基本信息
- 項目名稱：
- 基于糾纏態(tài)的未來量子通信網(wǎng)絡基礎理論研究
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 在信息化不斷加速的當今社會，信息安全的重要性已不言而喻。本作品著眼于當今信息安全領域的研究熱點---量子通信，對相關理論進行了深入的研究。通過挖掘糾纏態(tài)的本質特性，探索其在量子通信網(wǎng)絡各個環(huán)節(jié)中的可能應用，作品提出了基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡基礎模型以及主要功能的實現(xiàn)方案，對構建未來量子通信網(wǎng)絡具有重要意義。具體研究內(nèi)容如下：首先就量子糾纏態(tài)的基本性質提出新的糾纏不等式，接著研究量子網(wǎng)絡中密信存儲和量子態(tài)遠程制備方法，進而設計出量子網(wǎng)絡中以糾纏態(tài)作為信息載體的新穎高效的身份認證、秘密共享及明文直傳方案，給出相應的實現(xiàn)裝置，并分析其絕對安全性。在本作品的相關研究中，以本科生身份作為第一作者已發(fā)表和被接受的論文共6篇，其中SCI收錄1篇，EI收錄3篇，另兩篇被加拿大滑鐵盧大學國際量子計算中心舉辦的量子信息領域頂級會議收錄。此外，作品已在省級挑戰(zhàn)杯比賽中獲特等獎。
- 詳細介紹：
- 隨著當今社會信息化步伐的加速，信息安全的重要性已越來越突出。國際上圍繞信息的獲取、使用和控制的競爭愈演愈烈，信息安全正成為維護國家安全和社會穩(wěn)定的一個焦點。作為信息安全領域的最新研究熱點，量子通信由于其量子力學物理屬性保證了信息傳輸?shù)慕^對安全性，近些年受到廣泛關注。隨著量子信息理論和實驗研究的不斷深入，新一代的量子通信網(wǎng)絡將因其通信的絕對安全性成為未來網(wǎng)絡的發(fā)展方向。而在量子信息理論中，多粒子糾纏態(tài)在通信效率，抵御退相干等方面要優(yōu)于單粒子。本作品著眼于挖掘和探索糾纏態(tài)的本質特性，研究其在量子網(wǎng)絡通信的各項應用，提出了基于糾纏態(tài)的更為安全、高效的量子身份認證、量子對話及多方量子通信方案，實現(xiàn)同類協(xié)議難以實現(xiàn)的更為全面、實用的功能，為最終組建安全、高效的量子網(wǎng)絡提供了理論支持。 本作品設計出了未來量子通信網(wǎng)絡的基本結構圖，給出了量子通信網(wǎng)絡中一些基本功能的實現(xiàn)方案，所涉及的研究內(nèi)容如下： 首先，探討了量子糾纏的本質即非局域性，提出了針對非最大糾纏態(tài)的糾纏不等式；隨后提出了一種簡單有效的量子密信存儲解決方案和一個利用EPR對實現(xiàn)量子態(tài)的遠程制備方案。 在上述研究的基礎上，接著作品給出了基于糾纏態(tài)的量子身份認證、直接通信等網(wǎng)絡應用方案。作品先提出了一個利用EPR糾纏態(tài)秘密順序實現(xiàn)身份認證的方案。隨后，通過引入可信第三方認證中心，并利用三粒子W態(tài)，提出了一個更為高效，適用性更強的身份認證協(xié)議。使得合法通信用戶可以在認證中心的協(xié)助下，在認證的同時即完成糾纏粒子的分發(fā)。認證完成后，合法通信用戶可安全共享EPR 糾纏態(tài)并在第三方的控制下進行量子直傳通信。在量子安全直接通信方案中，作品給出了雙方量子對話的研究成果，解決了原有量子對話協(xié)議中信息泄露的問題。在經(jīng)典通信的協(xié)助下，通過在量子信道中傳輸GHZ態(tài)中的兩個粒子，通信雙方可以實現(xiàn)安全的雙向通信。由于在經(jīng)典信道中傳輸?shù)氖墙?jīng)一次一密方案加密后的密文，故該方案避免了同類協(xié)議中經(jīng)典信道上的信息泄露。多方安全通信方案的研究針對現(xiàn)存量子通信協(xié)議大都只涉及雙方的通信，而僅有的幾個實現(xiàn)多方同時通信的協(xié)議也被證明存在信息泄露等問題，提出了一個利用量子稠密編碼思想來實現(xiàn)的高容量三方通信協(xié)議。該協(xié)議充分利用信道上傳輸?shù)腉HZ態(tài)粒子的偏振和相位信息分別給不同用戶編碼，使不同的用戶各取所需進行對應的解碼，從而實現(xiàn)最終的多方直接通信。以上各通信方案，作品均給出了其實現(xiàn)的裝置圖，并給出了有關的安全性證明和數(shù)據(jù)仿真。 最后，作品就基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡研究做了總結和展望。相信在不久的將來，量子通信網(wǎng)絡勢必會成為構建新一代大容量、絕對安全網(wǎng)絡的最令人矚目的方案。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 作品針對當今信息安全領域研究熱點量子通信進行理論研究，分析量子糾纏態(tài)特性，挖掘其在量子通信網(wǎng)絡各個環(huán)節(jié)中的可能應用，提出基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡基礎模型，對構建未來量子通信網(wǎng)絡具有重要意義?；舅悸肥牵菏紫妊芯苛孔蛹m纏態(tài)的基本性質，接著研究量子網(wǎng)絡中密信存儲和量子態(tài)遠程制備方法，進而設計出量子網(wǎng)絡中以糾纏態(tài)作為信息載體的身份認證、秘密共享及明文直傳方案，并給出相應的裝置以實現(xiàn)上述功能。
