导读： 在第五代移动通信技术中，5G认证密钥协商协议（5G-AKA）承担了5G移动设备的接入认证与密钥协商功能，是保障5G网络安全的核心协议。近日，中国科学院软件研究所在5G-AKA研究中取得重要进展，提出了隐私保护的5G认证密钥协商协议设计方法，以标准兼容的方式解决了当前5G-AKA存在的隐私安全问题，可为移动通信用户安全接入提供新一代核心技术。以往研究表明，5G-AKA在隐私保护方面存在安全缺陷，易受链接攻击。攻击者主动介入无线信道可将同一设备的不同会话进行链接、达到追踪目标用户的目的，甚至对目标设备实施跨5G/4G-AKA协议链接攻击而泄露用户身份。为了抵抗链接攻击，学术界提出了各种解决方案，但均不能满足后向兼容的应用需求。随着全球5G网络的商用推进，5G-AKA已得到广泛应用和部署，如何解决5G-AKA的隐私缺陷成为学术界公开问题。针对这一隐私安全问题，软件所创新性地提出了基于密钥封装机制的隐私保护5G认证密钥协商协议设计方法，以兼容5G标准的方式设计了5G-AKA’协议，能够在不更换移动用户SIM卡、保持5G服务网现行部署的基础上安全抵抗链接攻击、保护用户隐私。5G-AKA’不仅具有兼容3GPP标准的设计优势，而且具有良好的性能优势（在计算时间上仅引入0.03%的额外开销、带宽方面则实现零增长，易于标准化和应用部署）。现行5G端点可由5G-AKA便捷迁移，也可以兼容的方式支持5G-AKA’，其软件修改只涉及约20代码行。科研团队通过安全协议形式化验证工具Tamarin，对该协议进行建模和形式化验证，证明了该协议可达到隐私性、认证性和机密性目标。该设计方法适用于ECIES椭圆曲线集成加密方案和我国SM2椭圆曲线公钥加密算法，支持现行公钥密码标准在5G移动通信系统中的大规模应用，也适用于抗量子安全的密钥封装机制，为移动通信接入认证与密钥协商应对量子计算带来的安全威胁提供模块化理论支撑。相关研究成果以Privacy-Preserving and Standard-Compatible AKA Protocol for 5G为题，发表在国际网络安全旗舰会议USENIX Security 2021上，这是我国学者首次在国际安全会议上发表关于移动通信安全协议设计的研究成果。论文链接 5G通信系统架构链接性攻击者通过跨协议攻击获取目标设备标识符5G-AKA’协议初始化阶段5G-AKA’协议挑战-响应阶段

关键词：AKA,协议,隐私,链接,密钥,认证,设计,兼容,攻击,通信

导读： 近日，我校物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心陈增兵和尹华磊等人在长距离离散调制连续变量量子密钥分发理论中取得新进展，提出了一种新型离散四相调制协议，能够允许低成本、高性能、室温工作的平衡零差探测器进行远距离、高码率的量子密钥分发。模拟结果显示，新协议较之前的四相调制零差探测协议对噪声的容忍能力提升近一倍，成码率与最大传输距离得到大幅提升，因此有望利用该协议实现低成本高效率的量子保密通信网络的搭建。量子密钥分发技术是应对量子计算时代信息安全问题的重要技术手段之一。利用量子物理基本原理，量子密钥分发允许通信双方分享信息理论安全的全同且随机的隐私密钥，用于安全加密通信。连续变量协议易于继承高速经典相干光通信技术，能够实现多波长量子信道复用，在短距离具有较高成码率的优势，已经成为量子密钥分发的一个重要研究方向。相比于高斯调制方案，离散调制可以极大降低量子态制备的复杂性，简化后处理，减少计算资源的消耗。近年来，离散调制协议取得重要进展，法国科学家实现可抵御集体攻击的外差四相协议[PRX 9, 021059 (2019)]；加拿大科学家通过非线性数值方法获得与高斯方案码率相比拟的外差四相协议[PRX 9, 041012 (2019)]；日本科学家实现在有限密钥条件下抵御相干攻击的外差二相协议[Nature Commun. 12, 252 (2021)]。图1 零差四相协议示意图和码率模拟曲线为了进一步推动离散调制协议的实用化，陈增兵研究组发现发送方在双方基矢信息比对时可能额外泄露信息，导致零差协议与外差协议的性能相比差距甚远。研究组通过巧妙的设计使得发送的量子态同时携带两个被测基矢的信息，接收方可以使用零差探测方式自由选择一个基矢进行检测。发送方由此不必宣称基矢信息，从而截断了信息泄露的途径。在这种情况下，新协议的额外噪声容忍能力显著提高，成码率以及传输距离都大幅度提升。研究组还对离散四相调制协议采用外差探测与零差探测的实用性进行了比较。由于量子不确定性关系，外差探测在理想设备条件下的优势相较于零差探测并不明显。此外，由于实际装置的复杂性，外差探测的成码率优势进一步减小，甚至被反超。新协议不仅降低了成本、简化了装置，还提升了成码率和最大传输距离，变得更加实用。与此同时，它揭示了在现有的各类量子安全协议中，可能存在的一种不必要的信息泄露方式，对该方式的优化有望在设备独立的量子密钥分发研究中得到应用。该成果11月12日以研究长文的形式在线发表在美国物理学会期刊[PRX Quantum 2, 040334 (2021)]上。论文第一作者为南京大学物理学院博士研究生刘文博，通信作者为南京大学尹华磊副教授和陈增兵教授。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、中央高校基本科研业务费的资助。论文链接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.040334

