专栏评述

评“基于变分量子分类器的量子对抗攻击生成算法”量子机器学习(quantum machine learning,QML)是当前量子计算理论的研究热点之一。在真实的大规模量子系统中,不可避免地存在扰动和噪声,而微小扰动将导致量子分类器分类错误,从而使量子机器学习算法失效。基于上述原因,研究在微小扰动下的量子分类器鲁棒性,是量子机器学习研究中的基本问题之一,而如何高效生成尽可能小的扰动使量子分类器失效是关键点。

面向城域接入的连续变量量子密钥分发技术

相干态连续变量量子密钥分发技术是量子保密通信的重要手段,其通过制备、传输和测量高斯调制或离散调制的相干态来实现具有理论无条件安全性的密钥提取,具有与经典光通信产业兼容性高、中短传输距离下安全码率高、可支持点对多点密钥分发等优势,适合在城域和接入网中大规模部署。调研综述了连续变量量子密钥分发技术的协议、安全性理论、系统化与网络化发展现状,针对城域网和接入网应用场景下的连续变量量子密钥分发关键技术进行了梳理,并对连续变量量子密钥分发技术未来发展趋势进行了展望。

利用光反馈VCSEL模式跳变产生随机数

近年来,在物理随机数生成速率的提高方面取得了很大的研究进展,但仍存在产生过程复杂和体积庞大等缺陷。针对该问题,文章从理论上提出了利用光反馈下垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变产生随机数的方案。通过光反馈扰动使VCSEL产生模式跳变,再由方波信号对注入电流进行调制,周期性重启VCSEL使其由非激射状态切换到模式跳变状态,最终输出随机脉冲序列实现随机数的产生。研究结果表明,具有通过随机性验证的无偏随机数能够以Gbit/s量级的速率连续产生。文章所提方案消除了对光/电转换和后处理操作的需求,简化了当前随机数的产生结构,且具有实现低成本光子集成随机数发生器的潜力。

量子密钥服务及移动应用技术

目前,应用量子密钥分配(QKD)的量子保密通信技术,已成为增强网络空间安全的战略前沿技术。QKD实验网络"京沪干线"建成和实验成功后,利用QKD网络为移动应用提供量子密钥服务的技术已成为热点研究问题。研究工作阐述了量子密钥服务及其特点,提出了一个实现量子安全的移动应用的高效技术方案,最后探讨了相关应用前景及关键技术。

量子密钥分发系统的实际安全性

量子密钥分发利用量子力学原理实现通信双方之间无条件安全的密钥传输而不被未经许可的第三方所窃听。目前,单光子QKD协议,纠缠光子对QKD协议,连续变量QKD协议等在理想的光源、信道、探测模型假设下已经被证明具有无条件安全性。然而,实际QKD系统所采用的非理想实际物理器件往往不完全符合理论安全性分析中的模型假设,这将导致比较严重的安全漏洞,从而降低实际QKD系统的安全性。为了抵御实际QKD系统非理想器件所引入的安全漏洞,可以从软件上改进QKD理论安全性分析(将实际QKD系统非理想特性纳入到安全性分析理论中),或从硬件上改进实际QKD系统(增加监控模块以抵御实际QKD系统安全漏洞)。对实际QKD系统光源、信道及探测端的安全漏洞进行了全面总结并给出针对各个安全隐患的抵御措施。

评“SM4密码算法S盒的量子电路实现”

随着量子计算的发展,现行经典密码系统的安全性受到了严峻威胁。对于非对称密码系统,Shor算法能够迅速破解基于大整数分解及离散对数困难问题的密码算法;对于对称密码系统,Grover算法能使其等价安全密钥长度减半,其安全性所受的影响相比于非对称密码系统较小,但仍需引入相应措施以应对量子计算威胁。现有对称密码算法在量子环境下的安全性分析大多基于该算法可通过量子电路实现的假设之上,但目前国内外仅在AES算法的量子电路实现方面有少量研究,而对其他主流对称密码算法(如SM4)的量子电路实现研究并未涉及。

利用光反馈多模激光器结合滤波器产生平坦混沌

提出了一种利用多模激光器结合滤波器产生频谱平坦、无低频能量缺失的宽带混沌信号产生.实验分析和对比了光反馈法布里-珀罗混沌半导体激光器滤波前后的多模及单模信号的频谱特性.结果显示,相较于多模混沌信号,单模混沌信号的低频部分能量提升了25 dB,实现了3 dB带宽为6 GHz的平坦混沌产生.进一步理论研究表明,单模混沌信号低频成分能量获得显著提升的物理本质在于多模激光器模式竞争.

