我国首次实现量子指纹识别 在信道容量上突破经典极限

2016年06月23日 08:51:42 来源: 人民日报
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  大数据时代如何破解光纤线路资源有限与信息量无限增长的矛盾?一项最新研究成果提供了可能的解决方案:我国科学家首次在信道容量上实现了对经典通信的超越,在20公里的光纤线路中实现了量子指纹识别。

  该成果由中国科技大学潘建伟及其同事张强、李力等与中科院上海微系统所、美国麻省理工学院的科研人员合作完成,相关论文发表在近日出版的国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上。

  随着互联网技术的快速发展,特别是大数据时代的到来,光通信网络的业务量正在以指数级的速度增长。在光纤线路资源有限的情况下,如何传递最少的信息、提高光纤信道容量,是目前光通信学术界和工业界面临的核心问题。一方面,随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级,电子的运动不再遵守经典物理学规律,半导体晶体管将不再可靠。与此同时,芯片后门、光缆窃听等事件,使得信息面临着越来越严重的安全风险。

  不少科学家认为,量子通信有望破解上述难题。量子通信是指利用光子的量子状态加载并传输信息。从原理上来说,量子通信是无条件安全的通信方式。由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆,可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而能保证用其加密的内容不可破译。

  据介绍,量子通信复杂度研究利用量子力学的叠加原理,可以用量子信道提供更高的信道容量,其中一个重要的应用就是量子指纹识别。指纹识别主要应用于遥远双方的信息比对,假设需要比对的信息量为100个单位,经典的指纹识别方法需要传送的最小信息量为10个单位,而通过量子指纹识别方法,利用量子力学的叠加原理,在理论上仅需传送2个单位的信息量就可以。

  量子指纹识别理论早在2001年就被研究人员提出,但受限于各种技术条件,国际上以往的实验都未能突破经典方法的极限。这次研究最终实现了传输信息量相比经典极限降低84%的量子指纹识别。该实验不但是世界上首次突破经典极限的量子指纹识别,也是首次在实验中观测到量子信道容量相比经典信道的优越性。

  该研究成果得到国际学术界高度认可。《物理评论快报》审稿人称赞这一实验“提供了量子秘钥分发之外的量子信息的重要应用”;国际同行也认为,“这项研究将开启其他很多(量子通信)方面的应用”。

  据悉,京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网将于2016年下半年建成。这条量子干线连接北京与上海,贯穿山东济南、安徽合肥等地,是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络,属世界首例。该网络建成后将广泛用于金融、政务等领域信息的安全传输。

  展望量子通信的前景,业内专家认为,未来能够形成天地一体的全球化量子通信基础设施,构建基于量子通信安全保障的未来互联网,即“量子互联网”。(赵永新、谢婷婷)

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