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量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
二、量子通信理论由来
“1935年5月的一天早晨，爱因斯坦像往常一样准时来到普林斯顿高等研究院的办公室。他来普林斯顿小镇快两年了，已经熟悉并开始喜欢这个恬静的“室外桃园”。办公桌上放着他和助手波多尔斯基、罗森一起刚刚发表在《物理评论》上的论文。他拿起来看了看，脸上露出孩子般顽皮的微笑――这回他终于可以战胜老对手玻尔了。与此同时，在大西洋彼岸的哥本哈根大学玻尔研究所，爱因斯坦的文章立刻引起了物理学家玻尔的关注和不安。这对他来说简直是个晴天霹雳！玻尔立刻放下所有的工作，他说：‘我们必须睡在问题上。’爱因斯坦和玻尔是20世纪两位最伟大的物理学家，他们都为量子理论的建立做出了奠基性的贡献。然而，他们对于这个理论的含义却一直争论不休。这一争论被称为‘关于物理学灵魂的论战’。”――引自郭光灿院士《爱因斯坦的幽灵：量子纠缠之谜》。
郭光灿院士书中所指的“物理学灵魂”的论战，与“量子纠缠”现象有着莫大的关系。 在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠。尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、驳倒爱因斯坦的实验论据
对EPR实验的验证始于1960年，在1980年终于获得有说服力的结果。这些是实验大多都是以光子来做为自旋关联。主要是利用院子的级联辐射，选择出光子动量为0的情形。1982年，法国物理学家艾伦•爱斯派克特（Alain Aspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantum entanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。
四、突破传统的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。在量子通信系统中，共享信息的两个人必须共享几乎一致的两个成对产生并永远缠结在一起的光子。一旦信息被带到第一个光子上，它将会消失并重现在第二个光子上，以实现不加外力方式传输信息。不加外力传输的概念是以量子物理学为基础的，它所使用的是具有波、粒两重性但没有电荷和质量的光子，而不是常规使用的电子。在量子通信中，报文是以不加外力传输方式传输的。不加外力传输方式就是使信息在一个地方消失，从而使其能在另一个地方出现的过程。它不需要通过空中、太空或线路传输。在这一过程中，发送者与接收者共享所需光子的数量，决于所发送报文的长度。在量子通信中，由于光子只能成对产生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一个发送者和一个接收者之间进行。如果接收者需要将报文传送给其他人，则每次必须共享和使用缠结在一起的新的一对光子。因此，量子网络必须一个链路一个链路地建立。
利用量子信息技术之一量子密码术，可实其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。
五、量子通信的发展状况
量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。
为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科技大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。
量子密钥分发是最先有望实用化的量子信息技术，它可以带来绝对安全的信息传输方式，因此，科学家们一直致力于全球化量子密钥分发的研究。而要实现全球化量子密钥分发网络，人们需要突破距离的限制。目前，由于光纤损耗和探测器的不完美性等因素的限制，以光纤为信道的量子密钥分发的距离已基本到达极限，而由于地球曲率和远距可视等条件的限制，地面间自由空间的量子密钥分发也很难实现更远的距离，因此，要实现更远距离的甚至是全球任意两点的量子密钥分发，基于低轨道卫星的量子密钥分发是最具潜力和可行性的方案。而要实现这个方案，则需要克服大气层的传输损耗、量子信道效率、背景噪音等诸多问题。
为了克服星地量子密钥分发的上述困难，中科院协同创新团队在中国科大上海研究院、中科院上海技物所和光电技术研究所进行了多年的合作技术攻关，自主研制了高速诱骗态量子密钥分发光源和轻便的收发整机，自主发展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰减链路下的高信噪比及低误码率单光子探测等关键技术。在此基础上，协同创新团队利用旋转平台来模拟低轨道卫星的角速度和角加速度；利用热气球来模拟随机振动和卫星姿态；利用百公里地面自由空间信道来模拟星地之间高衰减链路信道，从而成功地验证了星地之间安全量子信道的可行性。
据了解，该研究为我国通过发射量子科学实验卫星，实现基于星地量子通信的全球化量子网络和在大尺度量子理论基础检验，以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论，奠定了必要的技术基础。这是继去年实验实现拓扑量子纠错和百公里自由空间量子态隐形传输与纠缠分发后，中科院量子科技先导专项取得的又一阶段性重要突破，同时也是量子信息与量子科技前沿协同创新中心的最新重要成果。
中国科学家成功破译H5N1分子机制
新华网消息，中国科学家在美国《科学》杂志网络版上报告说，他们“破译”了H5N1禽流感病毒感染人的分子机制，这一发现对防止禽流感病毒扩散具有重要意义。
此前科学家已经知道禽流感病毒可以感染人，并确认病毒表面一种名为血凝素（HA）蛋白的突变，让禽流感病毒能够通过空气在雪貂之间传播，但科学家一直不了解完成这一过程的分子机制。
中国科学院病原微生物与免疫学重点实验室的研究人员借助蛋白质大分子晶体学研究方法，微观研究了HA蛋白与相关受体的结构。他们发现，一旦HA蛋白发生某种结构变化，其受体结合特性就会从禽类变成人类。
中图分类号:TP 183 文献标志码:A 文章编号: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 量子信息时代
量子信息技术的研究对象是实现量子态的相干叠加并对其进行有效处理、传输和存储，以创建新一代高性能的、安全的计算机和通信系统.量子通信和量子计算的理论基础是量子物理学.量子信息科学技术是在20世纪末期发展起来的新学科，预计在21世纪将有大的发展［1］.
量子有许多经典物理所没有的奇妙特性.量子的纠缠态就是其中突出的一个.原来存在相互作用、以后不再有相互作用的2个量子系统之间存在瞬时的超距量子关联，这种状态被称为量子纠缠态［1］.
量子的另一个奇妙特性是量子通信具有保密特性.这是因为量子态具有测不准和不可克隆的属性，根据这种属性除了合法的收发信人之外的任何人窃取信息，都将破坏量子的状态.这样，窃取者不仅得不到信息，而且窃取行为还会被发现，从而使量子通信具有保密的特性.目前，量子保密通信比较成熟的技术是，利用量子器件产生随机数作为密钥，再利用量子通信分配密钥，最后按传统的“一次一密”方式加密.量子纠缠态的超距作用预示，如果能够利用量子纠缠态进行通信，将获得超距和超高速通信.
量子计算机是一种以量子物理实现信息处理的新型计算机.奇妙的是量子计算具有天然的并行性.n量子位的量子计算机的一个操作能够处理2n个状态，具有指数级的处理能力，所以可以用多项式时间解决一些指数复杂度的问题.这就使得一些原来在电子计算机上无法解决的困难问题，在量子计算机上却是可以解决的.
2 量子计算机对现有密码提出严重挑战
针对密码破译的量子计算机算法主要有以下2种.
第1种量子破译算法叫做Grover算法［3］.这是贝尔实验室的Grover在1996年提出的一种通用的搜索破译算法，其计算复杂度为O(N).对于密码破译来说，这一算法的作用相当于把密码的密钥长度减少到原来的一半.这已经对现有密码构成很大的威胁，但是并未构成本质的威胁，因为只要把密钥加长1倍就可以了.
第2种量子破译算法叫做Shor算法［4］.这是贝尔实验室的Shor在1997年提出的在量子计算机上求解离散对数和因子分解问题的多项式时间算法.利用这种算法能够对目前广泛使用的RSA、ECC公钥密码和DH密钥协商体制进行有效攻击.对于椭圆曲线离散对数问题，Proos和Zalka指出：在N量子位(qbit)的量子计算机上可以容易地求解k比特的椭圆曲线离散对数问题［7］，其中N≈5k+8(k)1/2+5log 2k.对于整数的因子分解问题，Beauregard指出：在N量子位的量子计算机上可以容易地分解k比特的整数［5］，其中N≈2k.根据这种分析，利用1448qbit的计算机可以求解256位的椭圆曲线离散对数，因此也就可以破译256位的椭圆曲线密码，这可能威胁到我国第2代身份证的安全.利用2048qbit的计算机可以分解1024位的整数，因此也就可以破译1024位的RSA密码，这就可能威胁到我们电子商务的安全
Shor算法的攻击能力还在进一步扩展，已从求广义解离散傅里叶变换问题扩展到求解隐藏子群问题(HSP)，凡是能归结为HSP的公钥密码将不再安全.所以，一旦量子计算机能够走向实用，现在广泛应用的许多公钥密码将不再安全，量子计算机对我们的密码提出了严重的挑战.