关键词：协议,量子,调制,码率,密钥,外差,零差,探测,分发,离散

导读： 近日，南京大学物理学院马小松、祝世宁团队，联合电子科学与工程学院张蜡宝、吴培亨团队和中山大学电子与信息工程学院蔡鑫伦团队，首次利用超导-硅基杂化芯片实现了测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）系统。该团队利用硅基波导集成的超导单光子探测器的高速响应特点，首次实现了时间片编码的最优贝尔态测量，结合时间复用技术，在125 MHz时钟频率下得到了目前全球MDI-QKD实验~20 dB信道损耗下的最高密钥率。其他信道损耗下实验结果与当前~GHz时钟频率的实验结果相当。该工作为城域量子通信网络的实现奠定了重要基础。图一：基于超导-硅基杂化芯片的量子通信服务器概念图。量子密钥分发的安全性来源于量子物理中的不可克隆原理，理论上是一种绝对安全的通信方式。但由于实验系统的不完美，在实际量子密钥分发系统中存在潜在攻击漏洞，特别是黑客可以利用强光致盲等技术攻击光子探测接收端。测量设备无关量子密钥分发移除了所有针对探测器端的安全漏洞，是目前城域高安全等级量子密钥分发的最优方案之一。量子光学芯片平台是一个实现低成本、可扩展、基于不可信中继量子通信网络的优化解决方案。图二：（a）利用超导-硅基杂化芯片实现测量设备无关量子密钥分发的量子通信服务器；（b）通过相消和相长的双光子干涉现象，探测贝尔态；（c）不同损耗下的安全密钥率以及与GHz时钟频率实验的结果比较。该团队利用超导-硅基杂化集成芯片实现了测量设备无关量子密钥分发系统中的关键功能单元—量子通信服务器（图二(a)）。在器件层面，利用超短死时间的波导集成超导纳米线单光子探测器（SNSPD），实现了时间片编码下最优贝尔态测量（图二(b)），提高了量子通信的安全码率；利用高效率的光子晶体光栅大大减小了光纤到芯片的损耗。本项工作实现了在125 MHz时钟频率及24.0 dB损耗（约一百公里光纤通讯距离）下得到了6.17 kbps的安全密钥率。另外，在44.0 dB损耗（约两百公里距离）下得到了34 bps的安全密钥率（图二(c)）。该结果以小一个数量级的时钟频率实现了与当前全球最先进的~GHz时钟频率的实验结果相当的安全密钥率，大幅度降低了发端设备的复杂性，展现了芯片终端的优势。 该芯片化的量子通信中继服务器具有尺寸小、高速时间响应和可扩展空间大等优点。未来通过拓展更多的片上结构和波导集成超导单光子探测器构成高安全等级的量子通信终端，用户仅需要使用微型的发射器接入到光纤中，可以实现一个完全基于芯片、可扩展、低成本、高密钥率、高安全性的城域量子网络。 相关研究工作以Heterogeneously integrated, superconducting silicon-photonic platform for measurement-device-independent quantum key distribution为题发表在期刊《Advanced Photonics》[DOI: 10.1117/1.AP.3.5.055002]上。南京大学物理学院博士生郑晓冬为文章第一作者，张佩瑜、葛仁友、陆亮亮、何广龙、陈奇为共同一作。南京大学马小松教授、张蜡宝教授和中山大学蔡鑫伦教授为论文的通讯作者，南京大学祝世宁院士、吴培亨院士和陆延青教授对本工作进行深入指导。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、南京大学卓越计划、国家实验室量子通信计划、中央高校基本科研业务费专项等基金项目的资助。此项研究工作得到南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心支持。课题组链接：https://qoqi.nju.edu.cn文章链接：http://www.researching.cn/EN/Article/OJ44bd77e306d103ef

关键词：量子,密钥,通信,芯片,分发,利用,超导,时钟,实验,南京大学

导读： 近日，上海交通大学陈险峰团队与江西师范大学李渊华等人合作，在量子通信网络方面取得最新进展：首次提出了一种远距离量子安全直接通信网络，并且在实验中证明了它的可行性。该研究成果实现了基于时间-能量纠缠和和频的15用户量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）网络，该网络可使任意两个用户在40公里以上的光纤上完成量子安全直接通信，通信后的纠缠态保真度仍然大于95%，这对未来构建大规模的光纤量子网络具有重要的意义。相关论文以《15用户的量子安全直接通信网络》（A 15-user quantum secure direct communication network）为题发表在 Light Science & Applications 上。量子通信利用量子力学原理进行信息传输和处理, 因其具有高安全、高容量等优点而逐渐发展成为一种极为重要的通信方式，这在过去的20多年中成为量子信息研究的重要内容, 具有很好的应用前景，同时处理量子信息的方法也越来越成熟。基于此，一种新式的通信模式在2000年被提出，也就是量子安全直接通信（QSDC）协议，QSDC是指：用户之间可以直接通过安全量子通道发送秘密信息，而且在这一过程中第三方的任何攻击都无法从中获取任何有用的信息。QSDC协议因其相对简单的通信步骤而后被提出，这一通信方法减少了潜在的安全漏洞，并提供了高的安全保证，保障了量子通信的安全性和实用性。然而在实际应用中，基于纠缠的QSDC协议无法同时区分四组编码的正交纠缠状态，这无疑也限制了QSDC在纠缠网络中的推广应用。同时，提高QSDC的应用价值并且扩大QSDC的应用范围，构建量子网络来实现多用户互联这一工作非常重要。为此，陈险峰、李渊华课题组提出并实验实现了基于时间-能量纠缠和和频的15个用户QSDC网络，在QSDC网络中，如果任意两个用户想要直接通信，首先两个用户（用户1和用户2）将共享N对由网络处理中心分发的时间-能量纠缠态，在检测量子纠缠信道完全安全后，双方规定四种贝尔态分别编码为00,01,10和11，其中用户1对自己持有的光子分别做四种幺正操作，来实现编码过程，分别对应00,01,10和11，最后用户2通过利用和频这一非线性过程实现贝尔态测量来区分四个编码的贝尔态，从而完成信息的解码。15个用户处于完全连接的QSDC网络中，网络处理中心将控制连接中五个子网，经过自发参量下转换过程产生单光子源并分到30个国际电信联盟通道中，利用时分复用和密集波分复用的方法，分发15对纠缠光子对，用户通过操作自己的波长通道来实现与其他用户之间的QSDC两步传输过程，如图一中所示，网络中任意两个用户之间都可以进行QSDC任务。 量子网络组成 (a)由五个子网完全连接的量子网络；(b)子网中三个用户之间的互联 众所周知，QSDC信息传输的安全性和可靠性是量子网络中必不可少的部分。量子网络通信的安全由量子纠缠的性质得到保证，窃听者每次只能窃取纠缠粒子体系的一部分, 得不到纠缠光子对的整体状态, 从而保证了信息不泄露。对此，研究人员在QSDC中实现了逐步传输过程，并估计了双方通信量子信道的安全容量。在确认量子信道的安全性后，合法用户在通信网络中可靠地进行编码或解码操作，传递信息，如果安全传输容量低于安全阈值，则终止通信。实验结果表明，任意两个用户可以在40公里的光纤中进行QSDC，如图二所示，网络中任意两用户共享的纠缠态保真度仍然大于95%，信息传输速率可以保持在1 Kbp/s。 实验结果也证明了所提出的量子直接通信网络的可行性与安全性。 实验装置 (a)量子网络的物理结构；(b)通过自发参量下转换产生纠缠源的光谱；(c)和频过程团队部分成员值得注意的是，该项研究目前主要针对长距离纠缠网络中的QSDC，推而广之，结合最近提出的QSDC安全中继器量子网络，它将可以实现整个量子互联网上安全的端到端通信，突破通信距离的瓶颈，在未来通信中存在巨大潜力。此外，通过结合级联非线性过程的单光子频率转换也可用于实现远程网络QSDC，从而为未来实现大规模网络通信奠定了基础。本论文通讯作者为江西师范大学李渊华教授和上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授。上海交通大学物理与天文学院博士生戚展彤、黄义文和李渊华教授为论文的共同第一作者。李渊华教授2017年在上海交通大学获得博士学位（导师：陈险峰）后，在江西师范大学从事科研和教学工作，2019年2月—2021年3月在陈险峰教授研究组从事博士后（在职）研究。研究工作得到了国家重点研究计划项目（项目编号No. 2017YFA0303700），国家自然科学基金（项目编号No. 11734011、11804135、12074155）、上海市科委重大项目（项目编号 No. 2019SHZDZX01-ZX06）和中国博士后科学基金（项目编号 No. 2019M661476）的资助。

