物理系龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)“量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究”獲2013年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)
用量子技術(shù)保障通信安全
實(shí)習(xí)記者 衛(wèi)夢(mèng)嬌
項(xiàng)目名稱
量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究
項(xiàng)目成員
龍桂魯、鄧富國(guó)、仝殿民、李巖松、王川
項(xiàng)目介紹
量子通信和量子計(jì)算具有重要的戰(zhàn)略意義。該研究建立了國(guó)際上第一個(gè)量子直接安全通信模型，開(kāi)拓和促進(jìn)了量子通信新方向的發(fā)展。提出的構(gòu)造量子通信新方法被廣泛應(yīng)用。構(gòu)建了第一個(gè)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已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并成為實(shí)驗(yàn)研究的重要應(yīng)用目標(biāo)。改進(jìn)了著名的格羅夫（Grover）量子算法，建立了相位匹配理論，被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用，得到算法提出者格羅夫和量子計(jì)算創(chuàng)始人本尼沃夫（Benioff）等的肯定；實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了包括量子搜索算法在內(nèi)的一批重要量子算法。這些創(chuàng)造性研究成果被國(guó)際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)組所驗(yàn)證，得到了廣泛引用，產(chǎn)生了重要廣泛的國(guó)際影響。
圖為龍桂魯研究團(tuán)隊(duì)成員合影。物理系 供圖
在當(dāng)下熱播的諜戰(zhàn)劇中，情報(bào)收集者們通過(guò)收音機(jī)接收一段看似無(wú)序的數(shù)字，然后根據(jù)事先約定好的密碼書(shū)，將數(shù)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槲淖帧＿@樣的信息傳遞方式并非編劇們的藝術(shù)創(chuàng)作，而是那個(gè)時(shí)代真實(shí)而原始的密碼學(xué)。
“然而隨著科技的發(fā)展，量子領(lǐng)域最著名的兩大算法向信息安全提出了前所未有的挑戰(zhàn)，發(fā)展量子通信和量子計(jì)算機(jī)勢(shì)在必行。”物理系教授龍桂魯說(shuō)，“量子信息的意義不下于核武器。一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，有的國(guó)家擁有量子通信和量子計(jì)算技術(shù)，有的國(guó)家沒(méi)有，這就如同一個(gè)盲人與一個(gè)正常人打架，對(duì)方能把你看得清清楚楚，你卻看不到對(duì)手，十分危險(xiǎn)。”
龍桂魯研究團(tuán)隊(duì)日夜兼程，在量子信息領(lǐng)域展開(kāi)深入研究。
功夫不負(fù)苦心人，終于，他們建立了國(guó)際上第一個(gè)量子安全通信模型，開(kāi)拓了量子通信的一個(gè)新方向，構(gòu)造了改進(jìn)的量子搜索算法，建立了相位匹配，并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了量子算法。憑借“量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究”，龍桂魯團(tuán)隊(duì)獲得2013年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
挑戰(zhàn)前沿發(fā)展量子信息勢(shì)在必行
一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)密碼多由單向函數(shù)構(gòu)成，當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)上較為常用的RSA算法就采用了典型的因數(shù)分解式。計(jì)算兩個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積并不難，一般的計(jì)算器就能做到，不過(guò)要將乘積分解為兩個(gè)質(zhì)因數(shù)卻并非易事，這也是長(zhǎng)久以來(lái)RSA算法運(yùn)作的機(jī)制。
然而，在上世紀(jì)90年代中期，美國(guó)科學(xué)家皮特·休爾（PeterShor）提出了大因數(shù)分解的量子算法；差不多同時(shí)，物理學(xué)家格羅夫（Grover）提出了著名的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的 “量子搜索算法”（“Grover算法”），可以破譯DES密碼體系。量子領(lǐng)域最著名的兩大算法相繼提出，意味著以大數(shù)因式分解算法為依據(jù)的RSA公開(kāi)密鑰密碼體系將會(huì)在量子計(jì)算面前不堪一擊。量子計(jì)算和量子通信研究在國(guó)際上形成熱點(diǎn)，成為具有重要戰(zhàn)略意義的研究領(lǐng)域，發(fā)展量子信息勢(shì)在必行。
在這種背景下，1998年龍桂魯帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在科技部、教育部和國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目支持下，開(kāi)始進(jìn)行量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究。龍桂魯團(tuán)隊(duì)首先從量子搜索算法開(kāi)始切入研究，“當(dāng)時(shí)我們還不是特別肯定應(yīng)該先從哪入手，手頭有什么就干什么。記得當(dāng)時(shí)看到的第一篇文章就是關(guān)于Grover算法的，于是團(tuán)隊(duì)的科研道路就從這里開(kāi)始了。”正是在不經(jīng)意間，龍桂魯科研團(tuán)隊(duì)打開(kāi)了量子信息研究的大門(mén)。當(dāng)時(shí)的他們不會(huì)想到，這個(gè)并非刻意選擇的研究方向，竟然在日后產(chǎn)生了重大科研發(fā)現(xiàn)。
敢想敢做相位匹配和改進(jìn)量子搜索算法
Grover算法由兩個(gè)HW 變換和兩個(gè)相位取反組成，包括格羅夫等在內(nèi)的物理學(xué)家都認(rèn)為任意相角轉(zhuǎn)動(dòng)皆可構(gòu)造量子搜索算法。但因?yàn)樾瘦^低，在可以選擇時(shí)，大家就默認(rèn)使用180度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
