物理系龙桂鲁教授团队“量子通信和量子算法的物理基础研究”获2013年度国家自然科学奖二等奖

用量子技术保障通信安全

实习记者 卫梦娇

  项目名称

  量子通信和量子算法的物理基础研究

  项目成员

  龙桂鲁、邓富国、仝殿民、李岩松、王川

  项目介绍

  量子通信和量子计算具有重要的战略意义。该研究建立了国际上第一个量子直接安全通信模型,开拓和促进了量子通信新方向的发展。提出的构造量子通信新方法被广泛应用。构建了第一个多方高维量子密集编码模型,提出了高维多方通信方案。多方高维密集编码模型已经被实验验证并成为实验研究的重要应用目标。改进了著名的格罗夫(Grover)量子算法,建立了相位匹配理论,被实验验证和广泛应用,得到算法提出者格罗夫和量子计算创始人本尼沃夫(Benioff)等的肯定;实验上实现了包括量子搜索算法在内的一批重要量子算法。这些创造性研究成果被国际上多个实验组所验证,得到了广泛引用,产生了重要广泛的国际影响。

 

图为龙桂鲁研究团队成员合影。物理系 供图

  在当下热播的谍战剧中,情报收集者们通过收音机接收一段看似无序的数字,然后根据事先约定好的密码书,将数码转变为文字。这样的信息传递方式并非编剧们的艺术创作,而是那个时代真实而原始的密码学。

  “然而随着科技的发展,量子领域最著名的两大算法向信息安全提出了前所未有的挑战,发展量子通信和量子计算机势在必行。”物理系教授龙桂鲁说,“量子信息的意义不下于核武器。一旦发生战争,有的国家拥有量子通信和量子计算技术,有的国家没有,这就如同一个盲人与一个正常人打架,对方能把你看得清清楚楚,你却看不到对手,十分危险。”

  龙桂鲁研究团队日夜兼程,在量子信息领域展开深入研究。

  功夫不负苦心人,终于,他们建立了国际上第一个量子安全通信模型,开拓了量子通信的一个新方向,构造了改进的量子搜索算法,建立了相位匹配,并在实验上实现了量子算法。凭借“量子通信和量子算法的物理基础研究”,龙桂鲁团队获得2013年度国家自然科学奖二等奖。

挑战前沿发展量子信息势在必行

  一般来说,传统密码多由单向函数构成,当下互联网上较为常用的RSA算法就采用了典型的因数分解式。计算两个大质数的乘积并不难,一般的计算器就能做到,不过要将乘积分解为两个质因数却并非易事,这也是长久以来RSA算法运作的机制。

  然而,在上世纪90年代中期,美国科学家皮特·休尔(PeterShor)提出了大因数分解的量子算法;差不多同时,物理学家格罗夫(Grover)提出了著名的非结构化数据的 “量子搜索算法”(“Grover算法”),可以破译DES密码体系。量子领域最著名的两大算法相继提出,意味着以大数因式分解算法为依据的RSA公开密钥密码体系将会在量子计算面前不堪一击。量子计算和量子通信研究在国际上形成热点,成为具有重要战略意义的研究领域,发展量子信息势在必行。

  在这种背景下,1998年龙桂鲁带领的科研团队在科技部、教育部和国家自然科学基金委项目支持下,开始进行量子通信和量子算法的物理基础研究。龙桂鲁团队首先从量子搜索算法开始切入研究,“当时我们还不是特别肯定应该先从哪入手,手头有什么就干什么。记得当时看到的第一篇文章就是关于Grover算法的,于是团队的科研道路就从这里开始了。”正是在不经意间,龙桂鲁科研团队打开了量子信息研究的大门。当时的他们不会想到,这个并非刻意选择的研究方向,竟然在日后产生了重大科研发现。

敢想敢做相位匹配和改进量子搜索算法

  Grover算法由两个HW 变换和两个相位取反组成,包括格罗夫等在内的物理学家都认为任意相角转动皆可构造量子搜索算法。但因为效率较低,在可以选择时,大家就默认使用180度来进行计算。

  “我们得感谢他的这个错误的估计。”龙桂鲁笑着说,“因为在他作了这个预判之后,大家都没有继续深入做这方面的研究,于是我们就成为第一个往这方面做研究的科研团队。”