关键词：量子,网络,通信,QSDC,纠缠,过程,提出,险峰,编码,任意

导读： 北京大学信息学院电子学系宋令阳教授、邸博雅助理教授团队在基于可重构超表面（Reconfigurable MetaSurface）的6G无线传输技术研究中取得一系列进展。课题组研究了可重构超表面通信的网络容量机理，首次揭示了容量与超表面尺寸、相移数目之间的数学关系，并基于实际通信系统限制条件，提出有限相移下的可重构超表面多用户传输机制，为实现未来低功耗、超大规模通信提供了新的理论依据和技术路径。系列研究成果分别发表在期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology和IEEE Journal of Selected Areas in Communications（通信领域影响因子最高的技术期刊），并受到来自学术界和工业界的关注。3篇论文的被引频次在同期文章中排名均位居电子学科的前1%，并于2021年9月入选ESI高被引论文。其中2篇论文在近两个月的被引频次排名位居电子学科的前0.1%，入选ESI热点论文。 当前移动设备数量的显著增长和日益多样化的通信应用对6G网络容量与数据服务质量提出了更高的要求，导致无线通信网络在深度覆盖、功耗、成本、超密集连接等方面所面临的问题越来越突出，引发了我们对新的通信模式的迫切需求。为了支持高速和无缝的数据传输业务，各种无线传输技术受到越来越多的关注，如大规模天线技术等。然而，这些技术依赖于复杂的硬件电路和软件处理算法来实现，成本和功耗极高，对未来大规模移动用户的支持还难以为继。此外，以上技术在应对复杂的、不稳定的传播环境时，服务质量亦难以保证。 而可重构超表面（Reconfigurable MetaSurface）作为一种全新的无线通信增强技术（如图1a和1b为超表面结构）可以有效解决上述问题。该技术融合了人工电磁超材料技术和现代移动通信技术，具有前沿交叉学科特质。如图1c和1d所示，可重构超表面可以摆脱对复杂硬件电路的依赖来调控电磁波，通过改变入射信号的传输方向，定向增强接收方向的信号强度，从而提升网络性能，降低了成本和功耗。然而，目前对可重构超表面通信系统的研究还处于起步阶段，我们面临如网络容量机理表征、超表面参数设计、无线传输机制研究等众多挑战。a)                         b)                     c）d) 图1 a)超表面整体结构；b)超表面单元结构；c）超表面调控电磁波反射方向；d)可重构超表面后5G通信场景 “信息论之父”克劳德·香农指出“网络容量理论是通信系统设计的基石”（1961年）。研究团队为构建可重构超表面无线传输系统的容量理论，构建了有限相移条件下的通信链路模型,推导了可重构超表面无线传输的网络容量，获得了网络容量受有限相移数目和超表面尺寸之间的数学关系（如图2所示）。研究揭示当超表面尺寸足够大时，相移数目采用1比特调制即可达到目标数据速率，这为实际系统中超表面的尺寸和相移调制设计带来了有力依据。该成果以《有限相移可重构超表面辅助通信：相移数目探究》（Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Communications with Limited Phase Shifts: How Many Phase Shifts Are Enough?）为题，在2020年4月发表于期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology，宋令阳教授为通讯作者，至今Google Scholar被引100余次，同时入选ESI高被引论文和热点论文。图2有限相移数目和超表面尺寸对信噪比的影响 在可重构超表面容量理论的基础上，研究团队针对下行大规模多用户通信需求（如图3a），进一步提出了基于有限相移可重构超表面的多用户混合波束成形传输技术。利用超表面能够定向反射信号的特性，设计了通信基站数字波束成形-超表面模拟波束成形的传输方案（如图3b），相比于传统传输方案，将用户的数据速率提升了30%以上。并且在不完全信道信息条件下，设计了实用的低相移超表面波束成形技术，揭示了相移数目较低（2-3比特）时，超表面即可以用极低的成本实现目标传输速率，为实现低成本高速率传输提供了有效途径。研究成果分别以《面向多用户通信的可重构超表面混合波束成形：有限相移条件下的可达数据速率》（Hybrid Beamforming for Reconfigurable Intelligent Surface Based Multi-User Communications: Achievable Rates with Limited Discrete Phase Shifts）和《基于低相移数目可重构超表面的实用波束成形技术》（Practical Hybrid Beamforming with Limited-Resolution Phase Shifters for Reconfigurable Intelligent Surface based Multi-user Communications）为题目，发表于期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology (2020/04)和IEEE Journal of Selected Areas in Communications (2020/08)上，第一作者为邸博雅助理教授，通讯作者为宋令阳教授。两篇论文均入选ESI高被引论文，其中《面向多用户通信的可重构超表面混合波束成形：有限相移条件下的可达数据速率》同时入选ESI热点论文。(a)(b) 图3 (a)可重构超表面多用户下行通信(b)可重构超表面混合波束成形传输方案 上述研究得到国家杰出青年科学基金等项目资助。 原文链接： 1.https://ieeexplore.ieee.org/document/8990007 2.https://ieeexplore.ieee.org/document/9110889 3.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9001052

