2021年中国十大科技成果盘点

一、我国成功构建了世界首个天地一体化的量子通信网络 1 月,中国科学技术大学潘建伟团队与中科院上海技术物理研究所等单位合作,构建了世界上首个天地一体化量子通信网络.量子密钥分发主要有光纤和自由空间两种实现方式.科研人员在量子保密通信"京沪干线"与"墨子号"量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700 多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个卫星对地自由空间高速QKD 链路的广域量子通信网络,实现了星地一体的大范围、多用户量子密钥分发.     

基于EPR纠缠对的量子密钥分配安全性论证

基于量子物理原理的量子密码术已被证明是保密通信中密钥安全分配的有效手段。本文介绍了量子密码的基本原理以及实现量子加密的几种方案,并主要论证了在EPR纠缠对的密钥分配机制利用Bell不等式验证有无窃听者存在,还讨论了量子密码通信的历史发展和指出现存在的问题以及未来的发展前景。     

自由空间量子通信系统分析

自由空间量子通信系统容易受到各种自然条件的影响从而影响密钥生成率,而大气湍流随机性的特点是设计自由空间量子通信系统考虑的首要因素.根据大气传播理论,考虑湍流和衰减因素,建立了自由空间极化编码单光子源的传播模型,分析了大气湍流和量子密钥生成率间的关系;然后利用实际参数分析了不同湍流强度对量子密钥生成率的影响.分析结果表明...     

基于纠缠交换的第三方密钥分配

为了提高量子密钥分配协议的安全性,采用量子纠缠交换中一个有趣的规律,实现了基于纠缠交换的第三方密钥分配协议.在基于认证的基础上,能有效抵抗TC不诚实引起的安全问题,具有较高的传输效率.     

基于贝尔态的确定性量子密钥分配协议

提出了一种基于贝尔态的确定性量子密钥分配协议.它建立在纠缠量子系统的内部关联的基础上,双方通过共享纠缠量子系统和做单粒子量子测量建立起共享的密钥.与传统的只能生成随机字符串作为密钥的量子密钥分配协议不同,利用该协议,双方可以以任意指定的字符串作为共享的密钥.量子力学的定律保证了该协议的无条件安全性.除了单粒子量子测量之外,不需要做任何复杂的量子操作,因此它更容易实现,健壮性更好.     

世界首颗量子科学实验卫星成功发射

正8月16日,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。量子卫星于2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。其主要科学目标,一是进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子     

量子信息安全技术

自从BB84量子密钥分配协议提出以来,量子加密技术得到了迅速发展,以加密技术为基础的量子信息安全技术也得到了快速发展。为了更全面地、系统地了解量子信息安全技术当前的发展状况和以后发展的趋势,文中通过资料查新,以量子加密技术为基础,阐述了量子密钥分配协议及其实现、量子身份认证和量子数字签名、量子比特承诺等多种基于量子特性的信息安全技术的新发展和新动向。     

大数定理的测量设备无关量子密钥分配统计波动分析

测量设备无关量子密钥分配方案可以移除所有的探测器侧信道漏洞,结合诱骗态方案实现绝对安全的量子密钥分配。本文采用大数定理对有限密钥长度测量设备无关量子密钥分配方案中单光子计数率和误码率的统计波动进行分析,并对密钥长度为N=106~1012的单光子计数率和密钥生成率进行仿真。仿真结果表明:在光纤中传输时,随着密钥长度的减小,安全传输距离由无限密钥长度下的300km分别下降到260km(N=1010)和75km(N=106)。在N=1012时,安全传输距离达到295km,接近理论极限值。     

光子相位调制偏振编码/解码量子密钥分发系统

基于B92协议,提出相位调制实现偏振编码/解码的量子密钥分发实验系统方案。通过相位调制可以实现对光子偏振和相位的精确补偿,降低误码率。用算符来描述实验系统中的光学器件,态函数来描述光子的偏振态,算符对态函数的作用反映了光子偏振态的变化,便于理解光子偏振态的演化。这种编码的方案具有传输距离大和编码效率高的特点,而且经济、实用。     

2005年12月国内外科技要闻

11月29日《光学快报》报道,中国科技大学郭光灿院士领导的课题小组,在国际上首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题,经由实际通信光路实现了125km单向量子密钥分配。这是迄今为止国际上公开报道的最长距离的实用光纤量子密码系统。     

“墨子号”实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态

正量子科学实验卫星"墨子号"在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态,两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先     

量子密码安全性研究

本文介绍了量子密码协议安全性证明的三种模型,并据此针对光源、有源光学调制器件、无源光学调制器件和探测器的非理想特性,分别度量了实际量子密钥分配系统和理想量子密钥分配协议之间的差异,并针对各种实际器件的非理想性,分析了实际量子密钥分配系统安全性存在的问题以及可能存在的攻击方案.在综合介绍国内外量子密钥分配安全性相关工作进展的同时,着重对当前的主流设备无关及半设备无关量子密码方案进行了分析阐述.     