科學性、先進性及獨特之處
- 作品跟蹤國際量子信息領域的最新研究熱點--糾纏態(tài)在量子通信中的應用，建立了基于此的量子通信網(wǎng)絡功能模型，并提出了一系列新穎高效的量子通信協(xié)議。作品重點深入研究了量子糾纏態(tài)特性，探索了其在通信網(wǎng)絡各環(huán)節(jié)中的可能應用，設計出了比現(xiàn)有協(xié)議更為安全的量子身份認證、量子對話及多方通信方案，實現(xiàn)了同類協(xié)議無法實現(xiàn)的更為全面、實用的功能。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 隨著全球信息化水平的不斷提高，信息安全已成為保障國家安全、經(jīng)濟發(fā)展以及個人隱私等諸方面的關鍵。然而由于計算能力的提高，基于計算復雜度的傳統(tǒng)密碼學正受到越來越大的威脅。本作品旨在挖掘量子糾纏態(tài)特性，提出基于糾纏態(tài)的可實現(xiàn)絕對安全的未來通信網(wǎng)絡模型，并設計協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡中的基本功能。作品中的各個新穎高效的方案對保證相應環(huán)節(jié)的絕對安全有重要意義，同時也為最終實現(xiàn)整個通信網(wǎng)絡的絕對安全性具有引導作用。
學術論文摘要
- 隨著量子信息理論和實驗研究的不斷深入，新一代量子通信網(wǎng)絡將因其絕對安全性成為未來安全通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向。本文著眼于挖掘糾纏態(tài)的本質特性，提出未來量子通信網(wǎng)絡基本功能結構圖，給出其中一些基本功能的實現(xiàn)方案，涉及以下內(nèi)容：首先，探討了量子糾纏的非局域性，提出了針對非最大糾纏態(tài)的不等式；隨后給出了一種簡單有效的密信存儲方案和一個利用EPR對實現(xiàn)量子態(tài)的遠程制備方案。在此基礎上，提出了一個利用糾纏態(tài)亂序實現(xiàn)身份認證的方案。隨后，通過引入可信第三方認證中心，又設計出一個更為高效，適用性更強的身份認證協(xié)議。認證完成后，合法通信用戶便可進行安全直接通信，本文先給出了雙方量子對話的研究成果，由于在經(jīng)典信道中傳輸?shù)氖墙?jīng)一次一密方案加密后的密文，解決了原有量子對話協(xié)議中信息泄露的問題。多方安全通信方案的研究針對現(xiàn)存量子通信協(xié)議大都只涉及雙方，提出了一個利用量子稠密編碼思想來實現(xiàn)的高容量通信協(xié)議。該協(xié)議多次充分利用傳輸粒子的偏振和相位信息分別給不同用戶編碼，使不同的用戶各取所需進行對應的解碼，從而實現(xiàn)最終的多方直接通信。以上各通信方案，均給出了其實現(xiàn)的裝置圖，并給出了有關的安全性證明和數(shù)據(jù)仿真。
獲獎情況
- 1. 2007年11月，相關論文“Quantum identity authentication based on secret transmitting order of particles”在 SPIE Photonics Asia 2007 國際光學工程亞洲光子學大會上宣讀; 2. 2009年4月，相關論文“Bell Inequality of non maximally entangled state”和“A quantum solution to key storage”被加拿大滑鐵盧大學國際量子計算研究中心舉辦的TQC 2009接受; 5月，論文“Remote Preparation of Photon Polarization State via Einstein-Podolsky-Rosen Channe”被SOPO 2009光學與光電子學國際會議接受； 3. 2009年6月，相關論文“Enhancing the security of quantum secret sharing against multiphoton attack”在 Chinese Physics B, 2009, 18(6), 2149-2153 上發(fā)表； 4. 2009年6月，相關論文“基于三粒子W態(tài)的身份認證” 在 光學學報, 2009, 29(6): 1680～1683 上發(fā)表； 5. 2009年6月，本作品獲本省第七屆挑戰(zhàn)杯大學生課外學術科技作品競賽特等獎。