关键词：表面,重构,通信,相移,论文,传输,容量,有限,成形,波束

导读： 长久以来，化石作为古生物学研究最主要也是几乎唯一的材料不可避免地受到保存环境的影响，其中的噪声造成了形态学特征的不完整与失真，进而影响后续的系统发育和功能形态方面研究。尽管部分研究讨论了不同地区与年代中化石保存的完整性，但其中绝大多数停留在数据收集与统计上，并没有将化石中受到噪声的影响量化。甚至在大量古生物学研究中，信息一词也常常与数据，信号，观测结果等等概念混淆，并没有清晰的定义。这些基础概念的模糊导致了在系统发育研究中，不同作者对于“特征”、“物种”等概念缺乏共识，学界始终缺乏合适的理论框架与方法对化石中的形态学信息进行定量化的研究。图1. 经典通信系统模型与基于信息论框架的古生物学近日，国际学术期刊《生态学与演化》（Ecology and Evolution）在线发表了由美国自然历史博物馆余琮煜，北京大学地球与空间科学学院江左其杲，古脊椎所王海冰等合作的题为“形态学特征中的信息（Information in morphological characters）”的论文，提出了可以将信息论与通信系统工程作为古生物形态学研究的理论基础。文章讨论了多个脊椎动物形态学特征矩阵中的信息熵，互信息，信道容量等参数，提出目前的形态学矩阵并没有很好地区分信源编码与信道编码，不同特征之间差异较大的信息熵往往被忽视，矩阵中过多的特征数量可能导致了信息传递的低效。尽管人造通信系统存在的时间几乎与人类的历史一样久远，但对通信系统完整的数学描述直到1948年才被克劳德香农提出。一个典型的通信系统可以分为信源，发送设备，信道，接收设备，信宿，其中信道在现实中往往伴随着噪声。信源中的原始消息（message）经过发送设备编码之后进入信道，接收设备收到编码信号（signal）之后进行解码将消息传递给信宿，由于现实通信中几乎无法避免噪声，为了确保解码后的消息与编码前的消息的一致性，精心设计的编码是非常必要的。香农提出编码过程可以进一步细分为信源编码与信道编码，而且这两个步骤可以分开进行互不影响。信源编码需要以尽可能低的成本（编码长度）表示出所有可能出现的消息，也就是要完整表达出信源的信息熵，其典型例子有电报通信中的摩斯电码。信道编码的主要目的是对抗信道中的噪声，恰当地引入冗余可以保证即使一部分信号丢失或者失真，接收设备依然可以解码得到原始消息，从而保证有效的通信。香农认为通信中最基础的问题是在一处近似或者精确地重现另一处的消息，类似的，我们认为古生物学中最基础的问题是在现代近似或者精确地重现在地质年代中的古生物，包括他们的演化历史与形态功能等诸多方面。在古生物学系统发育研究中，绝大多数研究只能依靠形态学数据，与此相反的是，在现代生物或者最近灭绝的生物的系统发育研究中，研究人员可以利用DNA或者蛋白质序列这样易于数字化的数据。因此，DNA或者蛋白质序列非常接近于现代通信系统中的数字信号，而形态学数据更接近于模拟信号。形态学的数字化通常依靠形态学特征矩阵来完成，但是如何选择特征，每个特征中有多少信息量，各个特征之间的相关性，这些问题都是模糊不清的。该研究首先计算了多个脊椎动物形态学特征矩阵中每个特征的信息熵（信息量），拥有更多特征状态的特征有明显较高的信息熵。对于矩阵中多个特征的联合信息熵的结果显示仅仅少数形态学特征即可描述信源信息熵，绝大多数特征并没有提供额外的信息。这与古脊椎动物学研究中报道新物种的习惯符合，即利用少数特征作为鉴定特征，而在系统发育研究中则会使用数量大得多的特征。类似地，这样的区别可以用通信系统工程当中的信源与信道编码过程解释。进一步地，研究计算了每个特征矩阵中特征对之间的互信息，发现特征之间的相关性广泛存在，但习惯上对于解剖结构的划分并没有体现出较好的模块性。 图2. 特征矩阵中的多个特征的联合信息熵与互信息分布基于加性高斯白噪声信道模型，研究估算了不同特征矩阵对应的信道容量，发现信道容量均被特征数量饱和。香农的理论告诉我们超越信道容量的通信速率必然带来噪声，而在加性高斯白噪声信道模型中，随着带宽的提高，信道容量并不会无限提高，过宽的带宽不仅浪费通信资源也无法改善通信的质量。这与目前被研究人员偏爱的超大型特征矩阵相悖。由于信息熵直接度量了单个变量的信息量多少，因此可以在系统发育的特征权重方面提供参考依据。研究比较了平等加权（equal weighting），隐含加权（implied weighting）与信息熵加权在多个脊椎动物类群中的系统发育结果。尽管最终结果十分接近，但信息熵加权由于完全不需要任何先验知识，且直接建立了特征权重与信息熵之间的关系，比其他加权方式拥有更好的解释性和更少的额外假设。 图3. 加性高斯白噪声信道模型下的特征矩阵中的信道容量与特征数的关系随着观测手段的进步，古生物学家需要处理飞速增加的数据，但目前大量的古生物数据依然依靠研究人员的手工处理。尽管大量的数字化手段已经在古生物学研究中被实践，例如形态学特征矩阵，基于标志点的形态几何学，CT扫描等等，如何在海量的数据中寻找我们需要的信息依然是很有挑战性的工作。利用已经发展成熟的信息论与通信系统工程作为理论基础，为形态学数据的数字化提供了理论支持，也为基于形态学的系统发育研究提供了指导。正如现代通信系统在数字信号取代模拟信号之后迎来的大发展，未来基于信息论的古生物学有希望帮助我们更好地破解生物演化的密码。本文第一及通信作者为美国自然历史博物馆古生物部博士研究生余琮煜，共同作者有北京大学博雅博士后江左其杲和中科院古脊椎所副研究员王海冰，参与工作的还有德国汉堡大学与美国自然历史博物馆的科研人员。 论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ece3.7874

