時間：2022-05-02 13:58:40
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量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。
二、量子通信理論由來
“1935年5月的一天早晨，愛因斯坦像往常一樣準時來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮快兩年了，已經熟悉并開始喜歡這個恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發表在《物理評論》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰勝老對手玻爾了。與此同時，在大西洋彼岸的哥本哈根大學玻爾研究所，愛因斯坦的文章立刻引起了物理學家玻爾的關注和不安。這對他來說簡直是個晴天霹靂！玻爾立刻放下所有的工作，他說：‘我們必須睡在問題上。’愛因斯坦和玻爾是20世紀兩位最偉大的物理學家，他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻。然而，他們對于這個理論的含義卻一直爭論不休。這一爭論被稱為‘關于物理學靈魂的論戰’?！报D―引自郭光燦院士《愛因斯坦的幽靈：量子糾纏之謎》。
郭光燦院士書中所指的“物理學靈魂”的論戰，與“量子糾纏”現象有著莫大的關系。 在量子力學中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發生變化就能立即影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態，這就是量子糾纏。盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、駁倒愛因斯坦的實驗論據
對EPR實驗的驗證始于1960年，在1980年終于獲得有說服力的結果。這些是實驗大多都是以光子來做為自旋關聯。主要是利用院子的級聯輻射，選擇出光子動量為0的情形。1982年，法國物理學家艾倫•愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的沖擊。它證實了任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯系。
四、突破傳統的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案：將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處。在量子通信系統中，共享信息的兩個人必須共享幾乎一致的兩個成對產生并永遠纏結在一起的光子。一旦信息被帶到第一個光子上，它將會消失并重現在第二個光子上，以實現不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸的概念是以量子物理學為基礎的，它所使用的是具有波、粒兩重性但沒有電荷和質量的光子，而不是常規使用的電子。在量子通信中，報文是以不加外力傳輸方式傳輸的。不加外力傳輸方式就是使信息在一個地方消失，從而使其能在另一個地方出現的過程。它不需要通過空中、太空或線路傳輸。在這一過程中，發送者與接收者共享所需光子的數量，決于所發送報文的長度。在量子通信中，由于光子只能成對產生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一個發送者和一個接收者之間進行。如果接收者需要將報文傳送給其他人，則每次必須共享和使用纏結在一起的新的一對光子。因此，量子網絡必須一個鏈路一個鏈路地建立。
利用量子信息技術之一量子密碼術，可實其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態的完全復制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。在這個方案中，糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。
五、量子通信的發展狀況
量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。
為了讓量子通信從理論走到現實,從上世紀90年代開始,國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科技大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。
量子密鑰分發是最先有望實用化的量子信息技術，它可以帶來絕對安全的信息傳輸方式，因此，科學家們一直致力于全球化量子密鑰分發的研究。而要實現全球化量子密鑰分發網絡，人們需要突破距離的限制。目前，由于光纖損耗和探測器的不完美性等因素的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發的距離已基本到達極限，而由于地球曲率和遠距可視等條件的限制，地面間自由空間的量子密鑰分發也很難實現更遠的距離，因此，要實現更遠距離的甚至是全球任意兩點的量子密鑰分發，基于低軌道衛星的量子密鑰分發是最具潛力和可行性的方案。而要實現這個方案，則需要克服大氣層的傳輸損耗、量子信道效率、背景噪音等諸多問題。
為了克服星地量子密鑰分發的上述困難，中科院協同創新團隊在中國科大上海研究院、中科院上海技物所和光電技術研究所進行了多年的合作技術攻關，自主研制了高速誘騙態量子密鑰分發光源和輕便的收發整機，自主發展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關鍵技術。在此基礎上，協同創新團隊利用旋轉平臺來模擬低軌道衛星的角速度和角加速度；利用熱氣球來模擬隨機振動和衛星姿態；利用百公里地面自由空間信道來模擬星地之間高衰減鏈路信道，從而成功地驗證了星地之間安全量子信道的可行性。
據了解，該研究為我國通過發射量子科學實驗衛星，實現基于星地量子通信的全球化量子網絡和在大尺度量子理論基礎檢驗，以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論，奠定了必要的技術基礎。這是繼去年實驗實現拓撲量子糾錯和百公里自由空間量子態隱形傳輸與糾纏分發后，中科院量子科技先導專項取得的又一階段性重要突破，同時也是量子信息與量子科技前沿協同創新中心的最新重要成果。
中國科學家成功破譯H5N1分子機制
新華網消息，中國科學家在美國《科學》雜志網絡版上報告說，他們“破譯”了H5N1禽流感病毒感染人的分子機制，這一發現對防止禽流感病毒擴散具有重要意義。
此前科學家已經知道禽流感病毒可以感染人，并確認病毒表面一種名為血凝素（HA）蛋白的突變，讓禽流感病毒能夠通過空氣在雪貂之間傳播，但科學家一直不了解完成這一過程的分子機制。
中國科學院病原微生物與免疫學重點實驗室的研究人員借助蛋白質大分子晶體學研究方法，微觀研究了HA蛋白與相關受體的結構。他們發現，一旦HA蛋白發生某種結構變化，其受體結合特性就會從禽類變成人類。
中圖分類號:TP 183 文獻標志碼:A 文章編號:1672-8513(2011)05-0388-08
The Challenge of Quantum Computing to Information Security and Our Countermeasures
ZHANG Huanguo, GUAN Haiming, WANG Houzheng
（Key Lab of Aerospace Information Security and Trusted Computing of Ministry of Education, Computer School, Whan University, Wuhan 430072, China）
Abstract: What cryptosystem to use is a severe challenge that we face in the quantum computing era. It is the only correct choice to research and establish an independent resistant quantum computing cryptosystem. This paper introduces to the research and development of resistant quantum computing cryptography, especially the signature scheme based on HASH function，lattice-based public key cryptosystem，MQ public key cryptosystem and public key cryptosystem based on error correcting codes. Also the paper gives some suggestions for further research on the quantum information theory，the complexity theory of quantum computing，design and analysis of resistant quantum computing cryptosystems .
Key words: information security; cryptography; quantum computing; resistant quantum computing cryptography
1 量子信息時代
量子信息技術的研究對象是實現量子態的相干疊加并對其進行有效處理、傳輸和存儲，以創建新一代高性能的、安全的計算機和通信系統.量子通信和量子計算的理論基礎是量子物理學.量子信息科學技術是在20世紀末期發展起來的新學科，預計在21世紀將有大的發展［1］.
量子有許多經典物理所沒有的奇妙特性.量子的糾纏態就是其中突出的一個.原來存在相互作用、以后不再有相互作用的2個量子系統之間存在瞬時的超距量子關聯，這種狀態被稱為量子糾纏態［1］.
量子的另一個奇妙特性是量子通信具有保密特性.這是因為量子態具有測不準和不可克隆的屬性，根據這種屬性除了合法的收發信人之外的任何人竊取信息，都將破壞量子的狀態.這樣，竊取者不僅得不到信息，而且竊取行為還會被發現，從而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比較成熟的技術是，利用量子器件產生隨機數作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按傳統的“一次一密”方式加密.量子糾纏態的超距作用預示，如果能夠利用量子糾纏態進行通信，將獲得超距和超高速通信.
量子計算機是一種以量子物理實現信息處理的新型計算機.奇妙的是量子計算具有天然的并行性.n量子位的量子計算機的一個操作能夠處理2n個狀態，具有指數級的處理能力，所以可以用多項式時間解決一些指數復雜度的問題.這就使得一些原來在電子計算機上無法解決的困難問題，在量子計算機上卻是可以解決的.
2 量子計算機對現有密碼提出嚴重挑戰
針對密碼破譯的量子計算機算法主要有以下2種.
第1種量子破譯算法叫做Grover算法［3］.這是貝爾實驗室的Grover在1996年提出的一種通用的搜索破譯算法，其計算復雜度為O(N).對于密碼破譯來說，這一算法的作用相當于把密碼的密鑰長度減少到原來的一半.這已經對現有密碼構成很大的威脅，但是并未構成本質的威脅，因為只要把密鑰加長1倍就可以了.
第2種量子破譯算法叫做Shor算法［4］.這是貝爾實驗室的Shor在1997年提出的在量子計算機上求解離散對數和因子分解問題的多項式時間算法.利用這種算法能夠對目前廣泛使用的RSA、ECC公鑰密碼和DH密鑰協商體制進行有效攻擊.對于橢圓曲線離散對數問題，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子計算機上可以容易地求解k比特的橢圓曲線離散對數問題［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.對于整數的因子分解問題，Beauregard指出：在N量子位的量子計算機上可以容易地分解k比特的整數［5］，其中N≈2k.根據這種分析，利用1448qbit的計算機可以求解256位的橢圓曲線離散對數，因此也就可以破譯256位的橢圓曲線密碼，這可能威脅到我國第2代身份證的安全.利用2048qbit的計算機可以分解1024位的整數，因此也就可以破譯1024位的RSA密碼，這就可能威脅到我們電子商務的安全
Shor算法的攻擊能力還在進一步擴展，已從求廣義解離散傅里葉變換問題擴展到求解隱藏子群問題(HSP)，凡是能歸結為HSP的公鑰密碼將不再安全.所以，一旦量子計算機能夠走向實用，現在廣泛應用的許多公鑰密碼將不再安全，量子計算機對我們的密碼提出了嚴重的挑戰.