3 抗量子计算密码的发展现状
抗量子计算密码（Resistant Quantum Computing Cryptography）主要包括以下3类：
第1类，量子密码；第2类，DNA密码；第3类是基于量子计算不擅长计算的那些数学问题所构建的密码.
量子保密的安全性建立在量子态的测不准与不可克隆属性之上，而不是基于计算的［1,6］.类似地，DNA密码的安全性建立在一些生物困难问题之上，也不是基于计算的［7-8］.因此，它们都是抗量子计算的.由于技术的复杂性，目前量子密码和DNA密码尚不成熟.
第3类抗量子计算密码是基于量子计算机不擅长的数学问题构建的密码.基于量子计算机不擅长计算的那些数学问题构建密码，就可以抵御量子计算机的攻击.本文主要讨论这一类抗量子计算密码［9］.
所有量子计算机不能攻破的密码都是抗量子计算的密码.国际上关于抗量子计算密码的研究主要集中在以下4个方面.
3.1 基于HASH函数的数字签名
1989年Merkle提出了认证树签名方案(MSS)［10］. Merkle 签名树方案的安全性仅仅依赖于Hash函数的安全性.目前量子计算机还没有对一般Hash函数的有效攻击方法, 因此Merkle签名方案具有抗量子计算性质.与基于数学困难性问题的公钥密码相比,Merkle签名方案不需要构造单向陷门函数,给定1个单向函数(通常采用Hash函数)便能造1个Merkle签名方案.在密码学上构造1个单向函数要比构造1个单向陷门函数要容易的多,因为设计单向函数不必考虑隐藏求逆的思路, 从而可以不受限制地运用置换、迭代、移位、反馈等简单编码技巧的巧妙组合,以简单的计算机指令或廉价的逻辑电路达到高度复杂的数学效果.新的Hash标准SHA-3［11］的征集过程中,涌现出了许多新的安全的Hash函数,利用这些新的Hash算法可以构造出一批新的实用Merkle签名算法.
Merkle 签名树方案的优点是签名和验证签名效率较高，缺点是签名和密钥较长,签名次数受限.在最初的Merkle签名方案中, 签名的次数与需要构造的二叉树紧密相关.签名的次数越多,所需要构造的二叉树越大,同时消耗的时间和空间代价也就越大.因此该方案的签名次数是受限制的.近年来,许多学者对此作了广泛的研究,提出了一些修改方案，大大地增加了签名的次数, 如CMSS方案［12］、GMSS方案［13］、DMSS方案等［14］.Buchmann, Dahmen 等提出了XOR树算法［12,15］,只需要采用抗原像攻击和抗第2原像攻击的Hash函数,便能构造出安全的签名方案.而在以往的Merkle签名树方案中,则要求Hash函数必须是抗强碰撞的.这是对原始Merkle签名方案的有益改进.上述这些成果,在理论上已基本成熟,在技术上已基本满足工程应用要求, 一些成果已经应用到了Microsoft Outlook 以及移动路由协议中［16］.
虽然基于Hash函数的数字签名方案已经开始应用，但是还有许多问题需要深入研究.如增加签名的次数、减小签名和密钥的尺寸、优化认证树的遍历方案以及如何实现加密和基于身份的认证等功能，均值得进一步研究.
3.2 基于纠错码的公钥密码
基于纠错码的公钥密码的基本思想是: 把纠错的方法作为私钥, 加密时对明文进行纠错编码，并主动加入一定数量的错误, 解密时运用私钥纠正错误, 恢复出明文.
McEliece利用Goppa码有快速译码算法的特点, 提出了第1个基于纠错编码的McEliece公钥密码体制［17］.该体制描述如下, 设G是二元Goppa码［n;k;d］的生成矩阵,其中n=2h;d=2t+1;k=n-ht,明密文集合分别为GF(2)k和GF(2)n.随机选取有限域GF(2)上的k阶可逆矩阵S和n阶置换矩阵P,并设G′=SGP,则私钥为,公钥为G′.如果要加密一个明文m∈GF(2)k,则计算c=mG′+z,这里z∈GF(2)n是重量为t的随机向量.要解密密文c, 首先计算cP-1=mSGPP-1+zP-1=mSG+zP-1,由于P是置换矩阵, 显然z与zP-1的重量相等且为t,于是可利用Goppa的快速译码算法将cP-1译码成m′= mS,则相应明文m= m′S-1.
1978年Berlekamp等证明了一般线性码的译码问题是NPC问题［18］，McEliece密码的安全性就建立在这一基础上.McEliece密码已经经受了30多年来的广泛密码分析,被认为是目前安全性最高的公钥密码体制之一.虽然McEliece 公钥密码的安全性高且加解密运算比较快, 但该方案也有它的弱点, 一是它的公钥尺寸太大，二是只能加密不能签名.
1986年Niederreiter提出了另一个基于纠错码的公钥密码体制［19］. 与McEliece密码不同的是它隐藏的是Goppa码的校验矩阵.该系统的私钥包括二元Goppa码［n;k;d］的校验矩阵H以及GF(2)上的可逆矩阵M和置换矩阵P.公钥为错误图样的重量t和矩阵H′=MHP.假如明文为重量为t 的n 维向量m, 则密文为c=mH′T .解密时,首先根据加密表达式可推导出z(MT )-1=mPTHT,然后通过Goppa码的快速译码算法得到mPT,从而可求出明文m .1994年我国学者李元兴、王新梅等［20］证明了Niederreiter密码与McEliece密码在安全性上是等价的.
McEliece密码和Niederreiter密码方案不能用于签名的主要原由是,用Hash算法所提取的待签消息摘要向量能正确解码的概率极低.2001年Courtois等提出了基于纠错码的CFS签名方案［21］.CFS 签名方案能做到可证明安全, 短签名性质是它的最大优点. 其缺点是密钥量大、签名效率低，影响了其实用性.
因此, 如何用纠错码构造一个既能加密又签名的密码, 是一个相当困难但却非常有价值的开放课题.
3.3 基于格的公钥密码
近年来,基于格理论的公钥密码体制引起了国内外学者的广泛关注.格上的一些难解问题已被证明是NP难的，如最短向量问题(SVP)、最近向量问题(CVP)等.基于格问题建立公钥密码方案具有如下优势:①由于格上的一些困难性问题还未发现量子多项式破译算法，因此我们认为基于格上困难问题的密码具有抗量子计算的性质.②格上的运算大多为线性运算,较RSA等数论密码实现效率高,特别适合智能卡等计算能力有限的设备.③根据计算复杂性理论,问题类的复杂性是指该问题类在最坏情况下的复杂度.为了确保基于该类困难问题的密码是安全的，我们希望该问题类的平均复杂性是困难的，而不仅仅在最坏情况下是困难的.Ajtai在文献［22］中开创性地证明了:格中一些问题类的平均复杂度等于其最坏情况下的复杂度.Ajtai和Dwork利用这一结论设计了AD公钥密码方案［23］.这是公钥密码中第1个能被证明其任一随机实例与最坏情况相当.尽管AD公钥方案具有良好的安全性, 但它的密钥量过大以及实现效率太低、而缺乏实用性.
1996年Hoffstein、Pipher和Silverman提出NTRU(Number Theory Research Unit)公钥密码［24］. 这是目前基于格的公钥密码中最具影响的密码方案.NTRU的安全性建立在在一个大维数的格中寻找最短向量的困难性之上.NTRU 密码的优点是运算速度快，存储空间小.然而, 基于NTRU的数字签名方案却并不成功.
2000年Hoffstein等利用NTRU格提出了NSS签名体制［25］, 这个体制在签名时泄露了私钥信息,导致了一类统计攻击,后来被证明是不安全的.2001年设计者改进了NSS 体制,提出了R-NSS 签名体制［26］,不幸的是它的签名仍然泄露部分私钥信息.Gentry 和Szydlo 结合最大公因子方法和统计方法,对R-NSS 作了有效的攻击.2003年Hoffstein等提出了NTRUSign数字签名体制［27］.NTRUSign 签名算法较NSS与R-NSS两个签名方案做了很大的改进,在签名过程中增加了对消息的扰动, 大大减少签名中对私钥信息的泄露, 但却极大地降低了签名的效率, 且密钥生成过于复杂.但这些签名方案都不是零知识的,也就是说,签名值会泄露私钥的部分相关信息.以NTRUSign 方案为例,其推荐参数为(N;q;df;dg;B;t;N)= (251;128;73;71;1;"transpose";310),设计值保守推荐该方案每个密钥对最多只能签署107 次,实际中一般认为最多可签署230次.因此，如何避免这种信息泄露缺陷值得我们深入研究.2008 年我国学者胡予濮提出了一种新的NTRU 签名方案［28］，其特点是无限制泄露的最终形式只是关于私钥的一组复杂的非线性方程组，从而提高了安全性.总体上这些签名方案出现的时间都还较短，还需要经历一段时间的安全分析和完善.