关键词：特征,通信,形态学,信息熵,矩阵,噪声,编码,系统发育,信源,古生物学

导读： 近期我院量子信息团队在量子安全直接通信实用化研究方面取得重要进展，研究论文 “Practical decoy-state quantum secure direct communication” 被SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 杂志接收发表。该工作获得国家自然科学基金重点项目、面上项目及广西相对论天体物理重点实验室开放课题等项目资助。 论文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-021-1775-4 作者：刘馨（硕）、李子健（硕）、罗迪（本）、黄春凤（硕）、马迪（硕）、耿明明、王军伟、张振荣、韦克金*（通信作者） 量子安全直接通信（QSDC）近年来取得了显著的发展。量子安全直接通信可以在量子信道中直接传输秘密信息，不仅可以感知窃听，而且可以抵抗窃听，使窃听者无法获得任何信息。诱骗态QSDC方案为预防窃听者的分子数分离（PNS）攻击提供了有效的措施。然而诱骗态QSDC的实用化仍面临着实验复杂性高、忽略参数优化等挑战。本研究设计了一个实用的双诱骗态QSDC方案，并将GA（Genetic algorithm）算法引入QSDC中对参数进行优化。该方案相较于已提出的四诱骗态QSDC方案具有更低的实验复杂度，可能是开发实用诱骗态QSDC系统的最佳选择。如图1所示，本研究的方案在高损耗的情况下，相较于的已提出的四诱骗态QSDC方案[Photon. Res. 8, 1522 (2020)]具有更高的保密容量。同时，全参数优化在一定程度上提高了实际QSDC系统的性能。采用GA算法全参数优化后，不仅提高了保密能力，而且扩展了安全距离。该研究有效地促进了实用的诱骗态QSDC系统的开发。图1本工作诱骗态QSDC方案与前人工作的保密容量对比结果

