龍桂魯教學團隊：用量子技巧保證通訊保險

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物理系龍桂魯教授團隊“量子通信和量子算法的物理基礎研究”獲2013年度國家自然科學獎二等獎

用量子技巧保證通信安全

練習記者 衛夢嬌

　　項目稱號

　　量子通信和量子算法的物理基礎研究

　　項目成員

　　龍桂魯、鄧富國、仝殿民、李巖松、王川

　　名目先容

　　量子通信和量子計算存在重要的策略意義。該研究建立了國際上第一個量子直接安全通信模型，開拓和增進了量子通信新方向的發展。提出的構造量子通信新方法被廣泛應用。構建了第一個多方高維量子密集編碼模型，提出了高維多方通信方案。多方高維密集編碼模型曾經被實驗驗證并成為實驗研究的主要利用目的。改進了著名的格羅夫（Grover）量子算法，建立了相位匹配實踐，被實驗驗證和廣泛運用，獲得算法提出者格羅夫和量子計算創始人本尼沃夫（Benioff）等的確定；實驗上完成了包括量子搜索算法在內的一批重要量子算法。這些發明性研究成果被國際上多個實驗組所驗證，失掉了廣泛引用，發生了重要普遍的國際影響。

圖為龍桂魯研究團隊成員合影。物理系 供圖

　　在當下熱播的諜戰劇中,清華培訓，諜報搜集者們經由過程收音機接受一段看似無序的數字，而后依據當時商定好的暗碼書，將數碼改變為筆墨。如許的信息通報方法并不是編劇們的藝術創作，而是阿誰時期實在而原始的密碼學。

　　“但是跟著科技的成長，量子范疇最有名的兩年夜算法向信息安全提出了史無前例的挑釁，開展量子通信和量子盤算機勢在必行。”物理系教學龍桂魯說，“量子信息的意思不下于核兵器。一旦產生戰斗，有的國家領有量子通信和量子計算技術，有的國家不，這就猶如一個瞽者與一個正凡人打斗，對方能把你看得清明白楚，你卻看不到敵手，非常風險。”

　　龍桂魯研究團隊晝夜兼程，在量子信息領域開展深刻研究。

　　工夫不負苦心人，終究，他們樹立了國際上第一個量子保險通信模子，開辟了量子通信的一個新標的目的，結構了改良的量子搜尋算法，建破了相位婚配，并在試驗上完成了量子算法。憑仗“量子通訊跟量子算法的物理基本研討”，龍桂魯團隊取得2013年度國度天然迷信獎二等獎。

挑戰前沿開展量子信息勢在必行

　　普通來講，傳統密碼多由單向函數形成，當下互聯網上較為經常使用的RSA算法就采取了典范的因數分解式。計算兩個大質數的乘積其實不難，個別的計算器就可以做到，不外要將乘積分化為兩個質因數卻并非易事，這也是久長以來RSA算法運作的機制。

　　但是，在上世紀90年月中期，美國科學家皮特·休爾（PeterShor）提出了大因數分解的量子算法；差未幾同時，物理學家格羅夫（Grover）提出了著名的非構造化數據的 “量子搜索算法”（“Grover算法”），可以破譯DES密碼體制。量子領域最著名的兩大算法接踵提出，象征著以大數因式分解算法為根據的RSA公然密鑰密碼體系將會在量子計算眼前摧枯拉朽。量子計算和量子通信研究在國際上構成熱門，成為具備重要戰略意義的研究領域，發展量子信息勢在必行。

　　在這類布景下，1998年龍桂魯率領的科研團隊在科技部、教導部和國家天然科學基金委項目支持下，開始進行量子通信和量子算法的物理基礎研究。龍桂魯團隊起首從量子搜索算法開始切入研究，“其時我們還不是特殊肯定應當先從哪動手，手頭有甚么就干什么。記切當時看到的第一篇文章就是對于Grover算法的，于是團隊的科研途徑就從這里開始了。”恰是在不經意間，龍桂魯科研團隊翻開了量子信息研究的大門。那時的他們不會想到，這個并非決心挑選的研究方向，居然在往后產生了嚴重科研發現。

敢想敢做相位婚配和改進量子搜索算法

　　Grover算法由兩個HW 變更和兩個相位取反構成，包含格羅夫等在內的物理學家都以為肆意相角滾動皆可構造量子搜索算法。但由于效力較低，在能夠抉擇時，大師就默許應用180度來停止計算。

　　“咱們得感激他的這個過錯的估量。”龍桂魯笑著說，“因為在他作了這個預判以后，各人都沒有持續深入做這方面的研究，因而我們就成為第一個往這方面做研究的科研團隊。”