由上可知，进一步研究格上的困难问题，基于格的困难问题设计构造既能安全加密又能安全签名的密码，都是值得研究的重要问题.
3.4 MQ公钥密码
MQ公钥密码体制, 即多变量二次多项式公钥密码体制(Multivariate Quadratic Polynomials Public Key Cryptosystems).以下简称为MQ密码.它最早出现于上世纪80年代,由于早期的一些MQ密码均被破译,加之经典公钥密码如RSA算法的广泛应用,使得MQ公钥算法一度遭受冷落.但近10年来MQ密码的研究重新受到重视,成为密码学界的研究热点之一.其主要有3个原因:一是量子计算对经典公钥密码的挑战;二是MQ密码孕育了代数攻击的出现［29-31］,许多密码(如AES)的安全性均可转化为MQ问题,人们试图借鉴MQ密码的攻击方法来分析这些密码,反过来代数攻击的兴起又带动了MQ密码的蓬勃发展;三是MQ密码的实现效率比经典公钥密码快得多.在目前已经构造出的MQ密码中, 有一些非常适用于智能卡、RFID、移动电话、无线传感器网络等计算能力有限的设备, 这是RSA等经典公钥密码所不具备的优势.
MQ密码的安全性基于有限域上的多变量二次方程组的难解性.这是目前抗量子密码学领域中论文数量最多、最活跃的研究分支.
设U、T 是GF(q)上可逆线性变换(也叫做仿射双射变换),而F 是GF(q)上多元二次非线性可逆变换函数,称为MQ密码的中心映射.MQ密码的公钥P为T 、F 和U 的复合所构成的单向陷门函数,即P = T•F•U,而私钥D 由U、T 及F 的逆映射组成,即D = {U -1; F -1; T -1}.如何构造具有良好密码性质的非线性可逆变换F是MQ密码设计的核心.根据中心映射的类型划分,目前MQ密码体制主要有:Matsumoto-Imai体制、隐藏域方程(HFE) 体制、油醋(OV)体制及三角形(STS)体制［32］.
1988年日本的Matsumoto和Imai运用"大域-小域"的原理设计出第1个MQ方案,即著名的MI算法［33］.该方案受到了日本政府的高度重视,被确定为日本密码标准的候选方案.1995年Patarin利用线性化方程方法成功攻破了原始的MI算法［34］.然而,MI密码是多变量公钥密码发展的一个里程碑,为该领域带来了一种全新的设计思想,并且得到了广泛地研究和推广.改进MI算法最著名的是SFLASH签名体制［35］,它在2003年被欧洲NESSIE 项目收录,用于智能卡的签名标准算法.该标准签名算法在2007年美密会上被Dubois、Fouque、Shamir等彻底攻破［36］.2008年丁津泰等结合内部扰动和加模式方法给出了MI的改进方案［37-38］.2010年本文作者王后珍、张焕国也给出了一种SFLASH的改进方案［39-40］，改进后的方案可以抵抗文献［36］的攻击.但这些改进方案的安全性还需进一步研究.
1996年Patarin针对MI算法的弱点提出了隐藏域方程HFE(Hidden Field Equations)方案［41］.HFE可看作为是对MI的实质性改进.2003 年Faugere利用F5算法成功破解了HFE体制的Challenge-1［42］.HFE主要有2种改进算法.一是HFEv-体制,它是结合了醋变量方法和减方法改进而成,特殊参数化HFEv-体制的Quartz签名算法［43］.二是IPHFE体制［44］,这是丁津泰等结合内部扰动方法对HFE的改进.这2种MQ密码至今还未发现有效的攻击方法.
油醋(OilVinegar)体制［45］是Patarin在1997年利用线性化方程的原理,构造的一种MQ公钥密码体制.签名时只需随机选择一组醋变量代入油醋多项式,然后结合要签名的文件,解一个关于油变量的线性方程组.油醋签名体制主要分为3类:1997年Patarin提出的平衡油醋(OilVinegar)体制, 1999年欧密会上Kipnis、Patarin 和Goubin 提出的不平衡油醋(Unbalanced Oil and Vinegar)体制［46］以及丁津泰在ACNS2005会议上提出的彩虹(Rainbow)体制［47］.平衡的油醋体制中,油变量和醋变量的个数相等，但平衡的油醋体制并不安全.彩虹体制是一种多层的油醋体制,即每一层都是油醋多项式,而且该层的所有变量都是下一层的醋变量,它也是目前被认为是相对安全的MQ密码之一.
三角形体制是现有MQ密码中较为特殊的一类,它的签名效率比MI和HFE还快,而且均是在较小的有限域上进行.1999年Moh基于Tame变换提出了TTM 密码体制［48］,并在美国申请了专利.丁津泰等指出当时所有的TTM实例均满足线性化方程.Moh等随后又提出了一个新的TTM 实例,这个新的实例被我国学者胡磊、聂旭云等利用高阶线性化方程成功攻破［49］.目前三角形体制的设计主要是围绕锁多项式的构造、结合其它增强多变量密码安全性的方法如加减(plus-minus) 模式以及其它的代数结构如有理映射等.
我国学者也对MQ密码做了大量研究，取得了一些有影响的研究成果.2007年管海明引入单向函数链对MQ密码进行扩展,提出了有理分式公钥密码系统［50］.胡磊、聂旭云等利用高阶线性化方程成功攻破了Moh提出的一个TTM新实例［51］.2010年本文作者王后珍、张焕国给出了一种SFLASH的改进方案［39-40］.2010年王后珍、张焕国基于扩展MQ，设计了一种Hash函数［52-53］，该Hash函数具有一些明显的特点.同年，王后珍、张焕国借鉴有理分式密码单向函数链的思想［52］，对MQ密码进行了扩展，设计了一种新的抗量子计算扩展MQ密码［54］.这些研究对于扩展MQ密码结构，做了有益的探索.但是这些方案提出的时间较短，其安全性有待进一步分析.
根据上面的介绍,目前还没有一种公认安全的MQ公钥密码体制.目前MQ公钥密码的主要缺点是:只能签名,不能安全加密(加密时安全性降低)，公钥大小较长，很难设计出既安全又高效的MQ公钥密码体制.
3.5 小结
无论是量子密码、DNA密码，还是基于量子计算不擅长计算的那些数学问题所构建的密码，都还存在许多不完善之处，都还需要深入研究.
量子保密通信比较成熟的是，利用量子器件产生随机数作为密钥，再利用量子通信分配密钥，最后按“一次一密”方式加密.在这里，量子的作用主要是密钥产生和密钥分配，而加密还是采用的传统密码.因此，严格说这只能叫量子保密，尚不能叫量子密码.另外，目前的量子数字签名和认证方面还存在一些困难.
对于DNA密码，目前虽然已经提出了DNA传统密码和DNA公钥密码的概念和方案，但是理论和技术都还不成熟［9-10］.
对于基于量子计算不擅长计算的那些数学问题所构建的密码，现有的密码方案也有许多不足.如，Merkle树签名可以签名，不能加密；基于纠错码的密码可以加密，签名不理想；NTRU密码可以加密，签名不理想；MQ密码可以签名，加密不理想.这说明目前尚没有形成的理想的密码体制.而且这些密码的安全性还缺少严格的理论分析.
总之，目前尚未形成理想的抗量子密码.
4 我们的研究工作
我们的研究小组从2007年开始研究抗量子计算密码.目前获得了国家自然科学基金等项目的支持，并取得了以下2个阶段性研究成果.
4.1 利用多变量问题，设计了一种新的Hash函数
Hash 函数在数字签名、完整性校验等信息安全技术中被广泛应用.目前 Hash 函数的设计主要有3类方法:①直接构造法.它采用大量的逻辑运算来确保Hash函数的安全性. MD系列和SHA系列的Hash函数均是采用这种方法设计的.②基于分组密码的Hash 函数，其安全性依赖于分组密码的安全性.③基于难解性问题的构造法.利用一些难解性问题诸如离散对数、因子分解等来构造Hash 函数.在合理的假设下，这种Hash函数是可证明安全的，但一般来讲其效率较低.