关键词：QSDC,诱骗,方案,量子,参数,优化,通信,窃听,保密,系统

导读： 国科金发计〔2021〕46号 　　国家自然科学基金委员会现发布“未来工业互联网基础理论与关键技术”重大研究计划2021年度项目指南，请申请人及依托单位按项目指南所述要求和注意事项申请。 国家自然科学基金委员会2021年8月4日 “未来工业互联网基础理论与关键技术”重大研究计划2021年度项目指南 　　未来工业互联网是新一代信息通信网络技术与工业制造深度融合的全新工业生态、关键基础设施和新型应用模式，通过人机物的安全可靠智联，实现生产全要素、全产业链、全价值链的全面连接，推动制造业生产方式和企业形态根本性变革，形成全新的工业生产制造和服务体系，显著提升制造业数字化、网络化、智能化发展水平。　　本重大研究计划瞄准工业互联网国家重大战略需求，围绕未来工业互联网的重大核心科学问题，打通未来工业互联网基础研究、原始创新的“最先一公里”和科技成果转化、产业市场化应用的“最后一公里”，为我国工业互联网发展水平走在国际前列奠定理论和技术基础。一、科学目标　　瞄准工业互联网国家重大战略需求，把握未来工业互联网发展趋势，创新工业互联网全要素互联的结构化组织机理、生产制造流程的柔性构造机制、产业链与价值链的网络化调控原理等基础理论与方法，突破一批核心关键技术，完成三个以上工业制造典型场景的集成示范验证，形成若干重大基础性原创成果，培养一批有国际影响力的人才和团队，推动工业互联网应用与服务的范式变革，为构建要素互联结构化、生产制造流程化、工业网络体系化的产业新生态奠定理论和技术基础，引领未来工业互联网的科学发展。二、核心科学问题　　本重大研究计划针对未来工业互联网生产要素互联的时空关系演变及调控规律这一核心问题，围绕以下三个科学问题展开研究：　　（一）全要素互联的结构化组织机理。　　针对未来工业互联网人机物全要素安全可靠互联的系统复杂性难题，重点解决如何刻画未来工业互联网全要素互联的联接关系与结构关系，如何度量其复杂性并构建相互控制关系等问题。重点研究未来工业互联网按需联接的本征模型与调控机理、生产要素数据多维表征及结构化组织机理、全要素互联的系统熵理论。　　（二）生产制造流程的柔性构造理论与方法。　　面向未来工业互联网柔性化制造全流程的流畅性与稳定性要求，重点解决如何精准刻画未来工业互联网生产链制造全流程中的误差传播、有效识别生产流程的脆弱性、定量评估生产线重构的收敛性等问题。重点研究未来工业互联网柔性化制造全流程的容差分析与传播模型、全流程稳定性构建方法、全流程重构的理论与方法。　　（三）产业链与价值链的网络化调控原理。　　针对未来工业互联网生产制造的全产业链、全价值链耦合与复杂调控关系，重点解决如何从效率角度建立网络化产业链模型、从效用角度建立网络化价值链模型，如何实现跨产业链与价值链联动的多目标调控优化等问题。重点研究未来工业互联网生产制造的全产业链构建模型、全价值链构建模型、跨链耦合的网络化调控原理。三、2021年度重点资助研究方向　　（一）培育项目。　　围绕上述科学问题，以总体科学目标为牵引，2021年度对于探索性强、选题新颖、前期研究基础较好、产学研用相结合的申请项目，将以培育项目方式予以资助，建议研究内容围绕以下方向：　　1.基于系统熵的工业互联网拓扑演化机理与相关数学方法　　面向未来工业互联网典型场景，探索工业互联网的复杂拓扑结构，构建相应的复杂网络几何度量模型、信息传输模型和网络演化模型；研究复杂网络系统的本征谱系、系统熵理论、动力学演化机理，提出可应用于工业互联网的分析、计算、优化、决策和调控等相关数学方法。　　2.面向工业互联网复杂要素的多源特征融合表征方法与组织推理　　面向未来工业互联网复杂要素精准表征需求，探索多源异构数据资源的统一表征与融合管理机制、多源异构生产要素的低维子空间共享表示方法，研究工业生产多源数据的相关/不相关特征的共学习机制，提出工业要素多源异构低质数据融合管理的理论与方法。　　3.多工序复杂耦合定制化生产过程的误差传播机理与在线容差分析　　针对传统离线容差分析精度低、难以适应定制化生产等瓶颈问题，探索多工序精密装配过程中的部件尺寸误差、装配误差、受力变形等多误差耦合作用与传播机理，研究多级耦合误差与产品质量及性能的量化关联关系；针对产品质量多维度特征，研究多工序解耦的网络边缘侧在线容差分析方法，提出满足装配精度要求的容差动态分配与补偿方法。　　4.工业互联网高精度时延抖动控制理论与方法　　面向未来工业互联网中云化控制、工厂互联等时间敏感应用场景，研究时间敏感网络的跨层调度、跨域传输机制等核心技术，提出时间敏感网络的端到端传输理论模型和相应的高精度时延抖动控制方法，实现微秒级的端到端时延抖动控制。　　5.智能制造软件与协议的安全检测理论及评估方法 　　面向全要素互联系统软件与协议的安全检测与评估需求，研究智能制造软件与协议的安全性智能测试理论、协议安全性分析方法和软件安全性评估方法，自主有效发现软件与协议的安全性隐患。　　6. 面向工业互联网数据安全的高精度异常检测理论与溯源方法　　面向工业互联网敏感数据的高安全需求，研究典型工业场景下数据特征空间的紧致表达与多源融合新理论新方法，探索异常稀疏数据的高阶复杂关联规律，构建低虚警、低漏检、在线可进化的异常数据检测架构，提出异常数据全生命周期溯源与网络拓扑驱动的修复方法。　　（二）重点支持项目。　　围绕核心科学问题，以总体科学目标为牵引，2021年对于前期研究成果积累较好、对总体目标在理论和关键技术上有较大贡献、具备产学研用合作基础的申请项目，将以重点支持项目方式予以资助，重点支持方向如下：　　1.面向多场景端到端性能可控的新型工业互联网体系架构　　面向按需可重构智慧工厂中人机料法环等生产全要素互联需求，针对接入环境复杂、端到端性能可控性差等瓶颈问题，研究面向人机物三元融合、全要素智能互联的CT、IT与OT深度融合的新型工业互联网体系架构，突破环境智能感知、生产全要素按需互联、高可靠端到端数据传输、跨层协同与协议设计、端边协同计算与边缘轻量化等“感-传-算”一体化关键技术，构建体系架构的数字孪生模型，面向高端装备制造中的多场景，综合应用工业机器人、移动AGV等开展有效性验证，动态大规模网络端到端延迟小于等于10毫秒，端到端数据传输可靠性满足工业现场控制级要求。　　2.工业互联网边缘侧轻量化可信智能安全系统理论与方法　　面向未来工业互联网数据与应用服务的可信安全需求，探索边缘侧轻量级数据加密系统理论与方法，突破轻量级数据加密与防护、隐私保护的群智协同学习，构建高能效、高安全性的边缘智能计算体系架构；面向未来工业互联网网络安全需求，探索生产线多目标协同轻量化安全调控机理以及基于区块链的隐私保护技术，突破工业边缘节点的异步可信协商、大规模异构终端身份认证与鉴权等关键技术，实现工业互联网人机物全要素群智安全互联的新型内生安全网络体系架构。