量子态和量子测量态的特性与应用

量子信息技术是基础性创新,是信息技术发展的颠覆性前沿。面向量子信息技术应用,研究工作阐述了量子态的离散性、随机性、叠加性、纠缠性等四个关键特性,提出了量子测量态的离散性、概率性、多样性、关联性等四个对应特征,描述了这些特性在当前以及未来量子信息系统中的应用场景和目标,并按照这些特性的应用程度给出了量子信息系统代际划分。研究工作通过分析量子态和量子测量态的特性,在量子信息科学与量子信息工程应用之间架起了一座桥梁,对量子信息技术在信息感知、信息存储、信息处理、信息传递、信息应用等信息过程中的创新应用具有重要意义。

量子保密通信技术综述

量子保密通信是利用量子力学基本原理和"一次一密"加密体制来实现信息安全传递的一种全新的保密通信方法。量子保密通信技术由于具备无条件安全性,因而具有极高的军事价值和商业价值,得到各国政府及相关研究机构的广泛关注,并在近年来取得了突破性进展。本文简述了量子保密通信的基本原理和研究意义;综述了国内外量子保密通信的发展现状和技术水平;同时还进一步分析了量子保密通信技术未来发展趋势并探讨了其重点突破方向,最后对该技术进行展望并提出一些建议。

量子信息技术及其应用探讨

近十几年来,基于在数据传输安全性、传感测量灵敏度和精确度、量子计算的并行性等方面的特殊技术优势,量子信息技术得到了快速发展。量子信息技术将为提升国家信息技术水平、增强国防实力等提供非常重要的基础支撑,尤其在研发新一代信息对抗武器方面具有非常重要的战略和战术意义。密切关注量子信息技术的研究现状、应用前景和发展趋势等具有十分重要的实际意义。

基于时延光子储备池计算的混沌激光短期预测

提出并证明了一种利用时延光子储备池计算短期预测混沌激光的时间序列.具体来说,建立基于光反馈和光注入半导体激光器的储备池结构,通过选择合适的系统参数,时延光子储备池计算可以有效地预测混沌激光约2 ns的动态轨迹.此外,研究了系统参数对预测结果的影响,包括掩模类型、虚拟节点数、训练数据长度、输入增益、反馈强度、注入强度、岭参数和泄漏率.作为一种具有全光实现潜力的机器学习方法,时延光子储备池具有结构简单、训练成本低、易于硬件实现等优点.

一种基于平衡零差探测技术的平均光子数测量方法

针对连续变量量子密钥分发系统实用化进程中对系统核心参数的规范标定需求,本文提出了一种基于平衡零差探测技术的平均光子数测量方法,即利用平衡零差探测基本结构,在本振臂添加一个电光相位调制器.不同于通过计算相位漂移值进行被动相位补偿的方式,本方法主动地对相位调制器加载[0,2π]的均匀随机相位以避免相位漂移对测量结果的影响.仿真及实验验证了平衡零差探测器输出信号服从带有两个峰值的驼峰分布,且探测输出信号方差与待测光脉冲平均光子数呈线性关系.采用该方案实现的平均光子数测量精度为0.1个光子/脉冲,测量范围达23 dB.优化选择探测器性能和数据采集工具的采样精度和量程,可实现满足测量要求的平均光子数和脉冲消光比测量,为连续变量量子密钥分发系统的关键参数标准化提供了一种可行方案.

连续变量量子密钥分发系统调制方差全局优化方法研究

连续变量量子密钥分发技术具有与传统光通信网络兼容性好、安全码率高等优点.调制方差是连续变量量子密钥分发协议的关键参数,其优化选取将直接影响系统安全码率和传输距离.本文针对确定的数据协商和纠错译码算法,量化分析了实际连续变量量子密钥分发系统中调制方差对误帧率、协调效率等参数的影响,以此为基础给出了一种连续变量量子密钥分发协议调制方差全局优化方法,以达到安全码率最大化效果.相较于已知常用方法,本优化方法在典型连续变量量子密钥分发系统参数下,仅通过调制方差参数优化即可显著提升安全码率,而无需做复杂硬件优化,可行性好且效果佳.此外,该方法适用于各类连续变量量子密钥分发协议,包括高斯调制、离散调制协议等,也适用于有限码长和无限码长情形,可扩展性好.