“我們得感謝他的這個(gè)錯(cuò)誤的估計(jì)。”龍桂魯笑著說(shuō)，“因?yàn)樵谒髁诉@個(gè)預(yù)判之后，大家都沒(méi)有繼續(xù)深入做這方面的研究，于是我們就成為第一個(gè)往這方面做研究的科研團(tuán)隊(duì)。”
盡管龍桂魯把科研方向的選擇歸功于“運(yùn)氣”，但機(jī)會(huì)往往只留給有準(zhǔn)備的人，運(yùn)氣背后，是大量扎實(shí)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)求證。在二維轉(zhuǎn)動(dòng)中，龍桂魯團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，得出的數(shù)據(jù)無(wú)法轉(zhuǎn)換成表達(dá)式，于是他們利用計(jì)算機(jī)獲取了大量數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，以此驗(yàn)證是否任意相角轉(zhuǎn)動(dòng)都可構(gòu)成量子搜索算法。
但沒(méi)想到的是，他們得出的計(jì)算結(jié)果竟然與格羅夫推斷的估計(jì)相反，任意角度相位轉(zhuǎn)動(dòng)并不能進(jìn)行有效的搜索！為了求真證偽，龍桂魯團(tuán)隊(duì)特意給格羅夫發(fā)了一封郵件，并在信中闡述了團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。收到郵件后的格羅夫十分驚喜和贊嘆，因?yàn)樗谔岢龃隧?xiàng)推論后并沒(méi)有進(jìn)行驗(yàn)證。
根據(jù)此項(xiàng)研究結(jié)果，龍桂魯團(tuán)隊(duì)在 1999年發(fā)表了相關(guān)科研論文，他們指出，并非任意角度都能實(shí)現(xiàn)量子搜索，角度之間必須滿足一定的關(guān)系，這便是著名的“相位匹配”理論的由來(lái)。利用“相位匹配”，龍桂魯團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了改進(jìn)量子搜索算法，搜索成功率達(dá)到100%，改進(jìn)了“Grover量子算法”，而他們的研究工作也開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。
量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)始人之一本尼沃夫（Benioff）教授很快注意到了龍桂魯團(tuán)隊(duì)的工作，并在美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)量子計(jì)算大會(huì)報(bào)告中引用了他們的工作成果；國(guó)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(jì)算機(jī)國(guó)際大會(huì)報(bào)告中引用此項(xiàng)成果；而改進(jìn)后的算法更是被美國(guó)圣地亞哥加州大學(xué)在教學(xué)中使用；而在前幾年，經(jīng)由相位匹配條件改進(jìn)后的算法，已經(jīng)被荷蘭施普雷（Spreeuw）教授研究組使用光學(xué)方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2000年，龍桂魯團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上提出了第一個(gè)量子直接安全通信（QSDC）的物理模型———兩步量子通信方案，開(kāi)拓了量子直接安全通信這一新的量子通信研究方向。
2002年，隨著量子信息的研究方向開(kāi)始向高維和多方量子體系發(fā)展，龍桂魯團(tuán)隊(duì)又第一次在國(guó)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(fā)展了分布式量子通信。
機(jī)會(huì)一次次垂青龍桂魯科研團(tuán)隊(duì)，關(guān)鍵在于他們不迷信權(quán)威，不畏懼困難。試想，如果沒(méi)有一開(kāi)始對(duì)于 Grover算法的質(zhì)疑，沒(méi)有他們一次次的探索，沒(méi)有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，來(lái)自中國(guó)的量子通信和量子算法研究隊(duì)伍很難在剛起步時(shí)就登上如此廣闊的平臺(tái)。而這一切，都源于這支年輕隊(duì)伍的敢想敢做。
團(tuán)隊(duì)協(xié)作亦師亦友共同前進(jìn)
龍桂魯曾六次獲評(píng)清華大學(xué)“良師益友”稱號(hào)，他曾經(jīng)的學(xué)生、項(xiàng)目第二完成人、北京師范大學(xué)物理系教授鄧富國(guó)曾多次表達(dá)對(duì)龍桂魯?shù)木磁迮c感激：“記得2003年冬天的一個(gè)晚上，我發(fā)現(xiàn)可能可以用單光子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子直接通信后，立即興奮地給龍老師打電話，卻完全忽略他因感冒已經(jīng)休息。讓我驚訝的是，大約過(guò)了一刻鐘，龍老師居然披著大衣從家來(lái)到辦公室找我討論！我看了看表，已是深夜十一點(diǎn)多了。我內(nèi)心又感激又愧疚，也再一次感受到一名真正學(xué)者對(duì)學(xué)術(shù)的執(zhí)著追求。”
“獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)是大家的榮譽(yù)。”龍桂魯說(shuō)，“仝殿民是我的同學(xué)，鄧富國(guó)、李巖松、王川是我以前的博士生，他們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目付出了很多心血。我們還要感謝物理系原主任陳皓明教授和電機(jī)系盧強(qiáng)院士在專業(yè)上的引領(lǐng)，梁尤能、王大中、顧秉林、康克軍和薛其坤等歷任校領(lǐng)導(dǎo)在科研方面給予我們的支持，龔克、朱邦芬、李惕培、李家明、李衍達(dá)、周炳坤、李志堅(jiān)、張鈸、孫家廣和鄭厚植等多位教師和校友的大力幫助。”龍桂魯說(shuō)，龍桂魯強(qiáng)調(diào)，清華培養(yǎng)人才不但給“干糧”，而且給“獵槍”，不但教授知識(shí)，而且教授獲得知識(shí)的方法。一直以來(lái)，龍桂魯在培養(yǎng)學(xué)生的過(guò)程中，也是最為重視傳授給學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方法。
在這樣的團(tuán)隊(duì)中，有支持扶助的前輩，有積極上進(jìn)的后輩，團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都努力奮進(jìn)，攻克一個(gè)個(gè)科研難題，繼續(xù)為中國(guó)的通信安全事業(yè)努力著。
來(lái)源：新清華 2014-5-16