面向无人大规模智能制造环境的应用，开展存算感知相融合边缘侧可信安全系统及理论方法有效验证，实现万级同质边缘节点容量规模下，单次加密操作能耗降低一个数量级。　　3.面向制造模式变革的工业互联网柔性构造与智能调控　　面向多品种变批量特征下的个性化定制、共享制造等需求，针对未来工业互联网柔性制造全流程协同调控难、系统重构偏差大、产品质量一致性差等瓶颈问题，研究柔性化定制生产过程中分布式资源调控机制、多变量误差传播与耦合机理，多尺度特征智能检测与评估体系、小样本数据质量预测与优化模型，构建基于生产制造全要素全流程优化的数字孪生协同集成智能调控原型系统，实现动态扰动下系统分布式资源调控、数据驱动的系统建模、质量预测与控制以及全流程重构的多目标优化，结合航空航天、装备制造、纺织等典型行业开展有效性验证，显著提升生产要素优化配置、协同运行效率及产品制造质量。　　4.智慧车间复杂传播环境适变理论与重构机制　　面向智慧车间电磁环境的复杂性与现场应用场景的多样性需求，针对有限空间内无线信号传播的随机性与不可控性难题，研究智慧车间复杂传播环境适变理论、信道精确建模与智能重构方法，建立环境智能感知、资源配置与优化调控模型，支撑智慧车间复杂电磁环境下的信道自构建、自优化、自维护，实现车间内部场景与外部需求变化的智能快速感知与适应，结合典型智慧车间场景，开展理论与方法的有效性验证，显著提升无线传输资源使用效率。　　5.面向工业互联网的轻量化软件体系架构　　面向工业互联网资源高效协同和要素柔性重构需求，研究融合端边云资源的轻量化软件构建方法，突破跨网络/跨协议/跨粒度的端侧软件集成、工业互联业务语义建模、多模态本征模型度量、构件动态组合与数据关联、工业应用低代码编程等关键技术，构建层次化、轻量化软件架构体系，为工业互联网领域软件工程理论与开源生态奠定基础，结合协同制造、智能维护等典型场景，开展理论、方法与架构的有效性验证，显著提升工业互联网软件开发效率。　　6.面向智能制造价值链的生产自组织协同机理与管理方法　　面向新产品生产自组织与价值链高效协同管理的需求，研究工业互联网实现产品快速集成创新与高质量制造的服务新模式、基于业务流程/信息透明度/供应链合作关系/产业链战略联盟的价值链综合集成新方法，发现产品价值链中利益相关方短期与长期价值的关联关系，揭示工业互联网生态系统价值链的协同优化机理，建立新产品业务流程的自动生成模型、面向价值链的生产自组织协同决策体系与运行管理机制，结合新产品智能制造场景，开展理论、方法与模型的有效性验证，显著提升新产品的研发效率和价值链利益相关方的效益。四、项目遴选的基本原则　　为确保实现总体目标，本重大研究计划要求研究内容必须符合指南要求，把握工业互联网发展趋势，结合工业互联网的实际问题，提炼基础科学问题开展创新性研究。　　（一）要求研究与未来工业互联网相关的基础科学问题，即：在申请书中需要明确解释研究对象的具体应用场景及需求，需要明确研究问题对全要素互联的结构化组织机理、生产制造流程的柔性构造理论与方法、产业链与价值链的网络化调控原理等核心科学问题的贡献。　　（二）在阐述国际发展的最新态势及该方向在重大研究计划支持下已经取得的重要进展基础上，要归纳提炼明确的科学问题。　　（三）针对科学问题，研究队伍要有明确的分工，发挥各自优势，开展联合攻关和协作研究，形成有机的研究链条，建议积极吸纳工业互联网用户单位为项目参与单位。　　（四）要明确对实现重大研究计划总体目标和解决核心科学问题的贡献。　　（五）要明确具体应用场景，研究目标中应包含可量化、可考核的指标。五、2021年度资助计划　　2021年度拟资助培育项目约10项，直接费用的资助强度约为80万元/项，资助期限为3年，培育申请书中研究期限应填写“2022年1月1日-2024年12月31日”；拟资助重点支持项目约5项，直接费用的平均资助强度约为260万元/项，资助期限为3年，申请书中研究期限应填写“2022年1月1日-2024年12月31日”。六、申请要求及注意事项　　（一）申请条件。　　本重大研究计划项目申请人应当具备以下条件：　　1. 具有承担基础研究课题的经历；　　2. 具有高级专业技术职务（职称）。　　在站博士后研究人员、正在攻读研究生学位以及无工作单位或者所在单位不是依托单位的人员不得作为申请人进行申请。　　（二）限项申请规定。　　执行《2021年度国家自然科学基金项目指南》“申请规定”中限项申请规定的相关要求。　　（三）申请注意事项。　　申请人和依托单位应当认真阅读并执行本项目指南、《2021年度国家自然科学基金项目指南》和《关于2021年度国家自然科学基金项目申请与结题等有关事项的通告》中相关要求。　　1. 本重大研究计划项目实行无纸化申请。申请书提交日期为2021年9月6日－9月10日16时。　　（1）申请人应当按照科学基金网络信息系统中重大研究计划项目的填报说明与撰写提纲要求在线填写和提交电子申请书及附件材料。　　（2）本重大研究计划旨在紧密围绕核心科学问题，将对多学科相关研究进行战略性的方向引导和优势整合，成为一个项目集群。申请人应根据本重大研究计划拟解决的具体科学问题和项目指南公布的拟资助研究方向，自行拟定项目名称、科学目标、研究内容、技术路线和相应的研究经费等。　　（3）申请书中的资助类别选择“重大研究计划”，亚类说明选择“培育项目”和“重点支持项目”，附注说明选择“未来工业互联网基础理论与关键技术”，根据申请的具体研究内容选择相应的申请代码。培育项目和重点支持项目的合作研究单位不得超过2个。　　（4）申请人在申请书“立项依据与研究内容”部分，应当首先说明申请符合本项目指南中的重点资助研究方向，以及对解决本重大研究计划核心科学问题、实现本重大研究计划科学目标的贡献。　　如果申请人已经承担与本重大研究计划相关的其他科技计划项目，应当在申请书正文的“研究基础与工作条件”部分论述申请项目与其他相关项目的区别与联系。　　2. 依托单位应当按照要求完成依托单位承诺、组织申请以及审核申请材料等工作。在2021年9月10日16时前通过信息系统逐项确认提交本单位电子申请书及附件材料，并于9月11日16时前在线提交本单位项目申请清单。　　3. 其他注意事项。　　（1）为实现重大研究计划总体科学目标和多学科集成，获得资助的项目负责人应当承诺遵守相关数据和资料管理与共享的规定，项目执行过程中应关注与本重大研究计划其他项目之间的相互支撑关系。　　（2）为加强项目的学术交流，促进项目群的形成和多学科交叉与集成，本重大研究计划将每年举办1次资助项目的年度学术交流会，并将不定期地组织相关领域的学术研讨会。获资助项目负责人有义务参加本重大研究计划指导专家组和管理工作组所组织的上述学术交流活动。　　（四）咨询方式。　　国家自然科学基金委员会信息科学部二处　　联系电话：010-62327929, 62327149