　　只管龍桂魯把科研方向的取舍歸功于“運氣”，但機會常常只留給有籌備的人，福氣背地，是大量踏實科學的實驗求證。在二維動彈中，龍桂魯團隊發明，得出的數據無奈轉換成表白式，于是他們應用計算機獲得了大量數據并停止計算，以此驗證是不是隨便相角轉動都可構成量子搜索算法。

　　但沒想到的是，他們得出的計算結果竟然與格羅夫揣度的估計相反，隨意率性角度相位轉動并不克不及進行有用的搜索！為了求真證偽，龍桂魯團隊特地給格羅夫發了一封郵件，并在信中論述了團隊的研究成果。收到郵件后的格羅夫十分欣喜和驚嘆，因為他在提出此項推論后并沒有進行驗證。

　　根據此項研究結果，龍桂魯團隊在 1999年頒發了相干科研論文，他們指出，并非恣意角度都能實現量子搜索，角度之間必需滿意必定的關聯，這即是著名的“相位匹配”理論的由來。利用“相位匹配”，龍桂魯團隊構造了改進量子搜索算法，搜索勝利率到達100%，改進了“Grover量子算法”，而他們的研究工作也開始遭到海內外研究者的看重。

　　量子計算機開創人之一本尼沃夫（Benioff）教授很快留神到了龍桂魯團隊的任務，并在美國數學學會量子計算大會呈文中援用了他們的任務結果；國際著名量子算法專家巴勒姆（Burham）和沃爾夫（Wolf）教授等人也在計算機國際大會講演中引用此項成果；而改進后的算法更是被美國圣地亞哥加州大學在教養中使用；而在前多少年，經過相位匹配前提改進后的算法，已被荷蘭施普雷（Spreeuw）傳授研究組使用光學方式實驗驗證。

　　2000年，龍桂魯團隊在國際上提出了第一個量子直接平安通信（QSDC）的物理模型———兩步量子通信計劃，開拓了量子直接安全通信這一新的量子通信研究偏向。

　　2002年，隨著量子信息的研究方向開始向高維和多方量子系統發展，龍桂魯團隊又第一次在國際上建立了多方高維量子密集編碼模型，提出了高維多步量子通信方案，發展了散布式量子通信。

　　機遇一次次看重龍桂魯科研團隊，要害在于他們不科學威望，不害怕艱苦。試想，假如沒有一開端對 Grover算法的質疑，沒有他們一次次的摸索，沒有大批的實驗數據作為支持，來自中國的量子通信和量子算法研究隊伍很難在剛起步時就登上如斯遼闊的平臺。而這所有，都源于這支年青步隊的敢想敢做。

團隊合作亦師亦友獨特進步

　　龍桂魯曾六次獲評清華大學“良師良朋”名稱，他曾的學生、項目第二實現人、北京師范大學物理系教授鄧富國曾屢次抒發對龍桂魯的敬仰與感激：“記得2003年冬季的一個早晨，我發現可能可以用單光子態實現量子直接通信后，即時高興地給龍教員打德律風，卻完整疏忽他因傷風曾經歇息。讓我驚奇的是，大概過了一刻鐘，龍先生竟然披著大衣從家離開辦公室找我探討！我看了看表，已經是深夜十一點多了。我心坎又感謝又慚愧，也再一次感觸到一位真正學者對學術的執著尋求。”

　　“失掉國家做作科學獎二等獎是人人的聲譽。”龍桂魯說，“仝殿平易近是我的同窗，鄧富國、李巖松、王川是我之前的博士生，他們為這個項目支出了良多血汗。我們還要感謝物理系原主任陳皓明教授和機電系盧強院士在專業上的引領，梁尤能、王大中、顧秉林、康克軍和薛其坤等歷任校引導在科研方面賜與我們的支撐，龔克、朱邦芬、李惕培、李家明、李衍達、周炳坤、李志堅、張鈸、孫家廣和鄭厚植等多位老師和校友的鼎力輔助。”龍桂魯說，龍桂魯夸大，清華造就人材不但給“干糧”，而且給“獵槍”，豈但教授常識，并且教授獲得悉識的方法。始終以來，龍桂魯在培育先生的過程當中，也是最為器重教授給先生自立進修的辦法。

　　在這樣的團隊中，有支持攙扶幫助的先輩，有踴躍長進的子弟，團隊中的每小我都盡力奮進，霸占一個個科研困難，繼承為中國的通信安全奇跡努力著。

　　起源：新清華 2014-5-16