  尽管龙桂鲁把科研方向的选择归功于“运气”,但机会往往只留给有准备的人,运气背后,是大量扎实科学的实验求证。在二维转动中,龙桂鲁团队发现,得出的数据无法转换成表达式,于是他们利用计算机获取了大量数据并进行计算,以此验证是否任意相角转动都可构成量子搜索算法。

  但没想到的是,他们得出的计算结果竟然与格罗夫推断的估计相反,任意角度相位转动并不能进行有效的搜索!为了求真证伪,龙桂鲁团队特意给格罗夫发了一封邮件,并在信中阐述了团队的研究结果。收到邮件后的格罗夫十分惊喜和赞叹,因为他在提出此项推论后并没有进行验证。

  根据此项研究结果,龙桂鲁团队在 1999年发表了相关科研论文,他们指出,并非任意角度都能实现量子搜索,角度之间必须满足一定的关系,这便是著名的“相位匹配”理论的由来。利用“相位匹配”,龙桂鲁团队构造了改进量子搜索算法,搜索成功率达到100%,改进了“Grover量子算法”,而他们的研究工作也开始受到国内外研究者的重视。

  量子计算机创始人之一本尼沃夫(Benioff)教授很快注意到了龙桂鲁团队的工作,并在美国数学学会量子计算大会报告中引用了他们的工作成果;国际著名量子算法专家巴勒姆(Burham)和沃尔夫(Wolf)教授等人也在计算机国际大会报告中引用此项成果;而改进后的算法更是被美国圣地亚哥加州大学在教学中使用;而在前几年,经由相位匹配条件改进后的算法,已经被荷兰施普雷(Spreeuw)教授研究组使用光学方法实验验证。

  2000年,龙桂鲁团队在国际上提出了第一个量子直接安全通信(QSDC)的物理模型———两步量子通信方案,开拓了量子直接安全通信这一新的量子通信研究方向。

  2002年,随着量子信息的研究方向开始向高维和多方量子体系发展,龙桂鲁团队又第一次在国际上建立了多方高维量子密集编码模型,提出了高维多步量子通信方案,发展了分布式量子通信。

  机会一次次垂青龙桂鲁科研团队,关键在于他们不迷信权威,不畏惧困难。试想,如果没有一开始对于 Grover算法的质疑,没有他们一次次的探索,没有大量的实验数据作为支撑,来自中国的量子通信和量子算法研究队伍很难在刚起步时就登上如此广阔的平台。而这一切,都源于这支年轻队伍的敢想敢做。

团队协作亦师亦友共同前进

  龙桂鲁曾六次获评清华大学“良师益友”称号,他曾经的学生、项目第二完成人、北京师范大学物理系教授邓富国曾多次表达对龙桂鲁的敬佩与感激:“记得2003年冬天的一个晚上,我发现可能可以用单光子态实现量子直接通信后,立即兴奋地给龙老师打电话,却完全忽略他因感冒已经休息。让我惊讶的是,大约过了一刻钟,龙老师居然披着大衣从家来到办公室找我讨论!我看了看表,已是深夜十一点多了。我内心又感激又愧疚,也再一次感受到一名真正学者对学术的执着追求。”

  “获得国家自然科学奖二等奖是大家的荣誉。”龙桂鲁说,“仝殿民是我的同学,邓富国、李岩松、王川是我以前的博士生,他们为这个项目付出了很多心血。我们还要感谢物理系原主任陈皓明教授和电机系卢强院士在专业上的引领,梁尤能、王大中、顾秉林、康克军和薛其坤等历任校领导在科研方面给予我们的支持,龚克、朱邦芬、李惕培、李家明、李衍达、周炳坤、李志坚、张钹、孙家广和郑厚植等多位教师和校友的大力帮助。”龙桂鲁说,龙桂鲁强调,清华培养人才不但给“干粮”,而且给“猎枪”,不但教授知识,而且教授获得知识的方法。一直以来,龙桂鲁在培养学生的过程中,也是最为重视传授给学生自主学习的方法。

  在这样的团队中,有支持扶助的前辈,有积极上进的后辈,团队中的每个人都努力奋进,攻克一个个科研难题,继续为中国的通信安全事业努力着。

  来源:新清华 2014-5-16

2014年05月30日 16:16:14  清华新闻网

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