基本信息
- 项目名称：
- 基于纠缠态的未来量子通信网络基础理论研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 在信息化不断加速的当今社会，信息安全的重要性已不言而喻。本作品着眼于当今信息安全领域的研究热点---量子通信，对相关理论进行了深入的研究。通过挖掘纠缠态的本质特性，探索其在量子通信网络各个环节中的可能应用，作品提出了基于纠缠态的量子通信网络基础模型以及主要功能的实现方案，对构建未来量子通信网络具有重要意义。具体研究内容如下：首先就量子纠缠态的基本性质提出新的纠缠不等式，接着研究量子网络中密信存储和量子态远程制备方法，进而设计出量子网络中以纠缠态作为信息载体的新颖高效的身份认证、秘密共享及明文直传方案，给出相应的实现装置，并分析其绝对安全性。在本作品的相关研究中，以本科生身份作为第一作者已发表和被接受的论文共6篇，其中SCI收录1篇，EI收录3篇，另两篇被加拿大滑铁卢大学国际量子计算中心举办的量子信息领域顶级会议收录。此外，作品已在省级挑战杯比赛中获特等奖。
- 详细介绍：
- 随着当今社会信息化步伐的加速，信息安全的重要性已越来越突出。国际上围绕信息的获取、使用和控制的竞争愈演愈烈，信息安全正成为维护国家安全和社会稳定的一个焦点。作为信息安全领域的最新研究热点，量子通信由于其量子力学物理属性保证了信息传输的绝对安全性，近些年受到广泛关注。随着量子信息理论和实验研究的不断深入，新一代的量子通信网络将因其通信的绝对安全性成为未来网络的发展方向。而在量子信息理论中，多粒子纠缠态在通信效率，抵御退相干等方面要优于单粒子。本作品着眼于挖掘和探索纠缠态的本质特性，研究其在量子网络通信的各项应用，提出了基于纠缠态的更为安全、高效的量子身份认证、量子对话及多方量子通信方案，实现同类协议难以实现的更为全面、实用的功能，为最终组建安全、高效的量子网络提供了理论支持。 本作品设计出了未来量子通信网络的基本结构图，给出了量子通信网络中一些基本功能的实现方案，所涉及的研究内容如下： 首先，探讨了量子纠缠的本质即非局域性，提出了针对非最大纠缠态的纠缠不等式；随后提出了一种简单有效的量子密信存储解决方案和一个利用EPR对实现量子态的远程制备方案。 在上述研究的基础上，接着作品给出了基于纠缠态的量子身份认证、直接通信等网络应用方案。作品先提出了一个利用EPR纠缠态秘密顺序实现身份认证的方案。随后，通过引入可信第三方认证中心，并利用三粒子W态，提出了一个更为高效，适用性更强的身份认证协议。使得合法通信用户可以在认证中心的协助下，在认证的同时即完成纠缠粒子的分发。认证完成后，合法通信用户可安全共享EPR 纠缠态并在第三方的控制下进行量子直传通信。在量子安全直接通信方案中，作品给出了双方量子对话的研究成果，解决了原有量子对话协议中信息泄露的问题。在经典通信的协助下，通过在量子信道中传输GHZ态中的两个粒子，通信双方可以实现安全的双向通信。由于在经典信道中传输的是经一次一密方案加密后的密文，故该方案避免了同类协议中经典信道上的信息泄露。多方安全通信方案的研究针对现存量子通信协议大都只涉及双方的通信，而仅有的几个实现多方同时通信的协议也被证明存在信息泄露等问题，提出了一个利用量子稠密编码思想来实现的高容量三方通信协议。该协议充分利用信道上传输的GHZ态粒子的偏振和相位信息分别给不同用户编码，使不同的用户各取所需进行对应的解码，从而实现最终的多方直接通信。以上各通信方案，作品均给出了其实现的装置图，并给出了有关的安全性证明和数据仿真。 最后，作品就基于纠缠态的量子通信网络研究做了总结和展望。相信在不久的将来，量子通信网络势必会成为构建新一代大容量、绝对安全网络的最令人瞩目的方案。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品针对当今信息安全领域研究热点量子通信进行理论研究，分析量子纠缠态特性，挖掘其在量子通信网络各个环节中的可能应用，提出基于纠缠态的量子通信网络基础模型，对构建未来量子通信网络具有重要意义。基本思路是：首先研究量子纠缠态的基本性质，接着研究量子网络中密信存储和量子态远程制备方法，进而设计出量子网络中以纠缠态作为信息载体的身份认证、秘密共享及明文直传方案，并给出相应的装置以实现上述功能。
科学性、先进性及独特之处
- 作品跟踪国际量子信息领域的最新研究热点--纠缠态在量子通信中的应用，建立了基于此的量子通信网络功能模型，并提出了一系列新颖高效的量子通信协议。作品重点深入研究了量子纠缠态特性，探索了其在通信网络各环节中的可能应用，设计出了比现有协议更为安全的量子身份认证、量子对话及多方通信方案，实现了同类协议无法实现的更为全面、实用的功能。
应用价值和现实意义
- 随着全球信息化水平的不断提高，信息安全已成为保障国家安全、经济发展以及个人隐私等诸方面的关键。然而由于计算能力的提高，基于计算复杂度的传统密码学正受到越来越大的威胁。本作品旨在挖掘量子纠缠态特性，提出基于纠缠态的可实现绝对安全的未来通信网络模型，并设计协议实现网络中的基本功能。作品中的各个新颖高效的方案对保证相应环节的绝对安全有重要意义，同时也为最终实现整个通信网络的绝对安全性具有引导作用。
学术论文摘要
