基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案的信息泄露问题

最近,一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案[物理学报65 230301(2016)]被提出.文章宣称一个量子态可以编码3比特经典信息,从而使得协议具有很高的信息传输效率.不幸的是,该协议存在信息泄露问题:编码在单光子上的3比特经典信息有2比特被泄露,而编码在Bell态上的3比特经典信息有1比特被泄露,所以它不是一个安全的直接量子通信方案.在保留原协议思想且尽可能少地更改原协议的基础上,我们提出一种改进的消息编码规则,从而解决信息泄露问题,使之成为一个高效、安全的量子通信协议.衷心希望研究者能对量子安全通信协议中信息泄露问题引起足够重视,设计真正安全的量子通信协议.     

《信息光子学物理》书评

国内外很多科学家指出，20世纪90年代后期，人类进入了“信息时代”．其主要的技术支撑是微电子与计算机技术、激光器与光通信技术，它们把信息的传输能力、处理能力以及存储与显示能力提高了数千倍到数万倍．进入21世纪，人类对信息的传输速率、存储容量、处理与显示能力均提出了更高的要求，已经开始用太比特（Tb）或太比特每秒（Tb／s）来量度．要实现这一技术突破，唯有光学、光子学能够担当此使命．所以科学家把20世纪称为电子时代，而21世纪称为光子时代，“可以肯定，光子与电子将携手合作，和谐共建绚丽灿烂的21世纪”．     

噪声信道中的超可加性

超可加性是量子信息传输所特有的性质,通过多个量子比特的编码和联合解码,平均而言,可以获得比一位量子比特编码和解码更多的信息.对于量子比特为纯态的情形,已经给出了理论和实验上证明.在此基础上,我们讨论了混态,具体考虑的是量子比特传输通过量子消偏振通道后,超可加性与噪声之间的关系,发现超可加性随噪声增大而减小,最后消失.     

划时代的量子通信——写给世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”

量子通信领域的主要两个研究方向,一个是为经典信息传输做量子加密的“量子密钥分发”,另一个是利用量子纠缠传输量子比特的“量子远程(隐形)传态”。文章以“墨子号”量子科学实验卫星的实验任务为线索,首先讲述量子密钥分发中的BB84协议的原理和应用,并系统性介绍量子比特、量子不可克隆定理、量子纠缠、贝尔不等式等概念,以及量子远程(隐形)传态的原理。文末简要介绍“墨子号”量子科学实验卫星和配套地面站的系统构成,以及空间量子通信的发展趋势。     

量子互联网所需的关键设备

量子信息科学的进步带来了量子互联网的可能性——通过处于叠加态的光子(被称为量子比特)传输信息;而不像今天的网络,靠纯粹的数字0和1从一个地方到另一个地方穿梭。     

增强物理教学的历史感,用物理史料进行方法论教育

物理学史与物理教学的结合是很早就被提出的问题,许多著名物理学家都很重视物理学史的研究和教学．美国从本世纪５０年代兴起了“新物理运动”,即课程改革运动．指导这一改革的“哈佛物理规划”（Ｈａｒｖａｒｄ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）提出了这样的教学原则：教材必须现代化,必须反映最新科学成就;要让教师和学生以物理学家认识物理世界的本来面目去认识物理世界,获得认识世界和进行科学研究的能力和方法．在?...     

开展声的生态学和声景研究

近年来人们重视研究生物及其声环境的关系,提出了“声的生态学”（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｃｏｌｏｇｙ）这一名称,它综合了声学、美学、哲学、建筑学和社会学等学科的内客,它所处理的问题称为“声景”（Ｓｏｕｎｄｓｃａｐｅ或称Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ　Ｌａｎｄｓｃａｐｅ）．声景一词最初由加拿大Ｍｕｒｒａｙ　Ｓｃｈａｆｅｒ所提出,他是作曲家和研究工作者,“声音世界的调和”（ＴｈｅＴｕｒｎｉｎｇ　ｏｆｔｈｅＷｏｒｌｄ）一书的作者。声景是指在一定地区内有关声音的总体情况,它反映了该地区内的社会、技术和自然情况。Ｓｃｈａ…     

