龙桂鲁教学团队：用量子技巧保证通讯保险

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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

用量子技巧保证通信安全

练习记者 卫梦娇

　　项目称号

　　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

　　名目先容

　　量子通信和量子计算存在重要的策略意义。该研究建立了国际上第一个量子直接安全通信模型，开拓和增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曾经被实验验证并成为实验研究的主要利用目的。改进了著名的格罗夫（Grover）量子算法，建立了相位匹配实践，被实验验证和广泛运用，获得算法提出者格罗夫和量子计算创始人本尼沃夫（Benioff）等的确定；实验上完成了包括量子搜索算法在内的一批重要量子算法。这些发明性研究成果被国际上多个实验组所验证，失掉了广泛引用，发生了重要普遍的国际影响。

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,清华培训，谍报搜集者们经由过程收音机接受一段看似无序的数字，而后依据当时商定好的暗码书，将数码改变为笔墨。如许的信息通报方法并不是编剧们的艺术创作，而是阿谁时期实在而原始的密码学。

　　“但是跟着科技的成长，量子范畴最有名的两年夜算法向信息安全提出了史无前例的挑衅，开展量子通信和量子盘算机势在必行。”物理系教学龙桂鲁说，“量子信息的意思不下于核兵器。一旦产生战斗，有的国家领有量子通信和量子计算技术，有的国家不，这就犹如一个瞽者与一个正凡人打斗，对方能把你看得清明白楚，你却看不到敌手，非常风险。”

　　龙桂鲁研究团队昼夜兼程，在量子信息领域开展深刻研究。

　　工夫不负苦心人，终究，他们树立了国际上第一个量子保险通信模子，开辟了量子通信的一个新标的目的，结构了改良的量子搜寻算法，建破了相位婚配，并在试验上完成了量子算法。凭仗“量子通讯跟量子算法的物理基本研讨”，龙桂鲁团队取得2013年度国度天然迷信奖二等奖。

挑战前沿开展量子信息势在必行

　　普通来讲，传统密码多由单向函数形成，当下互联网上较为经常使用的RSA算法就采取了典范的因数分解式。计算两个大质数的乘积其实不难，个别的计算器就可以做到，不外要将乘积分化为两个质因数却并非易事，这也是久长以来RSA算法运作的机制。

　　但是，在上世纪90年月中期，美国科学家皮特·休尔（PeterShor）提出了大因数分解的量子算法；差未几同时，物理学家格罗夫（Grover）提出了著名的非构造化数据的 “量子搜索算法”（“Grover算法”），可以破译DES密码体制。量子领域最著名的两大算法接踵提出，象征着以大数因式分解算法为根据的RSA公然密钥密码体系将会在量子计算眼前摧枯拉朽。量子计算和量子通信研究在国际上构成热门，成为具备重要战略意义的研究领域，发展量子信息势在必行。

　　在这类布景下，1998年龙桂鲁率领的科研团队在科技部、教导部和国家天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。龙桂鲁团队起首从量子搜索算法开始切入研究，“其时我们还不是特殊肯定应当先从哪动手，手头有甚么就干什么。记切当时看到的第一篇文章就是对于Grover算法的，于是团队的科研途径就从这里开始了。”恰是在不经意间，龙桂鲁科研团队翻开了量子信息研究的大门。那时的他们不会想到，这个并非决心挑选的研究方向，居然在往后产生了严重科研发现。

敢想敢做相位婚配和改进量子搜索算法

　　Grover算法由两个HW 变更和两个相位取反构成，包含格罗夫等在内的物理学家都以为肆意相角滚动皆可构造量子搜索算法。但由于效力较低，在能够抉择时，大师就默许应用180度来停止计算。

　　“咱们得感激他的这个过错的估量。”龙桂鲁笑着说，“因为在他作了这个预判以后，各人都没有持续深入做这方面的研究，因而我们就成为第一个往这方面做研究的科研团队。”

　　只管龙桂鲁把科研方向的取舍归功于“运气”，但机会常常只留给有筹备的人，福气背地，是大量踏实科学的实验求证。在二维动弹中，龙桂鲁团队发明，得出的数据无奈转换成表白式，于是他们应用计算机获得了大量数据并停止计算，以此验证是不是随便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揣度的估计相反，随意率性角度相位转动并不克不及进行有用的搜索！为了求真证伪，龙桂鲁团队特地给格罗夫发了一封邮件，并在信中论述了团队的研究成果。收到邮件后的格罗夫十分欣喜和惊叹，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年颁发了相干科研论文，他们指出，并非恣意角度都能实现量子搜索，角度之间必需满意必定的关联，这即是著名的“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，搜索胜利率到达100%，改进了“Grover量子算法”，而他们的研究工作也开始遭到海内外研究者的看重。

　　量子计算机开创人之一本尼沃夫（Benioff）教授很快留神到了龙桂鲁团队的任务，并在美国数学学会量子计算大会呈文中援用了他们的任务结果；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讲演中引用此项成果；而改进后的算法更是被美国圣地亚哥加州大学在教养中使用；而在前多少年，经过相位匹配前提改进后的算法，已被荷兰施普雷（Spreeuw）传授研究组使用光学方式实验验证。

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

　　2002年，随着量子信息的研究方向开始向高维和多方量子系统发展，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，发展了散布式量子通信。

　　机遇一次次看重龙桂鲁科研团队，要害在于他们不科学威望，不害怕艰苦。试想，假如没有一开端对 Grover算法的质疑，没有他们一次次的摸索，没有大批的实验数据作为支持，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斯辽阔的平台。而这所有，都源于这支年青步队的敢想敢做。

团队合作亦师亦友独特进步

　　龙桂鲁曾六次获评清华大学“良师良朋”名称，他曾的学生、项目第二实现人、北京师范大学物理系教授邓富国曾屡次抒发对龙桂鲁的敬仰与感激：“记得2003年冬季的一个早晨，我发现可能可以用单光子态实现量子直接通信后，即时高兴地给龙教员打德律风，却完整疏忽他因伤风曾经歇息。让我惊奇的是，大概过了一刻钟，龙先生竟然披着大衣从家离开办公室找我探讨！我看了看表，已经是深夜十一点多了。我心坎又感谢又惭愧，也再一次感触到一位真正学者对学术的执着寻求。”

　　“失掉国家做作科学奖二等奖是人人的声誉。”龙桂鲁说，“仝殿平易近是我的同窗，邓富国、李岩松、王川是我之前的博士生，他们为这个项目支出了良多血汗。我们还要感谢物理系原主任陈皓明教授和机电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引导在科研方面赐与我们的支撑，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老师和校友的鼎力辅助。”龙桂鲁说，龙桂鲁夸大，清华造就人材不但给“干粮”，而且给“猎枪”，岂但教授常识，并且教授获得悉识的方法。始终以来，龙桂鲁在培育先生的过程当中，也是最为器重教授给先生自立进修的办法。

　　在这样的团队中，有支持搀扶帮助的先辈，有踊跃长进的子弟，团队中的每小我都尽力奋进，霸占一个个科研困难，继承为中国的通信安全奇迹努力着。

　　起源：新清华 2014-5-16