我们基于多变量非线性多项式方程组的难解性问题，构造了一种新的Hash 函数［54-55］.它的安全性建立在多变量非线性多项式方程组的求解困难性之上.方程组的次数越高就越安全，但是效率就越低.它的效率主要取决多变量方程组的稀疏程度，方程组越稀疏效率就越高，但安全性就越低.我们可以权衡安全性和效率来控制多变量多项式方程组的次数和稠密度，以构造出满足用户需求的多变量Hash 函数.
4.2 对MQ密码进行了扩展，把Hash认证技术引入MQ密码，得到一种新的扩展MQ密码
扩展MQ密码的基本思想是对传统MQ密码的算法空间进行拓展. 如图1所示, 我们通过秘密变换L将传统MQ密码的公钥映G:GF(q)nGF(q)n, 拓展隐藏到更大算法空间中得到新的公钥映射G′:GF(q)n+δGF(q)n+μ, 且G′的输入输出空间是不对称的, 原像空间大于像空间(δ＞|μ|), 即具有压缩性, 但却并未改变映射G的可逆性质. 同时, 算法空间的拓展破坏了传统MQ密码的一些特殊代数结构性质, 从攻击者的角度, 由于无法从G′中成功分解出原公钥映射G, 因此必须在拓展空间中求解更大规模的非线性方程组G′, 另外, 新方案中引入Hash认证技术, 攻击者伪造签名时, 伪造的签名不仅要满足公钥方程G′、 还要通过Hash函数认证, 双重安全性保护极大地提升了传统MQ公钥密码系统的安全性. 底层MQ体制及Hash函数可灵活选取, 由此可构造出一类新的抗量子计算公钥密码体制.这种扩展MQ密码的特点是，既可安全签名，又可安全加密［56］.
我们提出的基于多变量问题的Hash函数和扩展MQ密码，具有自己的优点，也有自己的缺点.其安全性还需要经过广泛的分析与实践检验才能被实际证明.
5 今后的研究工作
5.1 量子信息论
量子信息建立在量子的物理属性之上，由于量子的物理属性较之电子的物理属性有许多特殊的性质，据此我们估计量子的信息特征也会有一些特殊的性质.这些特殊性质将会使量子信息论对经典信息论有一些新的扩展.但是，具体有哪些扩展，以及这些新扩展的理论体系和应用价值体现在哪里？我们尚不清楚.这是值得我们研究的重要问题.
5.2 量子计算理论
这里主要讨论量子可计算性理论和量子计算复杂性理论.
可计算性理论是研究计算的一般性质的数学理论.它通过建立计算的数学模型，精确区分哪些是可计算的，哪些是不可计算的.如果我们研究清楚量子可计算性理论，将有可能构造出量子计算环境下的绝对安全密码.但是我们目前对量子可计算性理论尚不清楚，迫切需要开展研究.
计算复杂性理论使用数学方法对计算中所需的各种资源的耗费作定量的分析，并研究各类问题之间在计算复杂程度上的相互关系和基本性质.它是密码学的理论基础之一，公钥密码的安全性建立在计算复杂性理论之上.因此，抗量子计算密码应当建立在量子计算复杂性理论之上.为此，应当研究以下问题.
1） 量子计算的问题求解方法和特点.量子计算复杂性建立在量子图灵机模型之上，问题的计算是并行的.但是目前我们对量子图灵机的计算特点及其问题求解方法还不十分清楚，因此必须首先研究量子计算问题求解的方法和特点.
2） 量子计算复杂性与传统计算复杂性之间的关系.与电子计算机环境的P问题、NP问题相对应, 我们记量子计算环境的可解问题为QP问题, 难解问题为QNP问题.目前人们对量子计算复杂性与传统计算复杂性的关系还不够清楚，还有许多问题需要研究.如NP与QNP之间的关系是怎样的？ NPC与QP的关系是怎样的？NPC与QNP的关系是怎样的？能否定义QNPC问题？这些问题关系到我们应基于哪些问题构造密码以及所构造的密码是否具有抗量子计算攻击的能力.
3） 典型难计算问题的量子计算复杂度分析.我们需要研究传统计算环境下的一些NP难问题和NPC问题，是属于QP还是属于QNP问题？
5.3 量子计算环境下的密码安全性理论
在分析一个密码的安全性时，应首先分析它在电子计算环境下的安全性，如果它是安全的，再进一步分析它在量子计算环境下的安全性.如果它在电子计算环境下是不安全的，则可肯定它在量子计算环境下是不安全的.
1） 现有量子计算攻击算法的攻击能力分析.我们现在需要研究的是Shor算法除了攻击广义离散傅里叶变换以及HSP问题外，还能攻击哪些其它问题？如果能攻击，攻击复杂度是多大？
2) 寻找新的量子计算攻击算法.因为密码的安全性依赖于新攻击算法的发现.为了确保我们所构造的密码在相对长时间内是安全的，必须寻找新的量子计算攻击算法.
3) 密码在量子计算环境下的安全性分析.目前普遍认为, 基于格问题、MQ问题、纠错码的译码问题设计的公钥密码是抗量子计算的.但是，这种认识尚未经过量子计算复杂性理论的严格的论证.这些密码所依赖的困难问题是否真正属于QNP问题？这些密码在量子计算环境下的实际安全性如何？只有经过了严格的安全性分析，我们才能相信这些密码.
5.4 抗量子计算密码的构造理论与关键技术
通过量子计算复杂性理论和密码在量子计算环境下的安全性分析的研究，为设计抗量子计算密码奠定了理论基础，并得到了一些可构造抗量子计算的实际困难问题.但要实际设计出安全的密码，还要研究抗量子计算密码的构造理论与关键技术.
1) 量子计算环境下的单向陷门设计理论与方法.理论上，公钥密码的理论模型是单向陷门函数.要构造一个抗量子计算公钥密码首先就要设计一个量子计算环境下的单向陷门函数.单向陷门函数的概念是简单的，但是单向陷门函数的设计是困难的.在传统计算复杂性下单向陷门函数的设计已经十分困难，我们估计在量子计算复杂性下单向陷门函数的设计将更加困难.
2） 抗量子计算密码的算法设计与实现技术.有了单向陷门函数，还要进一步设计出密码算法.有了密码算法，还要有高效的实现技术.这些都是十分重要的问题.都需要认真研究才能做好.
6 结语
量子计算时代我们使用什么密码，是摆在我们面前的重大战略问题.研究并建立我国独立自主的抗量子计算密码是我们的唯一正确的选择.本文主要讨论了基于量子计算机不擅长计算的数学问题所构建的一类抗量子计算的密码，介绍了其发展现状，并给出了进一步研究的建议.