- 随着量子信息理论和实验研究的不断深入，新一代量子通信网络将因其绝对安全性成为未来安全通信网络的发展方向。本文着眼于挖掘纠缠态的本质特性，提出未来量子通信网络基本功能结构图，给出其中一些基本功能的实现方案，涉及以下内容：首先，探讨了量子纠缠的非局域性，提出了针对非最大纠缠态的不等式；随后给出了一种简单有效的密信存储方案和一个利用EPR对实现量子态的远程制备方案。在此基础上，提出了一个利用纠缠态乱序实现身份认证的方案。随后，通过引入可信第三方认证中心，又设计出一个更为高效，适用性更强的身份认证协议。认证完成后，合法通信用户便可进行安全直接通信，本文先给出了双方量子对话的研究成果，由于在经典信道中传输的是经一次一密方案加密后的密文，解决了原有量子对话协议中信息泄露的问题。多方安全通信方案的研究针对现存量子通信协议大都只涉及双方，提出了一个利用量子稠密编码思想来实现的高容量通信协议。该协议多次充分利用传输粒子的偏振和相位信息分别给不同用户编码，使不同的用户各取所需进行对应的解码，从而实现最终的多方直接通信。以上各通信方案，均给出了其实现的装置图，并给出了有关的安全性证明和数据仿真。
获奖情况
- 1. 2007年11月，相关论文“Quantum identity authentication based on secret transmitting order of particles”在 SPIE Photonics Asia 2007 国际光学工程亚洲光子学大会上宣读; 2. 2009年4月，相关论文“Bell Inequality of non maximally entangled state”和“A quantum solution to key storage”被加拿大滑铁卢大学国际量子计算研究中心举办的TQC 2009接受; 5月，论文“Remote Preparation of Photon Polarization State via Einstein-Podolsky-Rosen Channe”被SOPO 2009光学与光电子学国际会议接受； 3. 2009年6月，相关论文“Enhancing the security of quantum secret sharing against multiphoton attack”在 Chinese Physics B, 2009, 18(6), 2149-2153 上发表； 4. 2009年6月，相关论文“基于三粒子W态的身份认证” 在 光学学报, 2009, 29(6): 1680～1683 上发表； 5. 2009年6月，本作品获本省第七届挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
鉴定结果
- 该作品追踪了国际保密通信领域最前沿的研究方向，所有研究由参赛团体独立创作完成，具有很好的原创性和较高的学术价值。
参考文献
- 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.
同类课题研究水平概述
- 量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子理论和经典信息论相结合的产物。经过这些年的发展，这门学科已逐步从理论走向实验，尤其是其中相对比较成熟的量子密钥分发技术，已逐步逼近实用化，比如目前报道的量子密钥分发的最远距离分别为250km(光纤信道，2009年)和144km(自由空间，2009年)。MagiQ，id Quantique等公司已经开发出可商用化的相应的单量子加密解密装置，而最近（2009年4月），日本日立公司基础技术研究所和东京大学纳米量子信息电子技术研究所共同开发出了利用下一代高速大容量光通信的“相位调制技术”，将光波的周期变化，转换成“0”和“1”的信号，经量子加密使信息在高速传递时不易被窃取。该技术是为了在8年后组建实用的大规模通信网，以适应4G之后，下一代通信技术对于通信质量上的更高要求而开发的。我国也在今年5月份报道了国际上第一个单向量子政务网（安徽，芜湖），标志着中国量子保密通信技术已经正式步入应用轨道。上述几种情形都可以归结为利用的是单量子比特技术。 另一方面，由于量子纠缠态有着量子物理世界里特有的“鬼魅般超距作用”，即纠缠非局域性，且研究表明，纠缠是研制具有超级计算能力的量子计算机的必备条件，所以针对纠缠态研究，尤其是其制备与操纵一直受到广泛关注。其中，最为引人注目的是在最近几年内，多粒子纠缠态的制备和操纵取得了一个又一个突破性的进展：1999－2001年，由我国潘建伟教授领导的小组首次成功实现三光子、四光子纠缠态的制备；2004年，又首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵；2006年，再次在国际上第一次成功地实现了对六光子纠缠态的操纵。可以说，在这个领域，我国一直处于国际领先地位。 然而，迄今为止，利用纠缠态，特别是多粒子纠缠态，实现的量子通信方案远没有利用单量子比特实现的多，也没有相关基于纠缠态的量子通信网络方面的研究。而事实上，正是由于多粒子纠缠特性，运用多粒子纠缠态可以很好地实现很多以前实现不了的通信功能，且能提高通信过程的安全性和通信效率。因此，研究基于纠缠态，特别是基于多粒子纠缠态的下一代量子通信网络就显得十分必要和迫切。