多噪声背景下光码分多址多用户干扰的抑制

针对光码分多址(OCDMA)的多用户干扰问题, 研究采用APD光电检测器的系统中存在多种噪声情况下, 基于最大值判决的光码分多址并行干扰抑制方法的多用户干扰抑制效果。阐述了其工作原理, 即在发送端对比特“0”和比特“1”分别使用一个地址码和它的移位变形进行映射, 以避免发送比特“0”时无光脉冲通过, 实现并行干扰抑制; 接收端判决电路采用最大值判决, 以避免门限判决所引起的误判, 进一步减小多用户干扰。系统采用光正交码作为地址码, 分析推导了系统的误码率表达式。根据所得的误码率表达式, 进行了数值仿真并与其他多用户干扰抑制方法进行比较。仿真结果表明, 本方法对多用户干扰的抑制作用与系统用户数和码重有关; 与引入双硬限幅器方法、多比特传输方法的多用户干扰抑制作用相比, 抑制效果要优于多比特传输的方法; 当接收功率较低时, 该方法优于引入双硬限幅器的方法, 因此可以有效的抑制多用户干扰。     

扭曲光束可提高光纤信息承载能力

美国的一个科研小组发表在近期《科学》杂志上的最新研究成果显示,通过不同形状的扭曲光束来编码信息,可以提高互联网“信息高速公路”的承载能力,从而有效地缓解网络拥堵。互联网流量正在呈几何级数增长,研究人员也一直在设法提升光缆的通信容量。过去20年来使用的一个成功方法,基本上是依靠增加更多的“车道”,也就是用不同的颜色或波长来传输不同的信号。但就像在真正的高速公路上一样,“车道”虽然多了,每一条的宽度却变得更窄,因而数据流也只能混杂在一起。从前几年开始,就有多个研究团队在尝试通过光束的形状来为信息编码,以此缓解网络交通堵塞,该技术利用到了被称为轨道角动量的光属性。     

基于Cayley图上量子漫步的匿名通信方案

信息安全是信息化社会国家安全的基石与命脉,而匿名量子通信是保护信息安全的重要通信方式之一.利用量子漫步随机性有效解决身份信息泄露等敏感问题,本文提出一种基于Cayley图上量子漫步的匿名通信方案.首先,通信双方隐藏自身身份信息,发送方Alice通过逻辑或操作匿名选择接收方Bob.其次,可信第三方与通信双方利用BB84协议生成和分发安全密钥, Alice根据安全密钥对信息序列进行加密,获得盲化信息; Bob利用联合Bell态测量和安全密钥进行签名,可信第三方验证签名信息.再次,可信第三方依据傅里叶变换计算Bob量子漫步的位置概率分布函数,将概率最大值对应的位置信息转换为确认帧发送给Alice;Alice利用量子降维压缩算法减少传输信息比特数,并利用安全密钥完成信息加密后将信息传输至确认帧表示的位置, Bob利用量子漫步搜索位置节点获取传输信息,完成匿名量子通信.最后,对方案进行安全分析,并给出200个节点Cayley图的数值仿真结果,漫步10步时,第6个节点的概率最大为45.31%.根据仿真结果,本方案通信过程中Bob漫步10步时被窃听到具体位置的概率近似为6×10^–7     

基于单光子双量子态的确定性安全量子通信

量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域,是一种利用量子力学原理,能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式.基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态,并利用局域幺正变换加载信息.本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案.发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特.接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听,从而实现信息的确定性安全传输.另外,我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器,可以在当前的量子通信装置上实现.     

中国铁路客运网网络性质的研究

中国铁路客运系统可以采用两种不同的网络构建方式来描述. 一种是以铁路的站点作为“节点”，并以轨道作为“边”，这样生成的网络称为铁路地理网. 统计显示该网络的平均群聚系数〈C〉近似为零，故该网络为树状网络. 另一种是以站点作为“节点”，任意两个站点间只要有同一列车在这两个站点停靠，就可以认为这两个站点间有连线，这样生成的网络称为车流网. 统计显示该网络有较大的平均群聚系数和较小的平均网络距离〈d〉，而且该网络节点的度分布基本上服从无标度幂律分布，故车流网为具有无标度性质的小世界网络. 关键词： 铁路地理网 车流网 小世界 无标度分布     

二维傅里叶变换核磁共振波谱学

原理普通的核磁共振谱图是一个平面图,它是一个变量（频率或磁场）的函数Ｓ（ω１）,因此可以把它称为一维谱．在七十年代后半期出现了一个新的领域,称为二维核磁共振波谱学（ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏ－ｐｙ）．它使核磁共振谱变为两个变量的函数Ｓ（ω１,ω２）,因此可以得到一个立体图或等高线图,从而使谱图更加直观、清晰、便于解析,?...     