诱骗态量子密钥分发系统中的隐蔽欺骗方法

在应用环境可信的情况下,诱骗态量子密钥分发系统具有明确的安全性架构.但是,在不可信的应用环境中,通信一方可以利用诱骗态量子密钥分发系统为第三方隐蔽地窃听开启方便之门.这种不暴露自己的泄密行为是一种隐蔽欺骗.诱骗态量子密钥分发系统具有一定的冗余系统参数(比如接收端设备对光信号的波长和强度的细微变化不敏感,但是系统安全性与这些参数密切相关),不可信终端通过改变不同信号光脉冲的波长或强度,将为窃听者成功进行基于波分复用或分束攻击的隐蔽窃听提供可能性.这种隐蔽欺骗将直接破坏通信终端之间的信任关系,进而导致通信过程保密性的不可信,这给量子通信系统终端的可信性和安全性提出了一定的挑战。

基于量子密钥分发光通信用微小空间混合集成技术

量子秘钥分发系统中包含了偏振分束器、保偏滤波耦合器、波分复用器等多种光无源器件,如何实现系统小型化是目前急需解决的问题。本文提出了一种多器件微小空间混合集成技术,通过改变内部光无源器件的制作方式,实现了小型化封装的模块结构。

基于双驱调制的高速光电探测器频响自校准表征

针对当前高速光电探测器频率响应测试的问题,提出了基于双驱调制的高速光电探测器频响自校准表征方法。该方法通过设置双驱调制频率为近似相等关系克服了电-光响应器件不平坦响应的额外校准,实现了光电探测器频率响应的自校准表征。同时,通过采用双驱调制频率的和频与差频拍频边带的相对功率来获得光电探测器的频率响应,摆脱了双驱马赫-曾德尔调制器偏置漂移的影响并扩展了2倍以上的测试带宽。相比于全光激励法,提高了测量精度与动态范围;与传统电光激励法相比,克服了强度调制器偏置漂移的影响和额外校准的难题;优于先前的双音调制法,简化了测试系统和降低了测量成本。光电探测器频率响应的实验测量结果与强度噪声法测量结果以及与该光电探测器出厂数据的一致性验证了该方法的正确性。

基于VCSEL模式跳变产生全光物理随机数

针对当前大多数随机数产生方案结构复杂和体积庞大的问题,文章从理论上提出并仿真论证了一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变直接产生全光物理随机数的技术方案。通过方波调制信号周期性重启工作在双稳区域的VCSEL,并利用自发辐射噪声平衡两个偏振模式出射的不对称,可以直接实现随机数的产生。仿真结果表明,该方法可以直接产生速率为2.5 Gbit/s且随机性得到验证的物理随机数。该方案主要包含一个VCSEL,结构简单,为随机数发生器的光子集成问题提供了新的解决方案。

面向混沌激光熵源的安全随机数提取

基于混沌激光的随机数发生器可以实现大量高速的真随机数产生。然而,受随机数产生过程中引入的额外技术噪声影响,原始随机数无法提供真随机性。为了从信息论的角度实现安全随机数的产生,必须定量评估熵源产生的随机性。本文中通过实验搭建基于混沌激光的随机数产生装置,使用条件最小熵评估原始随机数中可提取的真随机性。同时,通过更换不同的器件讨论关键参数对原始随机性的影响。在原始随机数的后处理提取过程中使用信息论可证安全的Toeplitz提取器,最终实现了安全随机数的产生。

利用无噪线性光放大器增加连续变量量子密钥分发最远传输距离

如何提高实际量子密钥分发系统的安全码率和最远传输距离是量子密码学领域重要的研究课题.本文采用量子无噪线性光放大器放大量子信号,以改进连续变量量子密钥分发系统实际性能.经仔细研究,本文发现增益系数为g的线性无噪放大器可将连续变量量子密钥分发系统的最远安全传输距离提高20 log10(g)/akm(a=0.2dB/km为光纤信道的损耗系数),并改善系统的安全码率和噪声抗性.

量子保密通信用增益开关半导体脉冲激光器

近30年来,量子信息科技是令人激动的研究领域之一。其中,量子保密通信技术,已逐渐开始从实验研究迈向工程应用,有望率先实现商用化发展。面向量子保密通信系统的全面普及和推广,基于半导体激光器的增益开关效应和商品电子学芯片,设计和实现了皮秒脉冲激光器模块。其特点包括:工作波长位于光纤量子信道的低损窗口,即1.5μm波段;输出光频的波动小于20 MHz;光脉冲的时域宽度为10个皮秒量级;输出光脉冲间不具有确定的相位关系。进一步地,结合"弱相干"单光子源在量子保密通信技术中的应用,对上述特点进行检验和讨论。