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2.考虑电力通信网可靠性的业务路由优化分配方法
3.广域后备保护通信模式及其性能评估
4.卫星通信的近期发展与前景展望
5.空间激光通信研究现状及发展趋势
6.现代化矿井通信技术与系统
7.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展
8.智能变电站通信网络状态监测信息模型及配置描述
9.信息与通信地理学的学科性质、发展历程与研究主题
10.构建新一代智能配用电通信网建议
11.基于EPOCHS平台的智能配电网通信系统仿真
12.电力通信网脆弱性分析
13.通信电台电磁辐射效应机理
14.4G通信技术综述
15.电力和信息通信系统混合仿真方法综述
16.面向智能电网的配用电通信网络研究
17.基于SDH光网络的分层区域式保护通信系统的可靠性研究
18.调度与变电站一体化系统链路状态监测与TCP通信方案
19.煤矿事故特点与煤矿通信、人员定位及监视新技术
20.Tor匿名通信流量在线识别方法
21.煤矿安全生产监控与通信技术
22.配电通信网业务断面流量分析方法
23.光纤通信概述
24.电力通信及其在智能电网中的应用
25.WAMS通信业务的系统有效性建模与仿真
26.基于API的Win32串口通信编程技术
27.第五代移动通信网络体系架构及其关键技术
28.量子通信现状与展望
29.配电网EPON通信接入与分区自治
30.基于业务的电力通信网风险评价方法
31.移动通信技术扩散的实证研究:基于中国1990-2012年的统计数据
32.基于IPv6的电力线载波通信分片独立的重传机制
33.空间激光通信捕获、对准、跟踪系统动态演示实验
34.基于时频峰值滤波的电力线通信噪声消除方法
35.通信网络能耗分析与节能技术应用
36.“日盲”紫外光通信网络中节点覆盖范围研究
37.基于压缩感知的脉冲同步的混沌保密通信系统
38.浅谈4G移动通信系统的关键技术与发展
39.量子安全直接通信
40.一种继电保护故障信息系统在线通信报文分析工程方案
41.光纤通信的发展趋势及应用
42.智能配电网通信组网技术研究及应用
43.基于空间激光通信组网四反射镜动态对准研究
44.运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学
45.浅谈超宽带无线通信技术的发展
46.5G移动通信发展趋势与若干关键技术
47.SM2加密体系在智能变电站站内通信中的应用
48.现代信息安全与混沌保密通信应用研究的进展
49.中美4G移动通信技术专利信息比较研究
50.卫星激光通信现状与发展趋势
51.VC中应用MSComm控件实现串口通信
52.青海—西藏交直流联网工程输电线路在线监测通信网络设计与应用
53.移动通信网络中的协作通信
54.空间激光通信组网光学原理研究
55.计算机技术在通信中的应用研究
56.面向5G无线通信系统的关键技术综述
57.基于C8051F020单片机的RS485串行通信设计
58.智能变电站过程层网络报文特性分析与通信配置研究
59.基于业务风险均衡度的电力通信网可靠性评估算法
60.基于4G通信技术的无线网络安全通信分析
61.无线激光通信系统弱光干扰技术
62.基于SJA1000的CAN总线通信系统的设计
63.10kV电力线载波通信自动组网算法
64.数控系统现场总线可靠通信机制的研究
65.基于WiFi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究
66.机载激光通信系统发展现状与趋势
67.软件定义的能源互联网信息通信技术研究
68.一点对多点同时空间激光通信光学跟瞄技术研究
69.开放式自动需求响应通信规范的发展和应用综述
70.兆瓦(MW)级海岛微电网通信网络架构研究及工程应用
71.带通信约束的多无人机协同搜索中的目标分配
72.基于信道认知在线可定义的电力线载波通信方法
73.一种基于混沌系统部分序列参数辨识的混沌保密通信方法
74.智能配电网无线传感器网络数据通信的QoS-MAC层模型
75.无线紫外光散射通信中多信道接入技术研究
76.水下无线通信技术发展研究
77.深空、自由空间、非可视散射和水下激光光子通信
78.基于光电反馈延迟的多点耦合混沌同步和通信
79.面向异步通信机制的无线传感器网络及其MAC协议研究
80.不可靠通信环境下无线传感器网络最小能耗广播算法
81.中间环节市场结构与价值链治理者的决定——以2G和3G时代中国移动通信产业为例
82.基于IEEE802.11p高速车路通信环境研究
83.太赫兹通信技术的研究与展望
84.一种分布式电源并网监控通信适应性评价方法
85.不同耦合方式和耦合强度对电力-通信耦合网络的影响
86.太赫兹通信技术研究进展
87.低压电力线通信网络特性模型与组网算法
88.基于LabVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信
89.联盟网络的小世界性对企业创新影响的实证研究——基于中国通信设备产业的分析
90.基于共享内存的Xen虚拟机间通信的研究
91.考虑通信系统影响的电力系统综合脆弱性评估
92.猫眼逆向调制自由空间激光通信技术的研究进展
93.扩频通信技术浅谈
94.基于信息熵的电力通信网脆弱性评价方法
95.安全高效矿井通信系统技术要求
96.无线紫外光非直视通信信道容量估算与分析
97.基于高能效无线接入网的绿色无线通信关键技术研究
2016年1月8日，潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授组成的5人团队获得了2015年度国家自然科学一等奖，并在人民大会堂接受颁奖。5位老师均来自中国科学技术大学，他们是该奖项历史上最年轻的获奖团队，其中潘建伟、彭承志、陈增兵3位老师为70后，而陈宇翱和陆朝阳两位老师为80后。
国家自然科学一等奖是中国自然科学领域的最高奖项，很多耳熟能详的老一辈科学家都名列其中。但是因2014年获奖的“透明计算”存在较大争议，2015年急需一个众望所归的团队来重新树立该奖项的声誉。恰好2015年初潘院士团队作为最大热门参加了该奖项的评选，并最终毫无悬念地获奖。
这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠，这是利用光子做量子比特传送和量子计算的必要前提;而“干涉”就是实验上实现多光子纠缠的手段。潘建伟院士团队在量子通信和量子计算等多个方向上都取得了世界领先的科研成果，“多光子纠缠和干涉度量学”就作为其核心研究内容之一，贯穿始终。
潘建伟院士的团队是世界上量子信息研究的领军者之一，在量子通信领域更是世界最强。与以往的历届国家自然科学一等奖相比，潘建伟团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃。截止到2015年，该团队成果3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”，2次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”。2015年年末更是被物理世界网站（Physics world）评选为“2015年世界物理学十大进展”第一名，这在中国物理学界史无前例。
量子纠缠
介绍“多光子纠缠和干涉度量学”，首先需要介绍一下什么是量子纠缠。量子力学中最神秘的就是叠加态，而量子纠缠就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，同时另一个粒子B也可以处于叠加态，当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，即纠缠态：无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态;反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
随着量子信息学的诞生，量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究，它已经成为量子信息科技的核心：例如，利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态，可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。
多光子纠缠和干涉度量学
“多光子纠缠和干涉度量学”就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。如果这种把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加，扩展到更多的光子，就可以形成更多光子的纠缠。针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求，纠缠的光子数自然是越多越好。但是随着产生纠缠的光子数越多，干涉和测量的系统也就越复杂，实验难度也就越大。
潘建伟团队从2004年开始，通过在国际上原创的多光子干涉和测量技术，一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠，2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠，2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠，并且保持该纪录至今。
