反事实量子调控和量子保密通讯网络

Quantum information essentially is a direct result of Quantum mechanics and Classical informatics, and the scientific community has been witnessing the steadfast growth of this field. One of the most important application of quantum information is quantum secure communication. In this project, we will study how to achieve secure communication, especially for a quantum network, but from a different angle. Our project is based on the protocol of direct counterfactual quantum communication which is proposed by the applicant in 2013. According to this protocol, there is no need of any real particle traveling between two communicators. The protocol has two main advantages. Firstly, the communication is untraceable. This is the focal point of our research for secure communication. Secondly, the protocol can be easily used to send messages from one to many. In light of the above advantages, we want to theoretically build a counterfactual quantum secure network, which allows many users to share the same secret key. Comparing to conventional quantum network protocol, our method is much easier to manage the keys and therefore can save lots of resources. In addition, we will also investigate counterfactual control, counterfactual gates and counterfactual measurement. By utilizing counterfactual measurement, we can prove at least two kinds of quantum secure communication protocols are no longer secure. Since the security of communication is highly important to our country, particularly, while the development of quantum network - either for code makers or code breakers- is unstoppable, it is worth doing this research and we believe our result will be of great helpful for the progress of our secure quantum network.

量子信息是量子力学与传统信息学的结合。其最重要的应用之一便是保密通讯。本项目将从新的切入点研究量子保密通讯，尤其是网络通讯安全的问题。项目依据的是13年由申请人等首次提出的反事实量子通讯，即不需要任何实际粒子传输的通讯方案。该方案的本质是一种量子测量和调控手段，其有两个重要特点。第一是隐蔽性，这是我们研究通讯安全的出发点。第二，我们的原方案能非常容易地实现点对面的通讯，这方便了通讯网络的建立。结合以上两点，本项目将理论构建多用户共享密钥的反事实量子保密通讯网络。相对传统量子保密通讯网，我们的方案能大大节约系统资源，提高通讯效率。除此之外，我们还将研究量子态的反事实操控，反事实量子门以及反事实量子测量。通过反事实量子测量，我们可以破解部分量子保密通讯协议。通讯安全是关乎国计民生的大问题，而量子通讯的网络化应用也是大势所趋，本项目的研究成果会对量子保密通讯网络的进一步发展起到重要作用。

反事实量子直接通讯展示了一种反直觉的量子现象，即信息可以在没有预制纠缠、没有任何物质交换的条件下被远程传输。在此基础上，本项目进行了深入的理论研究和应用探索。我们研究了单个量子客体对一个局域单光子的非局域相互作用。通过反事实相位操控和路径操控，我们可以将量子客体和单光子远程纠缠起来之后再去纠缠，从而实现未知量子态在量子客体和局域单光子之间的交换。这实际上实现了一种新型的双向量子隐形传输。我们还研究了多个远程客体对一个局域单光子的反事实量子调控，从而实现了与非门，或非门和异或门的反事实化设计，并以此为基础实现了非局域多体纠缠。在上述研究中我们发现，和传统认知不同，多重量子测量可以柔和、平缓甚至可逆地影响量子系统的演化，其总效果可以用一个幺正时间演化算符来描述。此外，我们的研究还显示，在使用相干态等多光子光源时，反事实现象仍会发生，这颠覆了我们之前的认知。在以上基础理论研究的帮助下，我们进行了反事实量子直接通讯协议相关的实用性研究，主要涉及量子保密通讯。利用没有物质出现在公开传输信道的特点，我们研究了一种新型的量子木马窃听方案。该方案通过发射一个窃听光子来侦测目标设备的状态信息，但如果有任何探测器主动检索该光子，则由于量子芝诺效应，光子会被局域在窃听装置内避免被发现。因而该窃听方案有着极高的隐蔽性。基于反事实量子木马窃听方案，我们首次证明，著名的量子直接通讯协议——Ping-Pong通讯协议在理论上是有漏洞的。在研究窃听方案的同时，我们也给出了相应的防御方案，并在此基础上利用反事实量子直接通讯中信息是直接传递的特点研究发展了量子保密群通讯协议。其基本思想是给多个合法用户直接分发同一个密钥来实现信息共享。通过比对我们发现，该方案相较于传统方案更为节约资源。综上所述，我们研究了基于反事实量子直接通讯协议的量子调控，量子测量，保密通讯网络等内容，取得了重要的成果。