3 抗量子計算密碼的發展現狀
抗量子計算密碼（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3類：
第1類，量子密碼；第2類，DNA密碼；第3類是基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼.
量子保密的安全性建立在量子態的測不準與不可克隆屬性之上，而不是基于計算的［1,6］.類似地，DNA密碼的安全性建立在一些生物困難問題之上，也不是基于計算的［7-8］.因此，它們都是抗量子計算的.由于技術的復雜性，目前量子密碼和DNA密碼尚不成熟.
第3類抗量子計算密碼是基于量子計算機不擅長的數學問題構建的密碼.基于量子計算機不擅長計算的那些數學問題構建密碼，就可以抵御量子計算機的攻擊.本文主要討論這一類抗量子計算密碼［9］.
所有量子計算機不能攻破的密碼都是抗量子計算的密碼.國際上關于抗量子計算密碼的研究主要集中在以下4個方面.
3.1 基于HASH函數的數字簽名
1989年Merkle提出了認證樹簽名方案(MSS)［10］. Merkle 簽名樹方案的安全性僅僅依賴于Hash函數的安全性.目前量子計算機還沒有對一般Hash函數的有效攻擊方法, 因此Merkle簽名方案具有抗量子計算性質.與基于數學困難性問題的公鑰密碼相比,Merkle簽名方案不需要構造單向陷門函數,給定1個單向函數(通常采用Hash函數)便能造1個Merkle簽名方案.在密碼學上構造1個單向函數要比構造1個單向陷門函數要容易的多,因為設計單向函數不必考慮隱藏求逆的思路, 從而可以不受限制地運用置換、迭代、移位、反饋等簡單編碼技巧的巧妙組合,以簡單的計算機指令或廉價的邏輯電路達到高度復雜的數學效果.新的Hash標準SHA-3［11］的征集過程中,涌現出了許多新的安全的Hash函數,利用這些新的Hash算法可以構造出一批新的實用Merkle簽名算法.
Merkle 簽名樹方案的優點是簽名和驗證簽名效率較高，缺點是簽名和密鑰較長,簽名次數受限.在最初的Merkle簽名方案中, 簽名的次數與需要構造的二叉樹緊密相關.簽名的次數越多,所需要構造的二叉樹越大,同時消耗的時間和空間代價也就越大.因此該方案的簽名次數是受限制的.近年來,許多學者對此作了廣泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了簽名的次數, 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR樹算法［12,15］,只需要采用抗原像攻擊和抗第2原像攻擊的Hash函數,便能構造出安全的簽名方案.而在以往的Merkle簽名樹方案中,則要求Hash函數必須是抗強碰撞的.這是對原始Merkle簽名方案的有益改進.上述這些成果,在理論上已基本成熟,在技術上已基本滿足工程應用要求, 一些成果已經應用到了Microsoft Outlook 以及移動路由協議中［16］.
雖然基于Hash函數的數字簽名方案已經開始應用，但是還有許多問題需要深入研究.如增加簽名的次數、減小簽名和密鑰的尺寸、優化認證樹的遍歷方案以及如何實現加密和基于身份的認證等功能，均值得進一步研究.
3.2 基于糾錯碼的公鑰密碼
基于糾錯碼的公鑰密碼的基本思想是: 把糾錯的方法作為私鑰, 加密時對明文進行糾錯編碼，并主動加入一定數量的錯誤, 解密時運用私鑰糾正錯誤, 恢復出明文.
McEliece利用Goppa碼有快速譯碼算法的特點, 提出了第1個基于糾錯編碼的McEliece公鑰密碼體制［17］.該體制描述如下, 設G是二元Goppa碼［n;k;d］的生成矩陣,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分別為GF(2)k和GF(2)n.隨機選取有限域GF(2)上的k階可逆矩陣S和n階置換矩陣P,并設G′=SGP,則私鑰為,公鑰為G′.如果要加密一個明文m∈GF(2)k,則計算c=mG′+z,這里z∈GF(2)n是重量為t的隨機向量.要解密密文c, 首先計算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置換矩陣, 顯然z與zP-1的重量相等且為t,于是可利用Goppa的快速譯碼算法將cP-1譯碼成m′= mS,則相應明文m= m′S-1.
1978年Berlekamp等證明了一般線性碼的譯碼問題是NPC問題［18］，McEliece密碼的安全性就建立在這一基礎上.McEliece密碼已經經受了30多年來的廣泛密碼分析,被認為是目前安全性最高的公鑰密碼體制之一.雖然McEliece 公鑰密碼的安全性高且加解密運算比較快, 但該方案也有它的弱點, 一是它的公鑰尺寸太大，二是只能加密不能簽名.
1986年Niederreiter提出了另一個基于糾錯碼的公鑰密碼體制［19］. 與McEliece密碼不同的是它隱藏的是Goppa碼的校驗矩陣.該系統的私鑰包括二元Goppa碼［n;k;d］的校驗矩陣H以及GF(2)上的可逆矩陣M和置換矩陣P.公鑰為錯誤圖樣的重量t和矩陣H′=MHP.假如明文為重量為t 的n 維向量m, 則密文為c=mH′T .解密時,首先根據加密表達式可推導出z(MT )-1=mPTHT,然后通過Goppa碼的快速譯碼算法得到mPT,從而可求出明文m .1994年我國學者李元興、王新梅等［20］證明了Niederreiter密碼與McEliece密碼在安全性上是等價的.
McEliece密碼和Niederreiter密碼方案不能用于簽名的主要原由是,用Hash算法所提取的待簽消息摘要向量能正確解碼的概率極低.2001年Courtois等提出了基于糾錯碼的CFS簽名方案［21］.CFS 簽名方案能做到可證明安全, 短簽名性質是它的最大優點. 其缺點是密鑰量大、簽名效率低，影響了其實用性.
因此, 如何用糾錯碼構造一個既能加密又簽名的密碼, 是一個相當困難但卻非常有價值的開放課題.
3.3 基于格的公鑰密碼
近年來,基于格理論的公鑰密碼體制引起了國內外學者的廣泛關注.格上的一些難解問題已被證明是NP難的，如最短向量問題(SVP)、最近向量問題(CVP)等.基于格問題建立公鑰密碼方案具有如下優勢:①由于格上的一些困難性問題還未發現量子多項式破譯算法，因此我們認為基于格上困難問題的密碼具有抗量子計算的性質.②格上的運算大多為線性運算,較RSA等數論密碼實現效率高,特別適合智能卡等計算能力有限的設備.③根據計算復雜性理論,問題類的復雜性是指該問題類在最壞情況下的復雜度.為了確?；谠擃惱щy問題的密碼是安全的，我們希望該問題類的平均復雜性是困難的，而不僅僅在最壞情況下是困難的.Ajtai在文獻［22］中開創性地證明了:格中一些問題類的平均復雜度等于其最壞情況下的復雜度.Ajtai和Dwork利用這一結論設計了AD公鑰密碼方案［23］.這是公鑰密碼中第1個能被證明其任一隨機實例與最壞情況相當.盡管AD公鑰方案具有良好的安全性, 但它的密鑰量過大以及實現效率太低、而缺乏實用性.
1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公鑰密碼［24］. 這是目前基于格的公鑰密碼中最具影響的密碼方案.NTRU的安全性建立在在一個大維數的格中尋找最短向量的困難性之上.NTRU 密碼的優點是運算速度快，存儲空間小.然而, 基于NTRU的數字簽名方案卻并不成功.
2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS簽名體制［25］, 這個體制在簽名時泄露了私鑰信息,導致了一類統計攻擊,后來被證明是不安全的.2001年設計者改進了NSS 體制,提出了R-NSS 簽名體制［26］,不幸的是它的簽名仍然泄露部分私鑰信息.Gentry 和Szydlo 結合最大公因子方法和統計方法,對R-NSS 作了有效的攻擊.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign數字簽名體制［27］.NTRUSign 簽名算法較NSS與R-NSS兩個簽名方案做了很大的改進,在簽名過程中增加了對消息的擾動, 大大減少簽名中對私鑰信息的泄露, 但卻極大地降低了簽名的效率, 且密鑰生成過于復雜.但這些簽名方案都不是零知識的,也就是說,簽名值會泄露私鑰的部分相關信息.以NTRUSign 方案為例,其推薦參數為(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),設計值保守推薦該方案每個密鑰對最多只能簽署107 次,實際中一般認為最多可簽署230次.因此，如何避免這種信息泄露缺陷值得我們深入研究.2008 年我國學者胡予濮提出了一種新的NTRU 簽名方案［28］，其特點是無限制泄露的最終形式只是關于私鑰的一組復雜的非線性方程組，從而提高了安全性.總體上這些簽名方案出現的時間都還較短，還需要經歷一段時間的安全分析和完善.