每增加一个纠缠光子，光学干涉系统就要复杂一倍，纠缠产生的难度会随着光子数呈指数上升。这个8光子纠缠光路就像“潘神的迷宫”一样复杂，精巧，困难重重，但又引人入胜。
量子计算的应用
1. 量子叠加态的计算魅力。在经典物理学中，物质在确定的时刻仅有确定的一个状态。量子力学则不同，物质会同时处于不同的量子态上。因为处于叠加态，这就意味着，量子计算一次运算就可以处理210=1024个数（从0到1023被同时处理一遍）。以此类推，量子计算的速度与量子比特数是2的指数增长关系。一个64位的量子计算机一次运算就可以同时处理264=18446744073709551616个数。如果单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别（1GHz），那么这个64位量子计算机的数据处理速度将是世界上最快的“天河二号”超级计算机（每秒33.86千万亿次）的545万亿倍。
量子力学叠加态赋予了量子计算机真正意义上的“并行计算”，而不像经典计算机一样只能并列更多的CPU来并行。因此在大数据处理技术需求强烈的今天，量子计算机越来越获得互联网巨头们的重视。
2. 肖尔算法――RSA加密技术的终结者。1985年，牛津大学的物理学家戴维・德意志提出了量子图灵机模型的概念。随后贝尔实验室的彼得・肖尔于1995年提出了量子计算的第一个解决具体问题的思路，即肖尔因子分解算法。
我们今天在互联网上输入的各种密码，都会用到RSA算法加密。这种技术用一个很大的数的两个质数因子生成密钥，给密码加密，从而安全地传输密码。由于这个数很大，用目前经典计算机的速度算出它的质数因子几乎是不可能的任务。但利用量子计算的并行性，肖尔算法可以在很短的时间内通过遍历算法来获得质数因子，从而破解掉密钥，使RSA加密技术不堪一击。
量子计算机会终结任何依靠计算复杂度的加密技术，但这不意味着从此我们会失去信息安全的保护。量子计算的孪生兄弟――量子通信，会从根本上解决信息传输的安全隐患。
3. 格罗弗算法――未来的搜索引擎。肖尔算法提出一年后的1996年，同在贝尔实验室的洛夫・格罗弗提出了格罗弗算法，即通过量子计算的并行能力，同时给整个数据库做变换，用最快的步骤显示出需要的数据。
量子计算的格罗弗搜索算法远远超出了经典计算机的数据搜索速度，这也是互联网巨头们对量子计算最大的关注点之一。量子信息时代的搜索引擎将植根于格罗弗算法，让我们更快捷地获取信息。
1纳米导线激光器
2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器-纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是"培养"纳米导线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。
2紫外纳米激光器
继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生Zn蒸汽，再将Zn蒸汽输运到衬底上，在2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，ZnO纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm~150nm，其大部分（95％）直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用Nd:YAG激光器（266nm波长，3ns脉宽）的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过ZnO纳米线的阈值（约为40kW／cm）时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。
3.1量子线激光器
近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km（50mile）安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱（中继器）。
3.2量子点激光器
由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子，日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决，开关速度不高，偶然的电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。
4微腔激光器
微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一，它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术，具有高集成度、低噪声的特点，其功耗低的特点尤为显著，100万个激光器同时工作，功耗只有5W。该激光器主要的类型就是微碟激光器，即一种形如碟型的微腔激光器，最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟，园碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后沿着它的边缘折射，这种激光器的工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100μA的电流。
长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半导体研究所从经典量子电动力学理论出发研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反应离子刻蚀和选择化学腐蚀等微细加工技术制备出直径为9.5μm、低温光抽运InGaAs／InGaAsP多量子阱碟状微腔激光器。它在光通讯、光互联和光信息处理等方面有着很好的应用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：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
卫星导航定位技术以天基人造卫星为基本平台，能够为全球海、陆、空、天各类军民用载体提供全天候、二十四小时连续不间断的高精度三维位置、速度和时间信息。目前技术成熟的卫星导航定位系统，包括美国的全球定位系统（Global Position System，GPS），欧洲导航定位卫星系统，我国的北斗导航系统，广泛应用于交通导航、卫星授时应用、应急指挥、民用水情测报服务等，发挥了非常重要的作用。
虽然GPS在导航定位领域获得了前所未有的成功，但仍然存在以下几个方面的问题。
（1）定位精度仍然不够高，系统体制仍存在着物理极限。因为GPS定位的原理是通过重复地向空间发射电磁波信号，检测电磁波到达待测点的时间延迟来实现的，这种以经典物理学为基础的方法受到所能实现的可利用功率及带宽的限制，其测量精度很难获得进一步的提高。此外，电磁波信号受到电离层和对流层的干扰，特别在城市、山区等复杂自然环境下，由于高层建筑、树木等对信号的影响，会导致信号的非直线传播，从而使得不同环境下的导航效果具有比较大的差异。
（2）保密性较差，美国斯坦福大学设立有一个专业实验室，主要截获并分析全球所有的卫星信号，华裔学者Grace Xingxin Gao在2008年的博士论文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，较为详细地阐述了卫星信号的跟踪与破译方法，虽然不能确信是否能够破译所有的伪随机码，但至少是可以部分破译的。
（3）抗干扰能力差，与其他传感器系统相比，GPS信号强度很弱，因此更加容易受到电磁干扰，使基于GPS的导航系统存在稳定性漏洞。
由于存在着这些缺陷，美国投入巨资完善并发展GPS系统。基于量子技术的量子定位系统（Quantum Positioning System， QPS）作为一种定位精度高、保密性能强的导航定位技术，就是其发展重点之一。量子定位的概念最先是由美国麻省理工学院研究人员于2001年提出，其与传统定位系统的本质区别在于所采用信号的不同。传统定位如GPS系统采用的是基于重复发送电磁波脉冲测量信号达到时间，通过计算得到距离信息，而量子定位系统采用的是具有量子特性的光子脉冲。利用光子的微观量子特性，如量子纠缠和量子压缩态，量子定位系统就能够超越经典测量中能量、带宽和精度的限制，精度可接近海森堡测不准原理所限定的物理极限。
1 量子定位技术的关键技术
1.1 量子定位系统的原理
量子定位技术利用具有量子特性的激光脉冲，取代传统GPS的微波信号来实现精确定位。区别于微波信号的长波长波束覆盖宽，激光的波长很短指向性很高，卫星与用户间的传统同步方法不再适用。因此量子定位系统的定位不应是取代现有GPS，而是与GPS相结合，实现安全高精度的定位目的。通过对量子定位技术原理的研究与优选，提出具有实用性的量子定位系统体系架构以及面向用户的应用模式，才能将量子定位系统推广应用。
量子定位系统由量子纠缠态光源、HOM干涉测量部分以及系统控制部分组成，其基本原理与关键特性如下。
（1）高性能量子纠缠态光源。在光与非线性晶体相互作用的过程中，能够产生一种非线性光学效应，这种效应一对低频率光子具有很强的量子纠缠、关联和非定域特性，可实现时间和空间上的高精度测量。作为光源，光子纠缠态的纠缠纯度、退相干时间对系统性能将产生巨大的影响。
