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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于糾纏態(tài)的未來量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 在信息化不斷加速的當(dāng)今社會，信息安全的重要性已不言而喻。本作品著眼于當(dāng)今信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)---量子通信，對相關(guān)理論進(jìn)行了深入的研究。通過挖掘糾纏態(tài)的本質(zhì)特性，探索其在量子通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)中的可能應(yīng)用，作品提出了基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模型以及主要功能的實(shí)現(xiàn)方案，對構(gòu)建未來量子通信網(wǎng)絡(luò)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(zhì)提出新的糾纏不等式，接著研究量子網(wǎng)絡(luò)中密信存儲和量子態(tài)遠(yuǎn)程制備方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)出量子網(wǎng)絡(luò)中以糾纏態(tài)作為信息載體的新穎高效的身份認(rèn)證、秘密共享及明文直傳方案，給出相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)裝置，并分析其絕對安全性。在本作品的相關(guān)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(xué)國際量子計(jì)算中心舉辦的量子信息領(lǐng)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(xì)介紹：
- 隨著當(dāng)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(hù)國家安全和社會穩(wěn)定的一個(gè)焦點(diǎn)。作為信息安全領(lǐng)域的最新研究熱點(diǎn)，量子通信由于其量子力學(xué)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(guān)注。隨著量子信息理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，新一代的量子通信網(wǎng)絡(luò)將因其通信的絕對安全性成為未來網(wǎng)絡(luò)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(zhì)特性，研究其在量子網(wǎng)絡(luò)通信的各項(xiàng)應(yīng)用，提出了基于糾纏態(tài)的更為安全、高效的量子身份認(rèn)證、量子對話及多方量子通信方案，實(shí)現(xiàn)同類協(xié)議難以實(shí)現(xiàn)的更為全面、實(shí)用的功能，為最終組建安全、高效的量子網(wǎng)絡(luò)提供了理論支持。 本作品設(shè)計(jì)出了未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)圖，給出了量子通信網(wǎng)絡(luò)中一些基本功能的實(shí)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(zhì)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(gè)利用EPR對實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)程制備方案。 在上述研究的基礎(chǔ)上，接著作品給出了基于糾纏態(tài)的量子身份認(rèn)證、直接通信等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。作品先提出了一個(gè)利用EPR糾纏態(tài)秘密順序?qū)崿F(xiàn)身份認(rèn)證的方案。隨后，通過引入可信第三方認(rèn)證中心，并利用三粒子W態(tài)，提出了一個(gè)更為高效，適用性更強(qiáng)的身份認(rèn)證協(xié)議。使得合法通信用戶可以在認(rèn)證中心的協(xié)助下，在認(rèn)證的同時(shí)即完成糾纏粒子的分發(fā)。認(rèn)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(jìn)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(gè)粒子，通信雙方可以實(shí)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(gè)實(shí)現(xiàn)多方同時(shí)通信的協(xié)議也被證明存在信息泄露等問題，提出了一個(gè)利用量子稠密編碼思想來實(shí)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(jìn)行對應(yīng)的解碼，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)的裝置圖，并給出了有關(guān)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(luò)研究做了總結(jié)和展望。相信在不久的將來，量子通信網(wǎng)絡(luò)勢必會成為構(gòu)建新一代大容量、絕對安全網(wǎng)絡(luò)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(dāng)今信息安全領(lǐng)域研究熱點(diǎn)量子通信進(jìn)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(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)中的可能應(yīng)用，提出基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模型，對構(gòu)建未來量子通信網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。基本思路是：首先研究量子糾纏態(tài)的基本性質(zhì)，接著研究量子網(wǎng)絡(luò)中密信存儲和量子態(tài)遠(yuǎn)程制備方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)出量子網(wǎng)絡(luò)中以糾纏態(tài)作為信息載體的身份認(rèn)證、秘密共享及明文直傳方案，并給出相應(yīng)的裝置以實(shí)現(xiàn)上述功能。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 作品跟蹤國際量子信息領(lǐng)域的最新研究熱點(diǎn)--糾纏態(tài)在量子通信中的應(yīng)用，建立了基于此的量子通信網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)深入研究了量子糾纏態(tài)特性，探索了其在通信網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)中的可能應(yīng)用，設(shè)計(jì)出了比現(xiàn)有協(xié)議更為安全的量子身份認(rèn)證、量子對話及多方通信方案，實(shí)現(xiàn)了同類協(xié)議無法實(shí)現(xiàn)的更為全面、實(shí)用的功能。