由上可知，進一步研究格上的困難問題，基于格的困難問題設計構造既能安全加密又能安全簽名的密碼，都是值得研究的重要問題.
3.4 MQ公鑰密碼
MQ公鑰密碼體制, 即多變量二次多項式公鑰密碼體制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下簡稱為MQ密碼.它最早出現于上世紀80年代,由于早期的一些MQ密碼均被破譯,加之經典公鑰密碼如RSA算法的廣泛應用,使得MQ公鑰算法一度遭受冷落.但近10年來MQ密碼的研究重新受到重視,成為密碼學界的研究熱點之一.其主要有3個原因:一是量子計算對經典公鑰密碼的挑戰;二是MQ密碼孕育了代數攻擊的出現［29-31］,許多密碼(如AES)的安全性均可轉化為MQ問題,人們試圖借鑒MQ密碼的攻擊方法來分析這些密碼,反過來代數攻擊的興起又帶動了MQ密碼的蓬勃發展;三是MQ密碼的實現效率比經典公鑰密碼快得多.在目前已經構造出的MQ密碼中, 有一些非常適用于智能卡、RFID、移動電話、無線傳感器網絡等計算能力有限的設備, 這是RSA等經典公鑰密碼所不具備的優勢.
MQ密碼的安全性基于有限域上的多變量二次方程組的難解性.這是目前抗量子密碼學領域中論文數量最多、最活躍的研究分支.
設U、T 是GF(q)上可逆線性變換(也叫做仿射雙射變換),而F 是GF(q)上多元二次非線性可逆變換函數,稱為MQ密碼的中心映射.MQ密碼的公鑰P為T 、F 和U 的復合所構成的單向陷門函數,即P = T•F•U,而私鑰D 由U、T 及F 的逆映射組成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何構造具有良好密碼性質的非線性可逆變換F是MQ密碼設計的核心.根據中心映射的類型劃分,目前MQ密碼體制主要有:Matsumoto-Imai體制、隱藏域方程(HFE) 體制、油醋(OV)體制及三角形(STS)體制［32］.
1988年日本的Matsumoto和Imai運用"大域-小域"的原理設計出第1個MQ方案,即著名的MI算法［33］.該方案受到了日本政府的高度重視,被確定為日本密碼標準的候選方案.1995年Patarin利用線性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密碼是多變量公鑰密碼發展的一個里程碑,為該領域帶來了一種全新的設計思想,并且得到了廣泛地研究和推廣.改進MI算法最著名的是SFLASH簽名體制［35］,它在2003年被歐洲NESSIE 項目收錄,用于智能卡的簽名標準算法.該標準簽名算法在2007年美密會上被Dubois、Fouque、Shamir等徹底攻破［36］.2008年丁津泰等結合內部擾動和加模式方法給出了MI的改進方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、張煥國也給出了一種SFLASH的改進方案［39-40］，改進后的方案可以抵抗文獻［36］的攻擊.但這些改進方案的安全性還需進一步研究.
1996年Patarin針對MI算法的弱點提出了隱藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作為是對MI的實質性改進.2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE體制的Challenge-1［42］.HFE主要有2種改進算法.一是HFEv-體制,它是結合了醋變量方法和減方法改進而成,特殊參數化HFEv-體制的Quartz簽名算法［43］.二是IPHFE體制［44］,這是丁津泰等結合內部擾動方法對HFE的改進.這2種MQ密碼至今還未發現有效的攻擊方法.
油醋(OilVinegar)體制［45］是Patarin在1997年利用線性化方程的原理,構造的一種MQ公鑰密碼體制.簽名時只需隨機選擇一組醋變量代入油醋多項式,然后結合要簽名的文件,解一個關于油變量的線性方程組.油醋簽名體制主要分為3類:1997年Patarin提出的平衡油醋(OilVinegar)體制, 1999年歐密會上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)體制［46］以及丁津泰在ACNS2005會議上提出的彩虹(Rainbow)體制［47］.平衡的油醋體制中,油變量和醋變量的個數相等，但平衡的油醋體制并不安全.彩虹體制是一種多層的油醋體制,即每一層都是油醋多項式,而且該層的所有變量都是下一層的醋變量,它也是目前被認為是相對安全的MQ密碼之一.
三角形體制是現有MQ密碼中較為特殊的一類,它的簽名效率比MI和HFE還快,而且均是在較小的有限域上進行.1999年Moh基于Tame變換提出了TTM 密碼體制［48］,并在美國申請了專利.丁津泰等指出當時所有的TTM實例均滿足線性化方程.Moh等隨后又提出了一個新的TTM 實例,這個新的實例被我國學者胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破［49］.目前三角形體制的設計主要是圍繞鎖多項式的構造、結合其它增強多變量密碼安全性的方法如加減(plus-minus) 模式以及其它的代數結構如有理映射等.
我國學者也對MQ密碼做了大量研究，取得了一些有影響的研究成果.2007年管海明引入單向函數鏈對MQ密碼進行擴展,提出了有理分式公鑰密碼系統［50］.胡磊、聶旭云等利用高階線性化方程成功攻破了Moh提出的一個TTM新實例［51］.2010年本文作者王后珍、張煥國給出了一種SFLASH的改進方案［39-40］.2010年王后珍、張煥國基于擴展MQ，設計了一種Hash函數［52-53］，該Hash函數具有一些明顯的特點.同年，王后珍、張煥國借鑒有理分式密碼單向函數鏈的思想［52］，對MQ密碼進行了擴展，設計了一種新的抗量子計算擴展MQ密碼［54］.這些研究對于擴展MQ密碼結構，做了有益的探索.但是這些方案提出的時間較短，其安全性有待進一步分析.
根據上面的介紹,目前還沒有一種公認安全的MQ公鑰密碼體制.目前MQ公鑰密碼的主要缺點是:只能簽名,不能安全加密(加密時安全性降低)，公鑰大小較長，很難設計出既安全又高效的MQ公鑰密碼體制.
3.5 小結
無論是量子密碼、DNA密碼，還是基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼，都還存在許多不完善之處，都還需要深入研究.
量子保密通信比較成熟的是，利用量子器件產生隨機數作為密鑰，再利用量子通信分配密鑰，最后按“一次一密”方式加密.在這里，量子的作用主要是密鑰產生和密鑰分配，而加密還是采用的傳統密碼.因此，嚴格說這只能叫量子保密，尚不能叫量子密碼.另外，目前的量子數字簽名和認證方面還存在一些困難.
對于DNA密碼，目前雖然已經提出了DNA傳統密碼和DNA公鑰密碼的概念和方案，但是理論和技術都還不成熟［9-10］.
對于基于量子計算不擅長計算的那些數學問題所構建的密碼，現有的密碼方案也有許多不足.如，Merkle樹簽名可以簽名，不能加密；基于糾錯碼的密碼可以加密，簽名不理想；NTRU密碼可以加密，簽名不理想；MQ密碼可以簽名，加密不理想.這說明目前尚沒有形成的理想的密碼體制.而且這些密碼的安全性還缺少嚴格的理論分析.
總之，目前尚未形成理想的抗量子密碼.
4 我們的研究工作
我們的研究小組從2007年開始研究抗量子計算密碼.目前獲得了國家自然科學基金等項目的支持，并取得了以下2個階段性研究成果.
4.1 利用多變量問題，設計了一種新的Hash函數
Hash 函數在數字簽名、完整性校驗等信息安全技術中被廣泛應用.目前 Hash 函數的設計主要有3類方法:①直接構造法.它采用大量的邏輯運算來確保Hash函數的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函數均是采用這種方法設計的.②基于分組密碼的Hash 函數，其安全性依賴于分組密碼的安全性.③基于難解性問題的構造法.利用一些難解性問題諸如離散對數、因子分解等來構造Hash 函數.在合理的假設下，這種Hash函數是可證明安全的，但一般來講其效率較低.
我們基于多變量非線性多項式方程組的難解性問題，構造了一種新的Hash 函數［54-55］.它的安全性建立在多變量非線性多項式方程組的求解困難性之上.方程組的次數越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取決多變量方程組的稀疏程度，方程組越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我們可以權衡安全性和效率來控制多變量多項式方程組的次數和稠密度，以構造出滿足用戶需求的多變量Hash 函數.