（2）高稳定HOM干涉测量与处理。在量子力学的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于双光子的纠缠特性，干涉是不可区分的双光子整体态。当两个光子在时域上同时到达分束片上时，双光子态不可区分，此时干涉出现，两个探测器的计数出现强的反关联。反之，当我们改变一条链路中的延时，致使复合计数出现强的反关联时，即可知道此时两个光子在时域上不可区分。这正是利用HOM干涉实现量子定位系统的基本原理。
（3）高精度ATP与时间同步技术：在单组基线的系统中，需通过改变可控反射模块来实现基线与待测点r0之间建立稳定的光链路。二者的精确指向将影响到最终定位的精度，因此对反射模块的反射角度需要进行反馈控制。在利用参考光实现对于待测点ATP（获取、跟踪、瞄准）之后，定位过程将通过精密调整延时并观测探测器的复合计数来实现。
1.2 量子定位系统与量子保密通信的结合技术
原理上，量子定位系统与量子保密通信都是基于量子纠缠态的分发与后处理。因此，在同一套系统中实现两种功能具有可行性。研究在量子定位过程中引入量子保密通信的技术，实现对交互信息的保密处理，提高量子定位系统的安全性。两者相结合，能够充分发挥量子定位系统技术优势的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未来量子定位系统的一个应用方向。
1.3 大气、重力场环境的干扰校正技术
与GPS类似，为了实现宽覆盖、全天候工作，星载平台将是未来量子定位系统走向实用化的最佳平台。对于LEO低轨卫星等自由空间传输的星地链路而言，大气的损耗、湍流、散射，重力场对于授时的影响都是系统中必须考虑的因素，必须通过对环境的建模与仿真，分析对信息传输链路的影响，以实现量子定位系统的校正。
2 量子定位技术的发展前景
量子定位技术作为一种不同于传统GPS的新型精确定位技术，是量子光学和通信导航技术相融合的典范。这项技术的深入研究，能为下一代高精度导航系统提供量子水平的定位精度。特别是在以下两个方面。
（1）量子定位系统技术理论和工程实现将促进电子信息系统进入量子时代。
随着信息化社会的发展，未来将逐步进入量子的时代。在量子领域的实用化进程中，高性能、大规模的量子设备（如星地量子保密通信、量子计算处理芯片、高性能纠缠源）已逐步面世。这也为量子定位技术逐步实用化提供了良好的基础。
（2）量子定位系统与量子密码技术的结合是未来实用化的最佳途径。
“量子世界为何是不确定的、概率性的？量子纠缠态中，为何呈现出幽灵般的超距作用？”接受记者采访时，郭光灿铺陈出一连串盘旋在他头脑中挥之不去的玄奥问题。
尽管量子理论已有百年历史，但对于这些问题的回答，国际科学界至今仍无定论。
作为中国量子科技的先行者，郭光灿为国内量子光学、量子密码、量子通信和量子计算等众多研究领域贡献了“第一推动力”。
这些研究方向如今已成热门，而他本人则将视野再次转向少人问津的“冷门”，开始思考量子物理的基本问题，尝试探寻量子世界的本质。
“这些是我个人的研究兴趣所在，而年轻学者很难去进行此类研究，我这个年龄的人正合适。”郭光灿说，没有了发表学术论文等各种成果考评的现实压力，他才可以更加自由地思考深层次的物理基础问题。
而对于他所熟悉的量子信息等“老本行”，郭光灿则希望让课题组的年轻学术带头人“大展拳脚”，给他们充分的成长空间。
事实上，正是量子信息研究不断取得新的技术突破和发展，为郭光灿的深入思考提供了“灵感之源”。
“技术发展后，我们有能力做一些新的实验，其中有些实验现象跟之前的理论可能会有冲突，这该如何解释？”郭光灿所要做的，就是为此类问题寻找答案。他预计，在量子力学诞生两百年之时，量子世界的本质才有可能会被揭开。
“但很有可能找不到答案，研究工作没有新的理论结果。”在漫长的求真之路上，郭光灿期待一点一滴的积累。
年过七旬，身体条件已经不允许郭光灿像年轻时一样，每天加班加点工作到深夜。然而，从他参加工作起就养成节假日钻进实验室、办公室的老习惯，至今都没有改变。
“我几乎没有休假，哪怕是春节，过完节后的第二天就会去办公室。”郭光灿说这是自己的性格使然，不喜欢出去玩，干脆就安排工作。
早八点出门，晚六点回家，郭光灿将工作生活安排得非常有规律。尽管如此，他每年仍有一半时间都在出差，参加学术会议、评审会议、科普报告等各种活动。
出差旅行途中，郭光灿总喜欢戴上耳机，聆听存放在手机或MP3中的音乐，有流行歌曲，也有古典音乐，以此舒解旅途劳顿。
“我不会唱歌，但我喜欢不同旋律给人心灵带来的激荡。”郭光灿笑声爽朗，说自己甚至成了各类音乐选秀节目的忠实观众，中国好声音、中国好歌曲、青歌赛等，只要有好节目一定场场不落。
神秘大门透出的亮光
1999年山西大学本科毕业后，张国锋师从梁九卿教授进行硕博连读的学习。当时我国对量子信息的研究基本处于萌芽阶段，梁九卿教授认为这将会是一个新的研究方向，在张国锋的师兄师姐都跟着老师做磁宏观量子效应研究的时候，老师毅然决定让他去湖南师范大学的暑期班里学习和量子理论相关的知识，量子信息这道神秘的大门缓缓打开。
张国锋本硕博就读的山西大学物理电子工程学院师资雄厚、设备齐全。硕博连读期间，为拓展视野、丰富知识，他还专门前往中国科学院学习。在交通落后的情况下，北京、山西两头跑，校内扎实的基础知识以及校外新的理论知识的加固，使得张国锋在量子信息基础研究方面有了很大的提升。对张国锋的联合培养，中国科学院也承担着重要的角色，博士毕业后，张国锋到中国科学院半导体研究所进行博士后研究工作，在李树深院士的指导下，张国锋的研究兴趣进一步拓宽到基于固态体系为载体的量子信息研究。从2006年到北京航空航天大学任教以来，更是把他的研究方向细化到光力耦合体系的量子物理相关问题。
在量子相关研究中，量子调控是国家的重大科研计划，是构建未来信息技术的理论基础。张国锋围绕“如何制备、控制及应用具有高鲁棒性的量子纠缠态”这一科学问题展开了具体细致的工作，并取得了不错的成绩。
量子纠缠是量子力学的最神奇的特性之一。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。张国锋形象地解释了量子纠缠：“就像是手机用户和移动联通等签的协议，也就是手机卡，当两个粒子处于纠缠态，只有借助这个协议（纠缠态），才能进行量子通信。”腔OED系统是目前最有前景的硬件系统之一，它被广泛地应用于量子态的制备和操控。为此，张国锋系统考察了旋波近似下腔OED体系中的量子纠缠、量子关联的产生与演化以及与量子相位之间的联系。研究发现：量子纠缠猝死现象不仅依赖于体系初始态的纠缠，而且还依赖于初始态，且原子间偶极一偶极相互作用可以削弱这种现象，光场的损耗可以很明显地延缓纠缠猝死。张国锋在此基础上就固态自旋体系提出了一套抑制量子纠缠猝死和量子态传输的优化方案。
众所周知，实现量子信息处理的必需资源是量子纠缠态。而量子纠缠态是非常脆弱的，张国锋在前人研究工作的基础上进一步探讨了固态两量子比特自旋模型中的热纠缠，将自旋所处磁场分为均匀和非均匀两部分，发现磁场的非均匀部分使量子纠缠的演化出现双峰结构，也详细研究了Heisenberg交换相互作用对量子热纠缠的临界行为的影响。随后更引发了国内外关于量子热纠缠的研究。
Dzyaloshinski-Moriya（DM）相互作用来自自旋轨道之间的耦合，是一种各项异性相互作用，在许多磁性材料中都存在。张国锋将DM相互作用引入两自旋量子比特链中，结合Heisenberg相互作用研究了DM相互作用对量子热纠缠的影响，发现DM相互作用可以激发量子热纠缠的产生，可以使铁磁耦合的自旋体系成为好的量子态传输的通道，且能显著提高态传输的保真度。以这一研究成果为代表的论文获得“中国百篇最具影响国际学术论文”，被引150多次，为ESI高引论文。与此同时，张国锋把自己的研究推广到量子关联，得到一些量子关联度量量间的因子化公式，同时也比较了量子关联和量子纠缠在实现量子算法、构建量子逻辑门的异同。
神秘的量子世界透出的光让张国锋雀跃不已，他饱含热情地走在研究量子世界的大道上，默默耕耘，静静享受这神秘带来的不一样的世界。
光亮指引前进的方向
一分耕耘一分收获。张国锋在量子研究这条道路上不仅收获了具有创新意义的科研成果，而且多次主持包括国家自然科学基金青年基金、面上基金等项目在内的多项科研项目；发表多篇代表性论文，并多次被他引；在教学上成果也很显著，多次获得各种校内优秀教师奖励。
但是张国锋并没有止步于此，神秘的量子世界还等待着他去进一步破解其中的奥秘，在长期量子光学基础理论、自旋模型中量子纠缠、量子关联动力学研究的相关基础上，依托北航和中科院的两个重点实验室和三个重量级的研究团队共同合作，将就全耦合区量子比特与光场动力学行为及应用这一热点问题展开深入研究。
构造量子比特是量子信息处理的首要，实现量子比特有很多种物理方案，量子比特与光场相互作用体系是量子光学甚至凝聚态物理的一个重要研究内容，同时也是实现量子计算的重要途径。看见量子世界发出的神秘的光，张国锋对接下来的工作重心有了清晰的规划：（1）进一步求解两量子比特与光场相互作用强耦合体系的动力学演化，尤其是两个量子比特的闩abi模型的近似求解；（2）根据系统演化性质，选择合适的初始条件和反应时间，构建超快两量子比特逻辑门和进行相干量子态的超快传输等研究；（3）寻找新奇的特殊量子本征态，并通过研究包括耗散在内的动力学，考察这些具有特殊性质的量子态（比如：暗态）在量子信息中的应用。张国锋不仅把自己接下来的工作定位在这三方面，还就这三方面的研究拟定了初步研究方案。
1半导体激光