基于随机相位编码的确定性量子密钥分配

提出一种新的随机相位编码的确定性量子密钥分配(QKD)方案.在该方案中，通信双方不需要公布测量基，就可以共享秘密信息，提高了密钥生成效率.因为传输的量子比特是随机编码的，即便光源非严格为单光子，该方案仍旧是安全的.理论分析显示出，对于光子数分裂攻击，中间人攻击和特洛伊木马等攻击手段，本方案比之前的QKD方案具有更强的安全性.     

三维传输子量子比特的退相干参数表征

超导量子比特的退相干时间是决定超导量子计算能否实现的重要指标之一. 文章以三维传输子量子比特(3D transmon)为研究对象, 在氧化硅衬底上制备了三维传输子量子比特, 并在超低温下(10 mK), 采用拉比振荡(Rabi oscillation)、能量弛豫(energy relaxation)、 拉姆齐条纹(Ramsey fringe)、自旋回波(spin echo)的方法, 对其进行了详细的退相干时间常数表征. 结果显示该量子比特的退相干时间在几百纳秒. 根据几种退相干时间的关系进行计算, 可以看出, 低频噪声目前不是影响量子比特退相干的最主要因素, 而氧化硅中的缺陷可能是样品退相干时间的主要瓶颈. 关键词： 三维传输子量子比特 拉比振荡 拉姆齐条纹 自旋回波     

激光散斑技术与水工建筑物

散斑干涉计量术是七十年代发展起来的一门新兴技术．当用激光照射物体表面时,其漫反射光相互干涉形成了随机分布的斑点,该斑点称为“散斑”（ｓｐｅｃｋｌｅ）．散斑在六十年代初兴起的激光全息术中曾被作为相干噪声力求消除掉的．１９６８年。Ｂｕｒｃｈ和Ｔｏｋａｖｓｋｉ指出［１］。用全息底片将物体表面的随机分布的散斑与物象一起拍摄下来而得到的散斑图。可用来获得物体表面变形（位移）的信息．Ａｒｃｈｂｏｌｄ,Ｂ?...     

基于相干叠加态的非正交编码诱骗态量子密钥分发

非正交编码协议和诱骗态方法可以有效地抵御光子数分离攻击. 由于相干叠加态中单光子成分高达90%, 常作为单光子量子比特的替代出现, 用于量子信息过程处理和计算. 本文结合非正交编码协议和诱骗态方法提出一种新的量子密钥分发方案, 光源采用相干叠加态, 推导了单光子的密钥生成速率、计数率下限和误码率的上限, 利用Matlab 模拟了无限多诱骗态情况下和有限多诱骗态情况下密钥生成速率和传输距离的关系, 得出该方案可以提升密钥生成速率并且提高安全传输距离, 验证了该方案可以进一步提高量子密钥分发系统的性能.     

大西洋和太平洋中的环流:昨天和今天

全球气候变化是当今公众所关心的一个热门话题 .《物理》曾在 2 0 0 0年第 7期报道了“记录古气候的同位素温度计” .现在 ,在这篇短文中 ,所要介绍的是有关海洋子午圈环流影响气候的两项研究成果 .其一 ,德国的Ｇａｎｏｐｏｌｓｋｉ等对北大西洋古气候变化完成了随机共振 (ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ)计算机模拟 ;其二 ,美国的ＭｃＰｈａｄｅｎ等对今天太平洋洋流的实验记录作出了归纳分析 .大气与海洋的相互作用对气候的变迁有重要影响 .如所周知 ,源于墨西哥湾的北大西洋湾流 ,水温很高 ,势力也很强 .表层海水在海风的驱动…     

采用纠缠辅助量子LDPC码和检错重传策略的量子直传通信方案

针对现有量子信息直传协议在有噪音量子信道下传输效率低及可靠性差的问题,提出了一种有效利用纠缠资源的量子安全直传通信方案.通过收发双方共享纠缠粒子作为辅助比特,采用纠缠辅助量子低密度校验码对量子态信息进行前向纠错保护,以提高系统在噪音环境下的传输可靠性.同时采用自动请求重传策略对量子态信息进行检错编码保护,当因窃听或强噪...     

Landauer准则挺过了量子测试

正在一个完全的量子系统中,一个基本极限已经被确认:当一个信息比特被擦除,所产生热量之极限。擦除信息总是产生热量,即使只擦除一比特的信息。上述对计算机科学和信息技术有影响的预期,可以追溯到1961年。那一年RolfLandauer预测,擦除一个经典比特所需的最小热量是kBTln2(kB是Boltzmann常数,T是比特与之交换热量的热沉的温度)。几年前,Landauer的经典极限被确认,使用