4.2 對MQ密碼進行了擴展，把Hash認證技術引入MQ密碼，得到一種新的擴展MQ密碼
擴展MQ密碼的基本思想是對傳統MQ密碼的算法空間進行拓展. 如圖1所示, 我們通過秘密變換L將傳統MQ密碼的公鑰映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隱藏到更大算法空間中得到新的公鑰映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的輸入輸出空間是不對稱的, 原像空間大于像空間(δ＞|μ|), 即具有壓縮性, 但卻并未改變映射G的可逆性質. 同時, 算法空間的拓展破壞了傳統MQ密碼的一些特殊代數結構性質, 從攻擊者的角度, 由于無法從G′中成功分解出原公鑰映射G, 因此必須在拓展空間中求解更大規模的非線性方程組G′, 另外, 新方案中引入Hash認證技術, 攻擊者偽造簽名時, 偽造的簽名不僅要滿足公鑰方程G′、 還要通過Hash函數認證, 雙重安全性保護極大地提升了傳統MQ公鑰密碼系統的安全性. 底層MQ體制及Hash函數可靈活選取, 由此可構造出一類新的抗量子計算公鑰密碼體制.這種擴展MQ密碼的特點是，既可安全簽名，又可安全加密［56］.
我們提出的基于多變量問題的Hash函數和擴展MQ密碼，具有自己的優點，也有自己的缺點.其安全性還需要經過廣泛的分析與實踐檢驗才能被實際證明.
5 今后的研究工作
5.1 量子信息論
量子信息建立在量子的物理屬性之上，由于量子的物理屬性較之電子的物理屬性有許多特殊的性質，據此我們估計量子的信息特征也會有一些特殊的性質.這些特殊性質將會使量子信息論對經典信息論有一些新的擴展.但是，具體有哪些擴展，以及這些新擴展的理論體系和應用價值體現在哪里？我們尚不清楚.這是值得我們研究的重要問題.
5.2 量子計算理論
這里主要討論量子可計算性理論和量子計算復雜性理論.
可計算性理論是研究計算的一般性質的數學理論.它通過建立計算的數學模型，精確區分哪些是可計算的，哪些是不可計算的.如果我們研究清楚量子可計算性理論，將有可能構造出量子計算環境下的絕對安全密碼.但是我們目前對量子可計算性理論尚不清楚，迫切需要開展研究.
計算復雜性理論使用數學方法對計算中所需的各種資源的耗費作定量的分析，并研究各類問題之間在計算復雜程度上的相互關系和基本性質.它是密碼學的理論基礎之一，公鑰密碼的安全性建立在計算復雜性理論之上.因此，抗量子計算密碼應當建立在量子計算復雜性理論之上.為此，應當研究以下問題.
1） 量子計算的問題求解方法和特點.量子計算復雜性建立在量子圖靈機模型之上，問題的計算是并行的.但是目前我們對量子圖靈機的計算特點及其問題求解方法還不十分清楚，因此必須首先研究量子計算問題求解的方法和特點.
2） 量子計算復雜性與傳統計算復雜性之間的關系.與電子計算機環境的P問題、NP問題相對應, 我們記量子計算環境的可解問題為QP問題, 難解問題為QNP問題.目前人們對量子計算復雜性與傳統計算復雜性的關系還不夠清楚，還有許多問題需要研究.如NP與QNP之間的關系是怎樣的？ NPC與QP的關系是怎樣的？NPC與QNP的關系是怎樣的？能否定義QNPC問題？這些問題關系到我們應基于哪些問題構造密碼以及所構造的密碼是否具有抗量子計算攻擊的能力.
3） 典型難計算問題的量子計算復雜度分析.我們需要研究傳統計算環境下的一些NP難問題和NPC問題，是屬于QP還是屬于QNP問題？
5.3 量子計算環境下的密碼安全性理論
在分析一個密碼的安全性時，應首先分析它在電子計算環境下的安全性，如果它是安全的，再進一步分析它在量子計算環境下的安全性.如果它在電子計算環境下是不安全的，則可肯定它在量子計算環境下是不安全的.
1） 現有量子計算攻擊算法的攻擊能力分析.我們現在需要研究的是Shor算法除了攻擊廣義離散傅里葉變換以及HSP問題外，還能攻擊哪些其它問題？如果能攻擊，攻擊復雜度是多大？
2) 尋找新的量子計算攻擊算法.因為密碼的安全性依賴于新攻擊算法的發現.為了確保我們所構造的密碼在相對長時間內是安全的，必須尋找新的量子計算攻擊算法.
3) 密碼在量子計算環境下的安全性分析.目前普遍認為, 基于格問題、MQ問題、糾錯碼的譯碼問題設計的公鑰密碼是抗量子計算的.但是，這種認識尚未經過量子計算復雜性理論的嚴格的論證.這些密碼所依賴的困難問題是否真正屬于QNP問題？這些密碼在量子計算環境下的實際安全性如何？只有經過了嚴格的安全性分析，我們才能相信這些密碼.
5.4 抗量子計算密碼的構造理論與關鍵技術
通過量子計算復雜性理論和密碼在量子計算環境下的安全性分析的研究，為設計抗量子計算密碼奠定了理論基礎，并得到了一些可構造抗量子計算的實際困難問題.但要實際設計出安全的密碼，還要研究抗量子計算密碼的構造理論與關鍵技術.
1) 量子計算環境下的單向陷門設計理論與方法.理論上，公鑰密碼的理論模型是單向陷門函數.要構造一個抗量子計算公鑰密碼首先就要設計一個量子計算環境下的單向陷門函數.單向陷門函數的概念是簡單的，但是單向陷門函數的設計是困難的.在傳統計算復雜性下單向陷門函數的設計已經十分困難，我們估計在量子計算復雜性下單向陷門函數的設計將更加困難.
2） 抗量子計算密碼的算法設計與實現技術.有了單向陷門函數，還要進一步設計出密碼算法.有了密碼算法，還要有高效的實現技術.這些都是十分重要的問題.都需要認真研究才能做好.
6 結語
量子計算時代我們使用什么密碼，是擺在我們面前的重大戰略問題.研究并建立我國獨立自主的抗量子計算密碼是我們的唯一正確的選擇.本文主要討論了基于量子計算機不擅長計算的數學問題所構建的一類抗量子計算的密碼，介紹了其發展現狀，并給出了進一步研究的建議.
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2.考慮電力通信網可靠性的業務路由優化分配方法
3.廣域后備保護通信模式及其性能評估
4.衛星通信的近期發展與前景展望
5.空間激光通信研究現狀及發展趨勢
6.現代化礦井通信技術與系統
7.高速鐵路移動通信系統關鍵技術的演進與發展
8.智能變電站通信網絡狀態監測信息模型及配置描述
9.信息與通信地理學的學科性質、發展歷程與研究主題
10.構建新一代智能配用電通信網建議
11.基于EPOCHS平臺的智能配電網通信系統仿真
12.電力通信網脆弱性分析
13.通信電臺電磁輻射效應機理
14.4G通信技術綜述
15.電力和信息通信系統混合仿真方法綜述
16.面向智能電網的配用電通信網絡研究
17.基于SDH光網絡的分層區域式保護通信系統的可靠性研究
18.調度與變電站一體化系統鏈路狀態監測與TCP通信方案
19.煤礦事故特點與煤礦通信、人員定位及監視新技術
20.Tor匿名通信流量在線識別方法
21.煤礦安全生產監控與通信技術
22.配電通信網業務斷面流量分析方法
23.光纖通信概述
24.電力通信及其在智能電網中的應用
25.WAMS通信業務的系統有效性建模與仿真
26.基于API的Win32串口通信編程技術
27.第五代移動通信網絡體系架構及其關鍵技術
28.量子通信現狀與展望
29.配電網EPON通信接入與分區自治
30.基于業務的電力通信網風險評價方法
31.移動通信技術擴散的實證研究:基于中國1990-2012年的統計數據
32.基于IPv6的電力線載波通信分片獨立的重傳機制
33.空間激光通信捕獲、對準、跟蹤系統動態演示實驗
34.基于時頻峰值濾波的電力線通信噪聲消除方法
35.通信網絡能耗分析與節能技術應用
36.“日盲”紫外光通信網絡中節點覆蓋范圍研究
37.基于壓縮感知的脈沖同步的混沌保密通信系統
38.淺談4G移動通信系統的關鍵技術與發展
39.量子安全直接通信
40.一種繼電保護故障信息系統在線通信報文分析工程方案
41.光纖通信的發展趨勢及應用
42.智能配電網通信組網技術研究及應用
43.基于空間激光通信組網四反射鏡動態對準研究
44.運用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學
45.淺談超寬帶無線通信技術的發展
46.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術
47.SM2加密體系在智能變電站站內通信中的應用
48.現代信息安全與混沌保密通信應用研究的進展
49.中美4G移動通信技術專利信息比較研究
50.衛星激光通信現狀與發展趨勢
51.VC中應用MSComm控件實現串口通信
52.青?！鞑亟恢绷髀摼W工程輸電線路在線監測通信網絡設計與應用
53.移動通信網絡中的協作通信
54.空間激光通信組網光學原理研究
55.計算機技術在通信中的應用研究
56.面向5G無線通信系統的關鍵技術綜述
57.基于C8051F020單片機的RS485串行通信設計
58.智能變電站過程層網絡報文特性分析與通信配置研究
59.基于業務風險均衡度的電力通信網可靠性評估算法
60.基于4G通信技術的無線網絡安全通信分析
61.無線激光通信系統弱光干擾技術
62.基于SJA1000的CAN總線通信系統的設計
63.10kV電力線載波通信自動組網算法
64.數控系統現場總線可靠通信機制的研究
65.基于WiFi的煤礦井下應急救援無線通信系統的研究
66.機載激光通信系統發展現狀與趨勢
67.軟件定義的能源互聯網信息通信技術研究
68.一點對多點同時空間激光通信光學跟瞄技術研究
69.開放式自動需求響應通信規范的發展和應用綜述
70.兆瓦(MW)級海島微電網通信網絡架構研究及工程應用
71.帶通信約束的多無人機協同搜索中的目標分配
72.基于信道認知在線可定義的電力線載波通信方法
73.一種基于混沌系統部分序列參數辨識的混沌保密通信方法
74.智能配電網無線傳感器網絡數據通信的QoS-MAC層模型
75.無線紫外光散射通信中多信道接入技術研究
76.水下無線通信技術發展研究
77.深空、自由空間、非可視散射和水下激光光子通信
78.基于光電反饋延遲的多點耦合混沌同步和通信
79.面向異步通信機制的無線傳感器網絡及其MAC協議研究
80.不可靠通信環境下無線傳感器網絡最小能耗廣播算法
81.中間環節市場結構與價值鏈治理者的決定——以2G和3G時代中國移動通信產業為例
82.基于IEEE802.11p高速車路通信環境研究
83.太赫茲通信技術的研究與展望
84.一種分布式電源并網監控通信適應性評價方法
85.不同耦合方式和耦合強度對電力-通信耦合網絡的影響
86.太赫茲通信技術研究進展
87.低壓電力線通信網絡特性模型與組網算法
88.基于LabVIEW的監控界面設計與單片機的串行通信
89.聯盟網絡的小世界性對企業創新影響的實證研究——基于中國通信設備產業的分析
90.基于共享內存的Xen虛擬機間通信的研究
91.考慮通信系統影響的電力系統綜合脆弱性評估
92.貓眼逆向調制自由空間激光通信技術的研究進展
93.擴頻通信技術淺談
94.基于信息熵的電力通信網脆弱性評價方法
95.安全高效礦井通信系統技術要求
96.無線紫外光非直視通信信道容量估算與分析
97.基于高能效無線接入網的綠色無線通信關鍵技術研究
2016年1月8日，潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽教授、陳增兵教授組成的5人團隊獲得了2015年度國家自然科學一等獎，并在人民大會堂接受頒獎。5位老師均來自中國科學技術大學，他們是該獎項歷史上最年輕的獲獎團隊，其中潘建偉、彭承志、陳增兵3位老師為70后，而陳宇翱和陸朝陽兩位老師為80后。
國家自然科學一等獎是中國自然科學領域的最高獎項，很多耳熟能詳的老一輩科學家都名列其中。但是因2014年獲獎的“透明計算”存在較大爭議，2015年急需一個眾望所歸的團隊來重新樹立該獎項的聲譽。恰好2015年初潘院士團隊作為最大熱門參加了該獎項的評選，并最終毫無懸念地獲獎。
這次潘建偉院士團隊獲獎的項目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學”?！岸喙庾蛹m纏”顧名思義就是讓多個光子產生糾纏，這是利用光子做量子比特傳送和量子計算的必要前提;而“干涉”就是實驗上實現多光子糾纏的手段。潘建偉院士團隊在量子通信和量子計算等多個方向上都取得了世界領先的科研成果，“多光子糾纏和干涉度量學”就作為其核心研究內容之一，貫穿始終。
潘建偉院士的團隊是世界上量子信息研究的領軍者之一，在量子通信領域更是世界最強。與以往的歷屆國家自然科學一等獎相比，潘建偉團隊在頂級論文數量和國際影響力上都更為出類拔萃。截止到2015年，該團隊成果3次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”，2次入選英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”。2015年年末更是被物理世界網站（Physics world）評選為“2015年世界物理學十大進展”第一名，這在中國物理學界史無前例。
