龙桂鲁、高健存研究组量子安全直接通信取得进展

2019年2月26日

量子安全直接通信(quantum secure direct communication, QSDC)是量子通信的一个重要分支,由龙桂鲁教授2000年首次提出,可以在无密钥分发的条件下安全、可靠地传输信息。近日,清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京量子信息科学研究院龙桂鲁教授和高健存副教授,清华大学信息科学技术学院殷柳国教授、北京航天航空大学黄勤副教授组成的联合研究团队研制了量子安全直接通信原型机系统,该系统在1.5公里范围内实现了50 bps的安全、稳定数据传输。

通信安全在社会发展中起到了至关重要的作用,现代通信系统的安全性依赖于事先分配好的密钥以及基于数学计算复杂度的加密算法。随着超级计算机群的不断发展以及量子计算机的深入研究,传统的加密手段面临着巨大的挑战。量子通信利用量子力学基本原理,原则上可以做到抵御拥有任意物理资源窃听者的攻击。作为量子通信的一种重要形式,量子安全直接通信不需要事先分配密钥,阻断了窃听者直接攻击密文的可能性,具有重要的意义。

由于信道噪声以及高损耗,通信符号在传输过程中大量丢失。为了在保证通信安全的条件下从少量信号中提取信息,联合研究组密切合作,历时两年半,从基础理论到实验原型机,系统地对该问题进行了研究。研究团队利用Wyner搭线信道理论对系统的安全性进行了分析。联合研究组一方面通过精巧的系统设计降低噪声对信号的影响,另一方面开发基于低密度奇偶校验码(low-density parity-check codes, LDPC)与通用哈希函数族(universal hashing families ,UHF)的差错控制码。在码长较长的条件下,合法接收方可以完整接到信息而窃听者得到的信息量严格趋于零。该成果以“Implementation and security analysis of practical quantum secure direct communication”为题,2019年2月6日在线发表于《Light: Science & Applications》(https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3)。物理系博士戚若阳,电子系博士孙臻,信息学院博士后林再盛为论文共同第一作者。龙桂鲁教授,殷柳国教授为共同通讯作者。

文章发表后,美国物理学会网站phys.org以“Implementing a practical quantum secure direct communication system”做了长篇专题报道,随后十几家国外科技媒体做了转载报道。

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3

美国物理学会网站专题报道(feature)链接:https://phys.org/news/2019-02-quantum.html