自由空间量子密钥分发中信号发生与处理方案

针对自由空间量子密钥分发系统中的随机信号发生及数据采集这一难题,提出了一种利用在LabVIEW环境下开发的虚拟仪器程序来控制数字I/O板卡的解决方案.发送端利用程序控制高速数字输入/输出板卡,产生随机信号用于实现光子路径的随机选择.接收端采用缓冲周期测量的计数方式,采用两个计数器记录两路随机信号的信息,通过程序来完成对计数器板卡的控制,将采集到的数据保存在两个本地文件中,以用于后续的数据处理分析.本方案具有易于开发和调试、维护方便、应用灵活、成本低等优点,已经成功用于基于B92协议的自由空间量子密钥分发系统中.     

媒体纵览

正世界首颗量子卫星"墨子号"成功发射2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"发射升空。此次发射任务的圆满成功,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。"墨子号"量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,其主要科学目标是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间     

读者来信摘登

●贵刊今年第1期推出的“2005年中国重大科学、技术与工程进展”,在第12页中有一项是“完成最远距离自由空间量子通讯实验”。这里的“最远距离”是不符合事实的。德、英科学家在2002年已完成23.4km的自由空间量子密钥分配,发表在英国Nature第419卷上。因为报导不准确误导了媒体,这项成果最后被评为重大科学进展。科学在于求真,希望给予纠正,否则会造成不良影响。——中国科学技术大学量子信息实验室郭光灿院士●贵刊开创的“学术不端行为举报信箱”,对整治学术不正之风与科学腐败现象具有特别重要的意义,也是国内首创。本人建议:(1)举报人…     

基于硅PN结发光的量子密钥分发发射单元器件

该文面向便携设备与主机间实现短距离量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)的应用场景,基于BB84协议提出一种小型化QKD发射单元器件。该器件采用硅PN结反向击穿作为光源发光机制,配合金属线栅偏振器实现4种不同线偏振态光子的发射。利用光阑和凸透镜实现发射光子的准直输出,并消除不同偏振光子在发射位置上的差别。数值计算结果表明:经过参数优化该器件可以实现大于20dB的偏振消光比,原始密钥生成率可以达到3kb/s。该器件结构高度可以控制在5mm之内,便于在便携设备中应用。     

传输距离对实际量子密钥分发系统的影响

基于BB84协议原理,搭建偏振编码的长距离点对点实际量子密钥分发实验系统.利用该实验平台完成了5,10,15km 3种不同传输距离的量子密钥分发实验,并对系统主要参数实时采集进行数据分析.实验结果表明:随着发送端与接收端量子光纤信道距离的增加,在统计时间内,系统分段成码率降低,信号态和诱骗态误码率上升,系统产生的密钥量降低.     

穿越云雾的空间量子密钥分配可行性分析

通过对空间量子密钥分配系统成钥率的分析和仿真计算,得出了穿越云雾的量子密钥分配的成钥率与云雾浓度的关系,论证了可以进行有效空间量子密钥分配的云雾浓度上限和对应的气象视距下限.     

基于纠缠交换的量子密钥分发

为了提高量子密钥分发的效率,提出了一种基于纠缠交换的密钥分配方案。该方案无需交换经典信息且不要进行任何酉操作,通信双方通过纠缠交换并利用贝尔测量即可生成密钥;除去少量用于检测量子信道安全的量子位,其余量子位都可以用来生成密钥,且每两对纠缠粒子就可以生成密钥的两个比特位。利用Stinespring Dilation定理证明了该方案的安全性并给出了效率分析。     

一种新的量子密钥分发、认证协议

为了提高量子密钥的分发效率,降低信道要求,并在密钥分发过程中实现身份认证,提出了一种新的量子密钥分发协议,在该协议中载波光子的发送与接收仅由一方完成.该协议只有一条量子信道,通过在量子信道的中段对光子进行偏振调制,可将欲传递的信息附加到光子上;同时,该协议通过通信双方的共享信息进行身份认证,避免了以往同类协议中不安全的经典信道.该协议属于偏振光类型的量子传输协议.当收发均由一方进行时,能有效地提高光子的利用效率,并增强安全性能.