量子糾纏
介紹“多光子糾纏和干涉度量學”，首先需要介紹一下什么是量子糾纏。量子力學中最神秘的就是疊加態，而量子糾纏就是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態，同時另一個粒子B也可以處于疊加態，當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，即糾纏態：無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態時，B粒子一定處于1態;反之，當A粒子處于1態時，B粒子一定處于0態。
隨著量子信息學的誕生，量子糾纏已經不僅僅是一個基礎研究，它已經成為量子信息科技的核心：例如，利用量子糾纏可以完成量子通信中的量子隱形傳態，可以完成一次性操作多個量子比特的量子計算。讓更多的粒子糾纏起來是量子信息科技不斷追尋的目標。
多光子糾纏和干涉度量學
“多光子糾纏和干涉度量學”就是通過干涉度量的方法實現多光子的量子糾纏。如果這種把雙光子干涉產生糾纏的方法層層累加，擴展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求，糾纏的光子數自然是越多越好。但是隨著產生糾纏的光子數越多，干涉和測量的系統也就越復雜，實驗難度也就越大。
潘建偉團隊從2004年開始，通過在國際上原創的多光子干涉和測量技術，一直保持著糾纏光子數的世界紀錄。2004年在世界上第一個實現了5光子糾纏，2007年在世界上第一個實現了6光子糾纏，2012年在世界上第一個實現了8光子糾纏，并且保持該紀錄至今。
每增加一個糾纏光子，光學干涉系統就要復雜一倍，糾纏產生的難度會隨著光子數呈指數上升。這個8光子糾纏光路就像“潘神的迷宮”一樣復雜，精巧，困難重重，但又引人入勝。
量子計算的應用
1. 量子疊加態的計算魅力。在經典物理學中，物質在確定的時刻僅有確定的一個狀態。量子力學則不同，物質會同時處于不同的量子態上。因為處于疊加態，這就意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數（從0到1023被同時處理一遍）。以此類推，量子計算的速度與量子比特數是2的指數增長關系。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理264=18446744073709551616個數。如果單次運算速度達到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個64位量子計算機的數據處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計算機（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。
量子力學疊加態賦予了量子計算機真正意義上的“并行計算”，而不像經典計算機一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數據處理技術需求強烈的今天，量子計算機越來越獲得互聯網巨頭們的重視。
2. 肖爾算法――RSA加密技術的終結者。1985年，牛津大學的物理學家戴維?德意志提出了量子圖靈機模型的概念。隨后貝爾實驗室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計算的第一個解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。
我們今天在互聯網上輸入的各種密碼，都會用到RSA算法加密。這種技術用一個很大的數的兩個質數因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個數很大，用目前經典計算機的速度算出它的質數因子幾乎是不可能的任務。但利用量子計算的并行性，肖爾算法可以在很短的時間內通過遍歷算法來獲得質數因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術不堪一擊。
量子計算機會終結任何依靠計算復雜度的加密技術，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護。量子計算的孿生兄弟――量子通信，會從根本上解決信息傳輸的安全隱患。
3. 格羅弗算法――未來的搜索引擎。肖爾算法提出一年后的1996年，同在貝爾實驗室的洛夫?格羅弗提出了格羅弗算法，即通過量子計算的并行能力，同時給整個數據庫做變換，用最快的步驟顯示出需要的數據。
量子計算的格羅弗搜索算法遠遠超出了經典計算機的數據搜索速度，這也是互聯網巨頭們對量子計算最大的關注點之一。量子信息時代的搜索引擎將植根于格羅弗算法，讓我們更快捷地獲取信息。
1納米導線激光器
2001年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員在只及人的頭發絲千分之一的納米光導線上制造出世界最小的激光器-納米激光器。這種激光器不僅能發射紫外激光，經過調整后還能發射從藍色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標準技術，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是"培養"納米導線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長度為10000nm的純氧化鋅導線。然后，當研究人員在溫室下用另一種激光將納米導線中的純氧化鋅晶體激活時，純氧化鋅晶體會發射波長只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學物質，提高計算機磁盤和光子計算機的信息存儲量。
2紫外納米激光器
繼微型激光器、微碟激光器、微環激光器、量子雪崩激光器問世后，美國加利福尼亞伯克利大學的化學家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵下能發射線寬小于0.3nm、波長為385nm的激光，被認為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術制造的首批實際器件之一。在開發的初始階段，研究人員就預言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優于GaN藍光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應用領域。為了生長這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長的氣相輸運法合成。首先，在藍寶石襯底上涂敷一層1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運到襯底上，在2min~10min的生長過程內生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發現，ZnO納米線形成天然的激光腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95％）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線的受激發射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對樣品進行光泵浦。在發射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當激射超過ZnO納米線的閾值（約為40kW／cm）時，發射光譜中會出現最高點，這些最高點的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發射頂點的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發射強度的迅速提高使研究人員得出結論：受激發射的確發生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長納米激光器可應用在光計算、信息存儲和納米分析儀等領域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蝕刻在半導體片上的線路寬度將達到100nm以下，在電路中移動的將只有少數幾個電子，一個電子的增加和減少都會給電路的運行造成很大影響。為了解決這一問題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學中，把能夠對電子的運動產生約束并使其量子化的勢場稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導體激光器的有源層中形成量子能級，使能級之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器和量子點激光器。
3.1量子線激光器
近日，科學家研制出功率比傳統激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創造速度更快的計算機和通信設備邁進了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網及其他采用光纖網絡的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實驗室及德國德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學家們共同研制的。這些較高功率的激光器會減少對昂貴的中繼器的要求，因為這些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個，再次產生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時強度會減弱（中繼器）。
3.2量子點激光器
由直徑小于20nm的一堆物質構成或者相當于60個硅原子排成一串的長度的量子點，可以控制非常小的電子群的運動而不與量子效應沖突?？茖W家們希望用量子點代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會使電子變得難以控制，并且陷入量子效應的困境。但是，通過改變材料使量子點能夠更牢地約束電子，日本電子技術實驗室的松本和斯坦福大學的詹姆斯和哈里斯等少數幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決，開關速度不高，偶然的電能容易使單個電子脫離預定的路線。因此，大多數科學家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計算機設計量子裝置。
4微腔激光器
微腔激光器是當代半導體研究領域的熱點之一，它采用了現代超精細加工技術和超薄材料加工技術，具有高集成度、低噪聲的特點，其功耗低的特點尤為顯著，100萬個激光器同時工作，功耗只有5W。該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實驗室開發成功。其內部為采用先進的蝕刻工藝蝕刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個微小的底座支撐。由于半導體和空氣的折射率相差很大，微碟內產生的光在此結構內發射，直到所產生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時只需大約100μA的電流。
長春光學精密機械學院高功率半導體激光國家重點實驗室和中國科學院北京半導體研究所從經典量子電動力學理論出發研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應離子刻蝕和選擇化學腐蝕等微細加工技術制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運InGaAs／InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯和光信息處理等方面有著很好的應用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0007-02
Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.
Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference
衛星導航定位技術以天基人造衛星為基本平臺，能夠為全球海、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時連續不間斷的高精度三維位置、速度和時間信息。目前技術成熟的衛星導航定位系統，包括美國的全球定位系統（Global Position System，GPS），歐洲導航定位衛星系統，我國的北斗導航系統，廣泛應用于交通導航、衛星授時應用、應急指揮、民用水情測報服務等，發揮了非常重要的作用。
雖然GPS在導航定位領域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個方面的問題。
（1）定位精度仍然不夠高，系統體制仍存在著物理極限。因為GPS定位的原理是通過重復地向空間發射電磁波信號，檢測電磁波到達待測點的時間延遲來實現的，這種以經典物理學為基礎的方法受到所能實現的可利用功率及帶寬的限制，其測量精度很難獲得進一步的提高。此外，電磁波信號受到電離層和對流層的干擾，特別在城市、山區等復雜自然環境下，由于高層建筑、樹木等對信號的影響，會導致信號的非直線傳播，從而使得不同環境下的導航效果具有比較大的差異。
（2）保密性較差，美國斯坦福大學設立有一個專業實驗室，主要截獲并分析全球所有的衛星信號，華裔學者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細地闡述了衛星信號的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機碼，但至少是可以部分破譯的。
（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統相比，GPS信號強度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導航系統存在穩定性漏洞。
由于存在著這些缺陷，美國投入巨資完善并發展GPS系統?；诹孔蛹夹g的量子定位系統（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強的導航定位技術，就是其發展重點之一。量子定位的概念最先是由美國麻省理工學院研究人員于2001年提出，其與傳統定位系統的本質區別在于所采用信號的不同。傳統定位如GPS系統采用的是基于重復發送電磁波脈沖測量信號達到時間，通過計算得到距離信息，而量子定位系統采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態，量子定位系統就能夠超越經典測量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測不準原理所限定的物理極限。
1 量子定位技術的關鍵技術
1.1 量子定位系統的原理
量子定位技術利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統GPS的微波信號來實現精確定位。區別于微波信號的長波長波束覆蓋寬，激光的波長很短指向性很高，衛星與用戶間的傳統同步方法不再適用。因此量子定位系統的定位不應是取代現有GPS，而是與GPS相結合，實現安全高精度的定位目的。通過對量子定位技術原理的研究與優選，提出具有實用性的量子定位系統體系架構以及面向用戶的應用模式，才能將量子定位系統推廣應用。
量子定位系統由量子糾纏態光源、HOM干涉測量部分以及系統控制部分組成，其基本原理與關鍵特性如下。
（1）高性能量子糾纏態光源。在光與非線性晶體相互作用的過程中，能夠產生一種非線性光學效應，這種效應一對低頻率光子具有很強的量子糾纏、關聯和非定域特性，可實現時間和空間上的高精度測量。作為光源，光子糾纏態的糾纏純度、退相干時間對系統性能將產生巨大的影響。
（2）高穩定HOM干涉測量與處理。在量子力學的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區分的雙光子整體態。當兩個光子在時域上同時到達分束片上時，雙光子態不可區分，此時干涉出現，兩個探測器的計數出現強的反關聯。反之，當我們改變一條鏈路中的延時，致使復合計數出現強的反關聯時，即可知道此時兩個光子在時域上不可區分。這正是利用HOM干涉實現量子定位系統的基本原理。
（3）高精度ATP與時間同步技術：在單組基線的系統中，需通過改變可控反射模塊來實現基線與待測點r0之間建立穩定的光鏈路。二者的精確指向將影響到最終定位的精度，因此對反射模塊的反射角度需要進行反饋控制。在利用參考光實現對于待測點ATP（獲取、跟蹤、瞄準）之后，定位過程將通過精密調整延時并觀測探測器的復合計數來實現。
1.2 量子定位系統與量子保密通信的結合技術
原理上，量子定位系統與量子保密通信都是基于量子糾纏態的分發與后處理。因此，在同一套系統中實現兩種功能具有可行性。研究在量子定位過程中引入量子保密通信的技術，實現對交互信息的保密處理，提高量子定位系統的安全性。兩者相結合，能夠充分發揮量子定位系統技術優勢的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來量子定位系統的一個應用方向。
1.3 大氣、重力場環境的干擾校正技術
與GPS類似，為了實現寬覆蓋、全天候工作，星載平臺將是未來量子定位系統走向實用化的最佳平臺。對于LEO低軌衛星等自由空間傳輸的星地鏈路而言，大氣的損耗、湍流、散射，重力場對于授時的影響都是系統中必須考慮的因素，必須通過對環境的建模與仿真，分析對信息傳輸鏈路的影響，以實現量子定位系統的校正。
2 量子定位技術的發展前景
量子定位技術作為一種不同于傳統GPS的新型精確定位技術，是量子光學和通信導航技術相融合的典范。這項技術的深入研究，能為下一代高精度導航系統提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個方面。
（1）量子定位系統技術理論和工程實現將促進電子信息系統進入量子時代。
隨著信息化社會的發展，未來將逐步進入量子的時代。在量子領域的實用化進程中，高性能、大規模的量子設備（如星地量子保密通信、量子計算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術逐步實用化提供了良好的基礎。
（2）量子定位系統與量子密碼技術的結合是未來實用化的最佳途徑。
“量子世界為何是不確定的、概率性的？量子糾纏態中，為何呈現出幽靈般的超距作用？”接受記者采訪時，郭光燦鋪陳出一連串盤旋在他頭腦中揮之不去的玄奧問題。
盡管量子理論已有百年歷史，但對于這些問題的回答，國際科學界至今仍無定論。
作為中國量子科技的先行者，郭光燦為國內量子光學、量子密碼、量子通信和量子計算等眾多研究領域貢獻了“第一推動力”。
這些研究方向如今已成熱門，而他本人則將視野再次轉向少人問津的“冷門”，開始思考量子物理的基本問題，嘗試探尋量子世界的本質。
“這些是我個人的研究興趣所在，而年輕學者很難去進行此類研究，我這個年齡的人正合適?！惫鉅N說，沒有了發表學術論文等各種成果考評的現實壓力，他才可以更加自由地思考深層次的物理基礎問題。
而對于他所熟悉的量子信息等“老本行”，郭光燦則希望讓課題組的年輕學術帶頭人“大展拳腳”，給他們充分的成長空間。
事實上，正是量子信息研究不斷取得新的技術突破和發展，為郭光燦的深入思考提供了“靈感之源”。
“技術發展后，我們有能力做一些新的實驗，其中有些實驗現象跟之前的理論可能會有沖突，這該如何解釋？”郭光燦所要做的，就是為此類問題尋找答案。他預計，在量子力學誕生兩百年之時，量子世界的本質才有可能會被揭開。