十分引人注目的是半导体激光器件研究方面的成果。其中有关新材料及其处理过程,器件工作物理机制,器件的设计思想,器件工作向短波段的延拓等,都有很大的发展。光子带隙、半导体量子电子学的理论和实验研究逐步使量子阱异质结激光器迈向实用阶段,并导致光学和光电子学用的量子阱器件以及超短脉冲半导体激光器和高速光探测器件的迅速发展。这对推动高速通讯的发展是十分重要的。垂直腔面发射激光器(VCSEL)的功率转换效率已经高于50%,阑值电流200拼A,工作体积7只7(拜m)2;半导体纳米结构材料已经可以制作出微腔激光器。一个10nm的腔体可产生1000nm波长的窄频带辐射。可见区,特别是蓝绿波段半导体激光器研制令人鼓舞,一旦进入实用阶段,势必剧烈改变小功率可见区激光器销售市场的状况,并将大大扩展激光在科技和生活领域的使用范围。长波可见段630nm,650nm和670nm的红色激光二极管(LD)制作成本较前两年已大大下降。目前可以预感到:在激光显示、激光准直、激光印刷、激光医学生物学应用等方面,半导体红光激光二极管将会迅速占领氦氖激光器的原有市场,取而代之。与此有关的蓝色发光二极管(LED)已开始以远较红、黄、绿色发光二极管高昂的价格投放市场(随着技术改进,将很快降低成本),形成了大型彩色显示屏幕蓬勃发展态势。在半导体激光领域,近年备受关注且影响着该领域进一步发展的课题是半导体纳米结构和微腔以及在这类器件中的相干现象的研究。
2固体激光
迅速发展的另一领域是固体激光器。近两年,明显看到:纤维激光和波导固体激光,可调谐固态激光,特别是用半导体激光二极管阵列泵浦的“全固态化”固体激光器的实用化,将可以达到许多目的:相对廉价、稳定性好、寿命长、波长可调谐范围宽、脉冲宽度窄,还可以具有优良的空间分布光束质量等。因此,具有广泛的应用价值。它已开始取代优质、高功率的气体激光器,用于微束打印和数据存储。尤其值得一提的是:“全固态化”的钦宝石激光器,在连续操作时.波长可调谐范围甚宽(从600~1100nm),功率很易达到瓦级水平。在锁模脉冲运转时,可以产生自锁模,脉宽达数十飞钞,平均功率已达瓦级。如此一来,再配合非线性频率变换办法,可以把激光波段扩展到很大的范围。再加这类激光器的装里有牢靠、调节简便的优点,可以做成车载、机载系统。显然,在不远的将来,有可能由它淘汰染料激光。
3非线性光学
非线性光学领域的论文最为吸引人的是一些新的无机或有机光学材料的诞生和应用。目前从紫外到中红外的实用的光学参童振荡器已商品化。此外,与高速信息公路有关的孤子激光产生和传翰问题,其成果已陆续投人实际使用。
4超短超快激光
会议中研讨的一个特殊领域是超短脉冲激光的产生与测量及其在电子学、医学、成象和超快过程控制方面的应用。钦宝石的锁模飞秒激光装置以及光纤激光器的锁模是与当前研究超短光脉冲发生技术的热点。其中有关的机理与技术已趋成熟,将会很快开辟通信、化学、生物学的应用。
5激光生物医学应用
但近年来，实验室多年积累的成果开始厚积薄发：2012年评选上1个“杰青”、2个“优青”；今年又评选了1个“杰青”，1个“优吉”……
“我们的成果在爆发，人才成长在爆发，作为人才摇篮的作用，十几年的积累到这时也出来了。”一提起实验室的创新人才培养，中国科学院院士郭光灿一扫出差回来的疲惫，兴奋地说。
郭光灿的实验室队伍有个特点，就是以“土鳖”居多，大多都是从学生时期就一直跟着郭光灿的中国科大“土著”。
在国家大力吸引海外人才支援科技事业的背景下，很多实验室的科技骨干都是引进人才。但郭光灿却凭借自己独到的眼光，培养出了一支富有创新开拓精神和冲击国际科研前沿能力的学术队伍。
做“敢死队”的后援团“年轻人，为什么这么在乎当下呢。”量子信息重点实验室教授郭国平从18岁起就跟着郭光灿，至今，他还清楚记得第一次郭光灿对他说的话。
2010年，年仅33岁的郭国平获得科技部A类国家重大研究计划（“超级973”）科技专项“固态量子芯片研究”重大项目，并于今年成功在“一个电子”上实现10皮秒级量子逻辑门运算，将原世界纪录提高近百倍，为基于半导体的“量子计算机”的实现迈出重要一步。
但从当下的评价体系来说，量子芯片领域的研究，不仅难度大、风险高，而且从发文章的角度看，“产出收益”也未必好。连郭国平自己都说，当时很多老院士都称这是“愣头青”干的事儿。
但这不是郭国平做的第一个“愣头青”的决定。他一直在中国科大学习量子光学，在博士三年级时，他突然觉得量子信息现有的研究已经不足以吸引自己了。
在郭光灿的大力支持和资助下，郭国平远赴日本NEC中央研究院访学。结果不到半年，郭国平就回来了。“老虎跟猫学爬树，他不会教你的，肯定要自己学。”他走到郭光灿面前说，“我不再写文章了，后面两年我要去选修固体物理的课，行不行？”
当时，郭光灿看到了未来实验室的战略部署需要固态物理，但实验室的研究人员多数都是光学专业的。于是“大小郭”一拍即合。当时不到30岁的郭国平开始负责建立国内首个半导体量子芯片研究组，竞争国际量子计算机的制高点。
想搭建实验平台，一台仪器就要350万元。郭光灿相信半导体量子芯片是有前途的，便将实验室所有能调动的资金都先投入到郭国平的实验平台。但还是远远不够。郭光灿就以自己和整个实验室作担保，又向学校借了800万元。“要赶快把实验条件做成。我们有理论、有想法，但是实验科学只有做过了才知道。”郭光灿坚信，“耕算失败了，对国家的工业和技术发展也是有好处的。”
郭光灿“借钱过日子”的“超前消费观”在学校是出了名的。为此，学校免了这800万元的欠款，还又支持了他200万元。“我们就像社会主义大家庭一样，这十几年各种经费大项目都是实验室统筹使用。哪儿需要加什么，我们就把钱买仪器。现在每个‘摊子’都有国际一流水平的硬件条件。”郭光灿说。“玻尔会不高兴的”
在过去的一百多年间，哥本哈根学派的玻尔互补原理一直统治着量子力学界。它认为，光子的波粒二象性是“对立互补”的。如同一枚硬币的两面，只能看到其中一面，不可能同时看到另一面。
但是实验室的李传锋研究小组 2012年9月发表在《自然一光学》杂志的论文则宣称：他们同时看到了光子的波动性和粒子性。“南京大学电子科学与工程学院院长施毅告诉我，他们的量子物理课本来要讲玻尔的互补原理。但现在他们也要把我们同时看到波粒二象l生的文章拿出来讲。”郭光灿对外都这么夸奖自己的弟子。
但在实验室，他却要求大家有一种“我创新故我在”的劲头。
今年年初，郭光灿把李传锋叫了过去，抽出三本书来说：“量子力学的书好像都解释不了你们的实验，太牛了。”
李传锋憨憨一笑：“是啊，我们希望把玻尔的理论扩展一下，把我们的结论包含进去。”
郭光灿听了，却微微一皱眉：“玻尔根本不会像你这么想，你这种说法玻尔都会生气的。你应该更有创造力，把玻尔的理论。”
这不仅是郭光灿的“野心”，也是整个实验室的。
就在近期，实验室的史保森研究小组在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放，证明了建立高维量子存储单元的可行性，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。
麻省理工学院的Technology Review网站更以“第一个存储单光子形状的量子存储器在中国揭开面纱”为题，对研究室的发现进行积极评价。
没有第一的竞赛
郭光灿眼光“毒”得很。
他是国内第一个做量子光学的。三十多年前，国内没有人支持他做量子光学，甚至把量子信息称为“伪科学”。“刚开始，郭光灿的工作没人重视，按他自己的话说，‘坐了十多年冷板凳’。”原中国科大副校长韩荣典说，“哪个新学科不是坐冷板凳？但他坚持下来了，还培养了一大批出色人才。”
在郭光灿的这场“科学赛跑”中，没有第一名。
他赶上了全球量子信息发展的萌芽期，熟知量子信息发展动态。因此，他做科研从来不紧跟风国外，而是前瞻性地进行战略部署。
1999年，实验室在中科院实验室评比中获得第一名。郭光灿借助350万的奖金，将对国家安全至关重要且容易出成果的“量子密码”作为突破口，在国际上首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题，经由实际通信光路实现了125公里单向量子密钥分配。
两年之后，他又布局量子信息最核心的资源――量子纠缠。2011年，《自然一通信》在线发表了李传锋、黄运锋研究组独立制备出的八光子纠缠态，刷新了多光子纠缠制备与操作数目的世界记录。
单是光学和量子信息是不够的，因此郭光灿又与郭国平一起部署了半导体量子芯片研究平台。
当时正好赶上金融危机，美国实验室都在降价处理仪器设备。实验室便远赴大洋彼岸的美国挑选了5台“五脏俱全”的“二手货”，建起了成熟的量子芯片加工平台。随后，郭光灿又派研究人员到苏州纳米所学习微纳加工，建立起以考核技术进步为主的评价标准，培养出一支优秀的研究队伍。
2004年开始，除了“看家”的理论组方向外，郭光灿又部署起新的量子光集成芯片方向，进行微腔小球研究。“我们的四个实验研究方向是把握了学科发展的趋势，结合自己的特长，逐步做出了前瞻性布局。”在郭光灿看来，做研究不能让国外牵着鼻子走。
英雄不问出处
董春华读博时，就已经将微腔小球研究做到了世界最高水平。
但在当前的政策下，对于非“海归”的董春华来说，想要留校几乎是不可能的。为了留下董春华这个人才，郭光灿再次慷慨解囊，用实验室经费支持董春华去合作伙伴――俄勒冈大学物理系攻读博士后。
当时有人问郭光灿：“你要不要跟他签个协议，会不会放出去就不回来了？”郭光灿自信地说：“我们相信他能回来，这里才能发挥他的作用。”
果不其然。两年后，董春华在《科学》杂志以第一作者发表文章Optomechanical Dark Mode，并带着世界上最耀眼的光机械研究方向回到了实验室。“我们自己培养人如同帮病人养血，调理好生血的机构。引进人才如同输血，忽视增强自己的造血机能，是不正常的。”郭光灿说。
李传锋招学生，唯一看重的就是是否热爱物理。“如果你喜欢物理就来，如果还有其他选择，想去发财就去发财”，李传锋在给学生许金时面试时如此说。
