià)處理儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室便遠(yuǎn)赴大洋彼岸的美國(guó)挑選了5臺(tái)“五臟俱全”的“二手貨”，建起了成熟的量子芯片加工平臺(tái)。隨后，郭光燦又派研究人員到蘇州納米所學(xué)習(xí)微納加工，建立起以考核技術(shù)進(jìn)步為主的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)出一支優(yōu)秀的研究隊(duì)伍。
2004年開始，除了“看家”的理論組方向外，郭光燦又部署起新的量子光集成芯片方向，進(jìn)行微腔小球研究?！拔覀兊乃膫€(gè)實(shí)驗(yàn)研究方向是把握了學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)，結(jié)合自己的特長(zhǎng)，逐步做出了前瞻性布局。”在郭光燦看來，做研究不能讓國(guó)外牽著鼻子走。
英雄不問出處
董春華讀博時(shí)，就已經(jīng)將微腔小球研究做到了世界最高水平。
但在當(dāng)前的政策下，對(duì)于非“海歸”的董春華來說，想要留校幾乎是不可能的。為了留下董春華這個(gè)人才，郭光燦再次慷慨解囊，用實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)支持董春華去合作伙伴――俄勒岡大學(xué)物理系攻讀博士后。
當(dāng)時(shí)有人問郭光燦：“你要不要跟他簽個(gè)協(xié)議，會(huì)不會(huì)放出去就不回來了？”郭光燦自信地說：“我們相信他能回來，這里才能發(fā)揮他的作用?！?/p>
果不其然。兩年后，董春華在《科學(xué)》雜志以第一作者發(fā)表文章Optomechanical Dark Mode，并帶著世界上最耀眼的光機(jī)械研究方向回到了實(shí)驗(yàn)室。“我們自己培養(yǎng)人如同幫病人養(yǎng)血，調(diào)理好生血的機(jī)構(gòu)。引進(jìn)人才如同輸血，忽視增強(qiáng)自己的造血機(jī)能，是不正常的。”郭光燦說。
李傳鋒招學(xué)生，唯一看重的就是是否熱愛物理?！叭绻阆矚g物理就來，如果還有其他選擇，想去發(fā)財(cái)就去發(fā)財(cái)”，李傳鋒在給學(xué)生許金時(shí)面試時(shí)如此說。