“但很有可能找不到答案，研究工作沒有新的理論結果?！痹诼L的求真之路上，郭光燦期待一點一滴的積累。
年過七旬，身體條件已經不允許郭光燦像年輕時一樣，每天加班加點工作到深夜。然而，從他參加工作起就養成節假日鉆進實驗室、辦公室的老習慣，至今都沒有改變。
“我幾乎沒有休假，哪怕是春節，過完節后的第二天就會去辦公室?！惫鉅N說這是自己的性格使然，不喜歡出去玩，干脆就安排工作。
早八點出門，晚六點回家，郭光燦將工作生活安排得非常有規律。盡管如此，他每年仍有一半時間都在出差，參加學術會議、評審會議、科普報告等各種活動。
出差旅行途中，郭光燦總喜歡戴上耳機，聆聽存放在手機或MP3中的音樂，有流行歌曲，也有古典音樂，以此舒解旅途勞頓。
“我不會唱歌，但我喜歡不同旋律給人心靈帶來的激蕩?！惫鉅N笑聲爽朗，說自己甚至成了各類音樂選秀節目的忠實觀眾，中國好聲音、中國好歌曲、青歌賽等，只要有好節目一定場場不落。
神秘大門透出的亮光
1999年山西大學本科畢業后，張國鋒師從梁九卿教授進行碩博連讀的學習。當時我國對量子信息的研究基本處于萌芽階段，梁九卿教授認為這將會是一個新的研究方向，在張國鋒的師兄師姐都跟著老師做磁宏觀量子效應研究的時候，老師毅然決定讓他去湖南師范大學的暑期班里學習和量子理論相關的知識，量子信息這道神秘的大門緩緩打開。
張國鋒本碩博就讀的山西大學物理電子工程學院師資雄厚、設備齊全。碩博連讀期間，為拓展視野、豐富知識，他還專門前往中國科學院學習。在交通落后的情況下，北京、山西兩頭跑，校內扎實的基礎知識以及校外新的理論知識的加固，使得張國鋒在量子信息基礎研究方面有了很大的提升。對張國鋒的聯合培養，中國科學院也承擔著重要的角色，博士畢業后，張國鋒到中國科學院半導體研究所進行博士后研究工作，在李樹深院士的指導下，張國鋒的研究興趣進一步拓寬到基于固態體系為載體的量子信息研究。從2006年到北京航空航天大學任教以來，更是把他的研究方向細化到光力耦合體系的量子物理相關問題。
在量子相關研究中，量子調控是國家的重大科研計劃，是構建未來信息技術的理論基礎。張國鋒圍繞“如何制備、控制及應用具有高魯棒性的量子糾纏態”這一科學問題展開了具體細致的工作，并取得了不錯的成績。
量子糾纏是量子力學的最神奇的特性之一。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態。張國鋒形象地解釋了量子糾纏：“就像是手機用戶和移動聯通等簽的協議，也就是手機卡，當兩個粒子處于糾纏態，只有借助這個協議（糾纏態），才能進行量子通信?！鼻籓ED系統是目前最有前景的硬件系統之一，它被廣泛地應用于量子態的制備和操控。為此，張國鋒系統考察了旋波近似下腔OED體系中的量子糾纏、量子關聯的產生與演化以及與量子相位之間的聯系。研究發現：量子糾纏猝死現象不僅依賴于體系初始態的糾纏，而且還依賴于初始態，且原子間偶極一偶極相互作用可以削弱這種現象，光場的損耗可以很明顯地延緩糾纏猝死。張國鋒在此基礎上就固態自旋體系提出了一套抑制量子糾纏猝死和量子態傳輸的優化方案。
眾所周知，實現量子信息處理的必需資源是量子糾纏態。而量子糾纏態是非常脆弱的，張國鋒在前人研究工作的基礎上進一步探討了固態兩量子比特自旋模型中的熱糾纏，將自旋所處磁場分為均勻和非均勻兩部分，發現磁場的非均勻部分使量子糾纏的演化出現雙峰結構，也詳細研究了Heisenberg交換相互作用對量子熱糾纏的臨界行為的影響。隨后更引發了國內外關于量子熱糾纏的研究。
Dzyaloshinski-Moriya（DM）相互作用來自自旋軌道之間的耦合，是一種各項異性相互作用，在許多磁性材料中都存在。張國鋒將DM相互作用引入兩自旋量子比特鏈中，結合Heisenberg相互作用研究了DM相互作用對量子熱糾纏的影響，發現DM相互作用可以激發量子熱糾纏的產生，可以使鐵磁耦合的自旋體系成為好的量子態傳輸的通道，且能顯著提高態傳輸的保真度。以這一研究成果為代表的論文獲得“中國百篇最具影響國際學術論文”，被引150多次，為ESI高引論文。與此同時，張國鋒把自己的研究推廣到量子關聯，得到一些量子關聯度量量間的因子化公式，同時也比較了量子關聯和量子糾纏在實現量子算法、構建量子邏輯門的異同。
神秘的量子世界透出的光讓張國鋒雀躍不已，他飽含熱情地走在研究量子世界的大道上，默默耕耘，靜靜享受這神秘帶來的不一樣的世界。
光亮指引前進的方向
一分耕耘一分收獲。張國鋒在量子研究這條道路上不僅收獲了具有創新意義的科研成果，而且多次主持包括國家自然科學基金青年基金、面上基金等項目在內的多項科研項目；發表多篇代表性論文，并多次被他引；在教學上成果也很顯著，多次獲得各種校內優秀教師獎勵。
但是張國鋒并沒有止步于此，神秘的量子世界還等待著他去進一步破解其中的奧秘，在長期量子光學基礎理論、自旋模型中量子糾纏、量子關聯動力學研究的相關基礎上，依托北航和中科院的兩個重點實驗室和三個重量級的研究團隊共同合作，將就全耦合區量子比特與光場動力學行為及應用這一熱點問題展開深入研究。
構造量子比特是量子信息處理的首要，實現量子比特有很多種物理方案，量子比特與光場相互作用體系是量子光學甚至凝聚態物理的一個重要研究內容，同時也是實現量子計算的重要途徑?？匆娏孔邮澜绨l出的神秘的光，張國鋒對接下來的工作重心有了清晰的規劃：（1）進一步求解兩量子比特與光場相互作用強耦合體系的動力學演化，尤其是兩個量子比特的閂abi模型的近似求解；（2）根據系統演化性質，選擇合適的初始條件和反應時間，構建超快兩量子比特邏輯門和進行相干量子態的超快傳輸等研究；（3）尋找新奇的特殊量子本征態，并通過研究包括耗散在內的動力學，考察這些具有特殊性質的量子態（比如：暗態）在量子信息中的應用。張國鋒不僅把自己接下來的工作定位在這三方面，還就這三方面的研究擬定了初步研究方案。
1半導體激光
十分引人注目的是半導體激光器件研究方面的成果。其中有關新材料及其處理過程,器件工作物理機制,器件的設計思想,器件工作向短波段的延拓等,都有很大的發展。光子帶隙、半導體量子電子學的理論和實驗研究逐步使量子阱異質結激光器邁向實用階段,并導致光學和光電子學用的量子阱器件以及超短脈沖半導體激光器和高速光探測器件的迅速發展。這對推動高速通訊的發展是十分重要的。垂直腔面發射激光器(VCSEL)的功率轉換效率已經高于50%,闌值電流200拼A,工作體積7只7(拜m)2;半導體納米結構材料已經可以制作出微腔激光器。一個10nm的腔體可產生1000nm波長的窄頻帶輻射?？梢妳^,特別是藍綠波段半導體激光器研制令人鼓舞,一旦進入實用階段,勢必劇烈改變小功率可見區激光器銷售市場的狀況,并將大大擴展激光在科技和生活領域的使用范圍。長波可見段630nm,650nm和670nm的紅色激光二極管(LD)制作成本較前兩年已大大下降。目前可以預感到:在激光顯示、激光準直、激光印刷、激光醫學生物學應用等方面,半導體紅光激光二極管將會迅速占領氦氖激光器的原有市場,取而代之。與此有關的藍色發光二極管(LED)已開始以遠較紅、黃、綠色發光二極管高昂的價格投放市場(隨著技術改進,將很快降低成本),形成了大型彩色顯示屏幕蓬勃發展態勢。在半導體激光領域,近年備受關注且影響著該領域進一步發展的課題是半導體納米結構和微腔以及在這類器件中的相干現象的研究。
2固體激光
迅速發展的另一領域是固體激光器。近兩年,明顯看到:纖維激光和波導固體激光,可調諧固態激光,特別是用半導體激光二極管陣列泵浦的“全固態化”固體激光器的實用化,將可以達到許多目的:相對廉價、穩定性好、壽命長、波長可調諧范圍寬、脈沖寬度窄,還可以具有優良的空間分布光束質量等。因此,具有廣泛的應用價值。它已開始取代優質、高功率的氣體激光器,用于微束打印和數據存儲。尤其值得一提的是:“全固態化”的欽寶石激光器,在連續操作時.波長可調諧范圍甚寬(從600~1100nm),功率很易達到瓦級水平。在鎖模脈沖運轉時,可以產生自鎖模,脈寬達數十飛鈔,平均功率已達瓦級。如此一來,再配合非線性頻率變換辦法,可以把激光波段擴展到很大的范圍。再加這類激光器的裝里有牢靠、調節簡便的優點,可以做成車載、機載系統。顯然,在不遠的將來,有可能由它淘汰染料激光。