关键词：工业,制造,方法,理论,计划,要素,科学,申请,智能,面向

导读： 来自中国的科研联合团队完成了全球首次量子密钥分发（QKD）和后量子密码（PQC）融合可用性的现网验证。相关工作于当地时间7月30日发表在国际知名学术期刊《Optics Express》上。前述联合科研团队来自中国科大、国盾量子、国科量子、济南量子技术研究院与上海交大等单位。目前，国家、机构、个人的信息安全需求与日俱增，应对量子计算威胁、保护信息安全成为全世界的研究热点。“QKD和PQC是目前学术界公认的应对量子计算威胁的两个技术路径和方向，本研究将两个抗量子计算威胁的技术融合应用，且在现网进行了实际验证。”一位研究主要参与人员向澎湃新闻记者表示。QKD是指利用量子纠缠的特性，使通信双方分享一个随机且安全的密钥，用于信息的加密和解密。PQC又称抗量子计算密码，它是能够抵抗量子计算机对现有密码算法攻击的密码算法。国际较为普遍的观点是QKD具有长效安全性，但缺少认证手段、应用成本相对较高；PQC具有功能和应用体系与传统密码兼容的优势，但缺少安全性证明。相对于在两种技术路线间“二选一”，融合两者优势可能是更为有效的方法。那么QKD与PQC如何融合？“QKD的流程中需要收发两端的QKD设备进行认证，以此避免中间人攻击，传统的QKD采用预置密钥的方式来进行初始认证。本研究将PQC算法集成到商用QKD设备中，利用基于格的PQC签名算法来实现了QKD设备之间的认证，实现QKD+PQC的融合应用，进一步提升QKD网络的安全性和组网便利性。”该研究主要参与人员介绍道。今年5月，研究团队已经在实验室中对“QKD+PQC”融合方案的可行性进行了验证。目前QKD设备应用的安全认证方法是预共享对称密钥。每个配对用户都需要存储其共享的身份验证密钥，这种方式在面对规模网络中有大量节点需要相互认证的场景时，存在需预置大量密钥、管理维护不便的问题。研究人员使用QKD设备和PQC上位机通信，用PQC认证代替QKD的预置密钥认证，解决了相关问题，初步验证了在QKD协议运行及交互通信中融合PQC认证的可行性。PQC认证流程框图，需要认证的数据有基矢比对数据、纠错后的密钥、隐私放大中的共享随机数和最终密钥。数据认证的流程包括：1）采用SM3哈希算法计算要认证的数据的Tag值；2）将Tag值通过板间通信接口发送到PQC模块；3）通信双方的PQC模块之间根据PQC算法进行认证；4）认证结果通过板间通信接口返回给等待认证结果的模块。论文表示，本次实验进一步在现网实际业务中验证了融合方案的可行性，不仅将PQC认证协议集成到QKD设备内部，还在多用户、现网通信条件下进行了长时间运行测试。本次实验中，研究人员使用了系统频率为40MHz的QKD设备进行协议集成，PQC认证协议参与了QKD协议交互的对基、纠错、保密增强、密钥校验等全部数据交互环节；在真实的量子保密通信网络中运行，包括14个用户节点、5个光交换节点49条光纤链路，网络线路均为中国联通正常运营的商业线路；整个测试系统持续运行36天，采用PQC认证后的成码率与原成码率相比误差在2%范围内，证明了融合方案对QKD性能并未产生明显影响。“5月的实验是在实验室中，PQC算法是在PC机上跑的，与实际商用网络有一定差距。对于多用户、复杂拓扑等一些问题也需要在现网进行验证。本次是在5月成果基础上，将PQC算法集成到了商用的QKD设备中，并在济南城域网现网进行了长时间运行，意义更重大。”研究人员介绍称，“相比之前的实验室试验，这次侧重商用QKD设备，集成度更高，更贴近实际量子保密通信城域网环境。”论文表示，本次实验在14个用户节点、5个光交换节点组成的济南城域QKD现场网络中实际验证了PQC算法在大型城域QKD网络中应用的可行性、有效性和稳定性，验证了在城域QKD网络中使用PQC认证所带来的光交换代替可信中继的优势。济南城域QKD网络拓扑，其中X1～X5是光交换节点，U1、U3、U6、U9、U10、U13、U14是收用户节点，U2、U4、U5、U7、U8、U11、U12是发用户节点。各用户节点通过光纤连接光交换节点，光交换节点之间也通过光纤连接，根据各用户节点和光交换节点的实际部署地理位置不同，单根光纤长度从5m至21.46公里不等。“这次现网实验，会极大的促进商用QKD和PQC的融合，技术上已经不存在瓶颈了。但实际应用除了技术方面，更多的还受商业、需求等多因素影响。”研究人员表示。问及下一步将如何发展，前述研究人员表示，“技术研究方面的工作告一段落，下一步是联合量子通信设备厂家，进一步优化QKD设备的功能性能，提高设备的集成度，同时完善组网相关的KM等设备的功能性能，争取早日实现规模化应用。”

关键词：QKD,PQC,认证,量子,节点,融合,密钥,算法,验证,网络

导读： 对于各种交通运输、需要搬运或取物的物流仓储、服务等领域移动机器人已成为研究热点，移动机器人在空间内可自主移动，具有绝对的灵活性。随着视觉、5G 通信、AI等智能技术的发展，移动机器人的工作场景呈现出多样性、复杂性和不确定性等特点，因此多移动机器人协同控制受到了学者们的广泛关注。　　在共享空间下，多移动机器人的轨迹跟踪与实时避障是多移动机器人协同控制的前沿与热点。由于多机共享空间的不确定性，潜在的人-机、机-机碰撞风险是多机器人控制的一大挑战。随着群体规模的不断增加，系统的通讯负载以及避碰决策空间也会指数增长，加之机器人本身移动能力的限制，给多机器人的轨迹跟踪与实时避障控制带来了巨大的挑战。　　为此，省科学院智能制造研究所机器人团队提出基于安全优先的多层控制框架，可以实现群体非完全共享信息与移动能力受限情况下机器人群组的局部无碰撞运动规划与全局轨迹跟踪。基于约束优化思想建立距离阈值碰撞标准，构建了基于不等式的避碰规则，糅合避碰、轨迹追踪、速度界约束等多目标为一体进一步设计了安全优先的多层级多机控制框架，并结合递归神经网络（RNN, recurrent neural network）反馈思想和拉格朗日条件构造控制器，利用线性分段投影和KKT技术得到全局最优解。该方法通过仅协调各机器人的速度实现了当避碰标准不满足时，目标追踪机制在控制任务中为最高优先级，各机器人沿着期望轨迹运动。当避碰标准满足时，避碰机制则代替目标追踪机制在控制任务中占主导，保证优先避碰。该方法不需要机器人之间彼此通讯，避免了集中式控制对通讯性能要求过高的缺陷，对自动驾驶、车路协同系统等研究具有重要意义。　　多移动机器人安全优先多层控制方案实现框图　　相关成果已发表在国际自动化与控制系统权威期刊《IEEE Transactions on Cybernetics》，李晓晓为第一作者，省科学院智能制造所为第一单位。　　论文信息：X. Li, Z.Xu, S. Li, Z. Su and X. Zhou, (2021). Simultaneous Obstacle Avoidance and Target Tracking of Multiple Wheeled Mobile Robots with Certified Safety. IEEE Transactions on Cybernetics. doi: 10.1109/TCYB.2021.3070385.　　论文链接： https://ieeexplore.ieee.org/document/9426588　　（省科学院智能制造研究所/供稿）

关键词：控制,机器人,移动机器人,轨迹,避碰,智能,优先,机制,标准,碰撞