鑒定結果
- 該作品追蹤了國際保密通信領域最前沿的研究方向，所有研究由參賽團體獨立創(chuàng)作完成，具有很好的原創(chuàng)性和較高的學術價值。
參考文獻
- 1．Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information. Higer Education Press. 2003. 2. N. Gisin , G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, 2002, Rev. Mod. Phys. 74, 145. 3. Fabio Dell'Anno, Silvio De Siena and Fabrizio Illuminati, 2006，Phys. Rep. 428, 53. 4. Jian-Wei Pan, Zeng-Bing Chen, Marek Zukowski, Harald Weinfurter, and Anton Zeilinger, 2008, arXiv:0805.2853 5. Hoi-Kwong Lo and Yi Zhao, 2008, arXiv:0803.2507. 6. Ryszard Horodecki, Pawel Horodecki, Michal Horodecki and Karol Horodecki, 2007 arXiv:quant-ph/0702225. 7. Nicolas Gisin and Rob Thew, 2007, Nature Photonics, vol 1, No. 3, 165. 8. Valerio Scarani, Helle Bechmann-Pasquinucci, Nicolas J. Cerf, Miloslav Dusek, Norbert Lutkenhaus and Momtchil Peev, 2008, arXiv:0802.4155.
同類課題研究水平概述
- 量子通信是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子理論和經(jīng)典信息論相結合的產(chǎn)物。經(jīng)過這些年的發(fā)展，這門學科已逐步從理論走向實驗，尤其是其中相對比較成熟的量子密鑰分發(fā)技術，已逐步逼近實用化，比如目前報道的量子密鑰分發(fā)的最遠距離分別為250km(光纖信道，2009年)和144km(自由空間，2009年)。MagiQ，id Quantique等公司已經(jīng)開發(fā)出可商用化的相應的單量子加密解密裝置，而最近（2009年4月），日本日立公司基礎技術研究所和東京大學納米量子信息電子技術研究所共同開發(fā)出了利用下一代高速大容量光通信的“相位調(diào)制技術”，將光波的周期變化，轉換成“0”和“1”的信號，經(jīng)量子加密使信息在高速傳遞時不易被竊取。該技術是為了在8年后組建實用的大規(guī)模通信網(wǎng)，以適應4G之后，下一代通信技術對于通信質量上的更高要求而開發(fā)的。我國也在今年5月份報道了國際上第一個單向量子政務網(wǎng)（安徽，蕪湖），標志著中國量子保密通信技術已經(jīng)正式步入應用軌道。上述幾種情形都可以歸結為利用的是單量子比特技術。 另一方面，由于量子糾纏態(tài)有著量子物理世界里特有的“鬼魅般超距作用”，即糾纏非局域性，且研究表明，糾纏是研制具有超級計算能力的量子計算機的必備條件，所以針對糾纏態(tài)研究，尤其是其制備與操縱一直受到廣泛關注。其中，最為引人注目的是在最近幾年內(nèi)，多粒子糾纏態(tài)的制備和操縱取得了一個又一個突破性的進展：1999－2001年，由我國潘建偉教授領導的小組首次成功實現(xiàn)三光子、四光子糾纏態(tài)的制備；2004年，又首次取得五粒子糾纏態(tài)的制備與操縱；2006年，再次在國際上第一次成功地實現(xiàn)了對六光子糾纏態(tài)的操縱。可以說，在這個領域，我國一直處于國際領先地位。 然而，迄今為止，利用糾纏態(tài)，特別是多粒子糾纏態(tài)，實現(xiàn)的量子通信方案遠沒有利用單量子比特實現(xiàn)的多，也沒有相關基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡方面的研究。而事實上，正是由于多粒子糾纏特性，運用多粒子糾纏態(tài)可以很好地實現(xiàn)很多以前實現(xiàn)不了的通信功能，且能提高通信過程的安全性和通信效率。因此，研究基于糾纏態(tài)，特別是基于多粒子糾纏態(tài)的下一代量子通信網(wǎng)絡就顯得十分必要和迫切。