3非線性光學
非線性光學領域的論文最為吸引人的是一些新的無機或有機光學材料的誕生和應用。目前從紫外到中紅外的實用的光學參童振蕩器已商品化。此外,與高速信息公路有關的孤子激光產生和傳翰問題,其成果已陸續投人實際使用。
4超短超快激光
會議中研討的一個特殊領域是超短脈沖激光的產生與測量及其在電子學、醫學、成象和超快過程控制方面的應用。欽寶石的鎖模飛秒激光裝置以及光纖激光器的鎖模是與當前研究超短光脈沖發生技術的熱點。其中有關的機理與技術已趨成熟,將會很快開辟通信、化學、生物學的應用。
5激光生物醫學應用
但近年來，實驗室多年積累的成果開始厚積薄發：2012年評選上1個“杰青”、2個“優青”；今年又評選了1個“杰青”，1個“優吉”……
“我們的成果在爆發，人才成長在爆發，作為人才搖籃的作用，十幾年的積累到這時也出來了?！币惶崞饘嶒炇业膭撔氯瞬排囵B，中國科學院院士郭光燦一掃出差回來的疲憊，興奮地說。
郭光燦的實驗室隊伍有個特點，就是以“土鱉”居多，大多都是從學生時期就一直跟著郭光燦的中國科大“土著”。
在國家大力吸引海外人才支援科技事業的背景下，很多實驗室的科技骨干都是引進人才。但郭光燦卻憑借自己獨到的眼光，培養出了一支富有創新開拓精神和沖擊國際科研前沿能力的學術隊伍。
做“敢死隊”的后援團“年輕人，為什么這么在乎當下呢。”量子信息重點實驗室教授郭國平從18歲起就跟著郭光燦，至今，他還清楚記得第一次郭光燦對他說的話。
2010年，年僅33歲的郭國平獲得科技部A類國家重大研究計劃（“超級973”）科技專項“固態量子芯片研究”重大項目，并于今年成功在“一個電子”上實現10皮秒級量子邏輯門運算，將原世界紀錄提高近百倍，為基于半導體的“量子計算機”的實現邁出重要一步。
但從當下的評價體系來說，量子芯片領域的研究，不僅難度大、風險高，而且從發文章的角度看，“產出收益”也未必好。連郭國平自己都說，當時很多老院士都稱這是“愣頭青”干的事兒。
但這不是郭國平做的第一個“愣頭青”的決定。他一直在中國科大學習量子光學，在博士三年級時，他突然覺得量子信息現有的研究已經不足以吸引自己了。
在郭光燦的大力支持和資助下，郭國平遠赴日本NEC中央研究院訪學。結果不到半年，郭國平就回來了?！袄匣⒏垖W爬樹，他不會教你的，肯定要自己學。”他走到郭光燦面前說，“我不再寫文章了，后面兩年我要去選修固體物理的課，行不行？”
當時，郭光燦看到了未來實驗室的戰略部署需要固態物理，但實驗室的研究人員多數都是光學專業的。于是“大小郭”一拍即合。當時不到30歲的郭國平開始負責建立國內首個半導體量子芯片研究組，競爭國際量子計算機的制高點。
想搭建實驗平臺，一臺儀器就要350萬元。郭光燦相信半導體量子芯片是有前途的，便將實驗室所有能調動的資金都先投入到郭國平的實驗平臺。但還是遠遠不夠。郭光燦就以自己和整個實驗室作擔保，又向學校借了800萬元。“要趕快把實驗條件做成。我們有理論、有想法，但是實驗科學只有做過了才知道。”郭光燦堅信，“耕算失敗了，對國家的工業和技術發展也是有好處的。”
郭光燦“借錢過日子”的“超前消費觀”在學校是出了名的。為此，學校免了這800萬元的欠款，還又支持了他200萬元?！拔覀兙拖裆鐣髁x大家庭一樣，這十幾年各種經費大項目都是實驗室統籌使用。哪兒需要加什么，我們就把錢買儀器?，F在每個‘攤子’都有國際一流水平的硬件條件?！惫鉅N說。“玻爾會不高興的”
在過去的一百多年間，哥本哈根學派的玻爾互補原理一直統治著量子力學界。它認為，光子的波粒二象性是“對立互補”的。如同一枚硬幣的兩面，只能看到其中一面，不可能同時看到另一面。
但是實驗室的李傳鋒研究小組 2012年9月發表在《自然一光學》雜志的論文則宣稱：他們同時看到了光子的波動性和粒子性?！澳暇┐髮W電子科學與工程學院院長施毅告訴我，他們的量子物理課本來要講玻爾的互補原理。但現在他們也要把我們同時看到波粒二象l生的文章拿出來講?！惫鉅N對外都這么夸獎自己的弟子。
但在實驗室，他卻要求大家有一種“我創新故我在”的勁頭。
今年年初，郭光燦把李傳鋒叫了過去，抽出三本書來說：“量子力學的書好像都解釋不了你們的實驗，太牛了?！?/p>
李傳鋒憨憨一笑：“是啊，我們希望把玻爾的理論擴展一下，把我們的結論包含進去?！?/p>
郭光燦聽了，卻微微一皺眉：“玻爾根本不會像你這么想，你這種說法玻爾都會生氣的。你應該更有創造力，把玻爾的理論?！?/p>
這不僅是郭光燦的“野心”，也是整個實驗室的。
就在近期，實驗室的史保森研究小組在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的關鍵一步。
麻省理工學院的Technology Review網站更以“第一個存儲單光子形狀的量子存儲器在中國揭開面紗”為題，對研究室的發現進行積極評價。
沒有第一的競賽
郭光燦眼光“毒”得很。
他是國內第一個做量子光學的。三十多年前，國內沒有人支持他做量子光學，甚至把量子信息稱為“偽科學”?！皠傞_始，郭光燦的工作沒人重視，按他自己的話說，‘坐了十多年冷板凳’?！痹袊拼蟾毙ｉL韓榮典說，“哪個新學科不是坐冷板凳？但他堅持下來了，還培養了一大批出色人才?！?/p>
在郭光燦的這場“科學賽跑”中，沒有第一名。
他趕上了全球量子信息發展的萌芽期，熟知量子信息發展動態。因此，他做科研從來不緊跟風國外，而是前瞻性地進行戰略部署。
1999年，實驗室在中科院實驗室評比中獲得第一名。郭光燦借助350萬的獎金，將對國家安全至關重要且容易出成果的“量子密碼”作為突破口，在國際上首次解決了量子密鑰分配過程的穩定性問題，經由實際通信光路實現了125公里單向量子密鑰分配。
兩年之后，他又布局量子信息最核心的資源――量子糾纏。2011年，《自然一通信》在線發表了李傳鋒、黃運鋒研究組獨立制備出的八光子糾纏態，刷新了多光子糾纏制備與操作數目的世界記錄。
單是光學和量子信息是不夠的，因此郭光燦又與郭國平一起部署了半導體量子芯片研究平臺。
當時正好趕上金融危機，美國實驗室都在降價處理儀器設備。實驗室便遠赴大洋彼岸的美國挑選了5臺“五臟俱全”的“二手貨”，建起了成熟的量子芯片加工平臺。隨后，郭光燦又派研究人員到蘇州納米所學習微納加工，建立起以考核技術進步為主的評價標準，培養出一支優秀的研究隊伍。
2004年開始，除了“看家”的理論組方向外，郭光燦又部署起新的量子光集成芯片方向，進行微腔小球研究?！拔覀兊乃膫€實驗研究方向是把握了學科發展的趨勢，結合自己的特長，逐步做出了前瞻性布局?！痹诠鉅N看來，做研究不能讓國外牽著鼻子走。
英雄不問出處
董春華讀博時，就已經將微腔小球研究做到了世界最高水平。
但在當前的政策下，對于非“海歸”的董春華來說，想要留校幾乎是不可能的。為了留下董春華這個人才，郭光燦再次慷慨解囊，用實驗室經費支持董春華去合作伙伴――俄勒岡大學物理系攻讀博士后。
當時有人問郭光燦：“你要不要跟他簽個協議，會不會放出去就不回來了？”郭光燦自信地說：“我們相信他能回來，這里才能發揮他的作用?！?/p>
果不其然。兩年后，董春華在《科學》雜志以第一作者發表文章Optomechanical Dark Mode，并帶著世界上最耀眼的光機械研究方向回到了實驗室?！拔覀冏约号囵B人如同幫病人養血，調理好生血的機構。引進人才如同輸血，忽視增強自己的造血機能，是不正常的?！惫鉅N說。
李傳鋒招學生，唯一看重的就是是否熱愛物理?！叭绻阆矚g物理就來，如果還有其他選擇，想去發財就去發財”，李傳鋒在給學生許金時面試時如此說。