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(jì)發(fā)展以及個(gè)人隱私等諸方面的關(guān)鍵。然而由于計(jì)算能力的提高，基于計(jì)算復(fù)雜度的傳統(tǒng)密碼學(xué)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(shí)現(xiàn)絕對安全的未來通信網(wǎng)絡(luò)模型，并設(shè)計(jì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的基本功能。作品中的各個(gè)新穎高效的方案對保證相應(yīng)環(huán)節(jié)的絕對安全有重要意義，同時(shí)也為最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的絕對安全性具有引導(dǎo)作用。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 隨著量子信息理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，新一代量子通信網(wǎng)絡(luò)將因其絕對安全性成為未來安全通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。本文著眼于挖掘糾纏態(tài)的本質(zhì)特性，提出未來量子通信網(wǎng)絡(luò)基本功能結(jié)構(gòu)圖，給出其中一些基本功能的實(shí)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(gè)利用EPR對實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)程制備方案。在此基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)利用糾纏態(tài)亂序?qū)崿F(xiàn)身份認(rèn)證的方案。隨后，通過引入可信第三方認(rèn)證中心，又設(shè)計(jì)出一個(gè)更為高效，適用性更強(qiáng)的身份認(rèn)證協(xié)議。認(rèn)證完成后，合法通信用戶便可進(jìn)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(gè)利用量子稠密編碼思想來實(shí)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(jìn)行對應(yīng)的解碼，從而實(shí)現(xiàn)最終的多方直接通信。以上各通信方案，均給出了其實(shí)現(xiàn)的裝置圖，并給出了有關(guān)的安全性證明和數(shù)據(jù)仿真。
獲獎情況
- 1. 2007年11月，相關(guān)論文“Quantum identity authentication based on secret transmitting order of particles”在 SPIE Photonics Asia 2007 國際光學(xué)工程亞洲光子學(xué)大會上宣讀; 2. 2009年4月，相關(guān)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(xué)國際量子計(jì)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(xué)與光電子學(xué)國際會議接受； 3. 2009年6月，相關(guān)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(guān)論文“基于三粒子W態(tài)的身份認(rèn)證” 在 光學(xué)學(xué)報(bào), 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(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。
鑒定結(jié)果
- 該作品追蹤了國際保密通信領(lǐng)域最前沿的研究方向，所有研究由參賽團(tuán)體獨(dú)立創(chuàng)作完成，具有很好的原創(chuàng)性和較高的學(xué)術(shù)價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
- 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(xué)科，是量子理論和經(jīng)典信息論相結(jié)合的產(chǎn)物。經(jīng)過這些年的發(fā)展，這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，尤其是其中相對比較成熟的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，已逐步逼近實(shí)用化，比如目前報(bào)道的量子密鑰分發(fā)的最遠(yuǎn)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(yīng)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(chǔ)技術(shù)研究所和東京大學(xué)納米量子信息電子技術(shù)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(shù)”，將光波的周期變化，轉(zhuǎn)換成“0”和“1”的信號，經(jīng)量子加密使信息在高速傳遞時(shí)不易被竊取。該技術(shù)是為了在8年后組建實(shí)用的大規(guī)模通信網(wǎng)，以適應(yīng)4G之后，下一代通信技術(shù)對于通信質(zhì)量上的更高要求而開發(fā)的。我國也在今年5月份報(bào)道了國際上第一個(gè)單向量子政務(wù)網(wǎng)（安徽，蕪湖），標(biāo)志著中國量子保密通信技術(shù)已經(jīng)正式步入應(yīng)用軌道。上述幾種情形都可以歸結(jié)為利用的是單量子比特技術(shù)。 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(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)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(guān)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(gè)又一個(gè)突破性的進(jìn)展：1999－2001年，由我國潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的小組首次成功實(shí)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(shí)現(xiàn)了對六光子糾纏態(tài)的操縱?？梢哉f，在這個(gè)領(lǐng)域，我國一直處于國際領(lǐng)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(shí)現(xiàn)的量子通信方案遠(yuǎn)沒有利用單量子比特實(shí)現(xiàn)的多，也沒有相關(guān)基于糾纏態(tài)的量子通信網(wǎng)絡(luò)方面的研究。而事實(shí)上，正是由于多粒子糾纏特性，運(yùn)用多粒子糾纏態(tài)可以很好地實(shí)現(xiàn)很多以前實(shí)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(luò)就顯得十分必要和迫切。
