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——记华北电力大学控制与计算机工程学院石润华教授 近年来，量子一直是火爆热词，网络流行语“遇事不决，量子力学”也是科幻常用梗，即遇到难以处理的问题时，靠量子力学强行大开脑洞，其深奥莫测令人捉摸不透，但感觉很厉害的样子。 那么在真实的科研领域中，量子到底是怎样一种神奇的科学呢?很多人第一次听到这个词时，会感到十分科幻，其实，量子力学的应用在我们身边是非常常见的，例如激光、晶体管、电子显微镜、量子计算和量子通信等。量子力学的出现，将物理学分成经典物理学和量子物理学。一部分是以牛顿、伽利略为代表的是已经研究相对透彻的经典物理，另一部分是以爱因斯坦、波尔、薛定谔、普朗克等人为首的量子物理，也是当前科研热门。经典物理是研究我们所能看见的宏观世界，而量子物理研究的是我们看不见的微观世界。 华北电力大学控制与计算机工程学院的石润华教授，长期从事信息安全方面的基础教学与科研工作，以现代密码学、信息论、计算复杂性理论为基础;以安全计算为主攻目标，分析、研究和解决相关科学问题;以该领域新理论、新方法和新技术为突破口;在经典和量子安全计算理论、隐私保护方法，以及智能电网、智慧医疗等新型网络关键安全技术方面均取得了诸多创新性成果。 深研量子信息技术 实际应用成果突出 “科技创新，不能等待观望，不可亦步亦趋，当有只争朝夕的劲头。”量子，是物质和能量最小的不可分割的基本物理单位。现如今，量子信息技术已成为世界科技的前沿，更是信息时代各国发展战略的竞争焦点。在这条道路上继续探索挖掘，做出更多实用化科研成果，正是石润华教授的科研理想与原动力。近十年来，他在量子密码理论与实用化研究方面均取得了阶段性成果。 隐私是信息时代人们关注的焦点，传统私有信息检索的查询结果泄露了部分数据库的内容，且查询条件相对单一，缺少灵活性。此外，信息论安全的私有信息检索或隐私查询，因其线性的通信开销不太适宜应用于大数据集的隐私查询。对此，石润华教授提出并定义了强(弱)隐私保护的条件查询，新的强(弱)隐私保护的条件查询，弥补了这些缺陷，使得查询条件更灵活，也能满足更精细的隐私要求。例如：对分布式数据库中特殊元素个数的不经意查询，在疫情期间为保护用户隐私的接触式跟踪查询等。其所设计的协议具有常数轮的通信带宽，因而在保护隐私的大数据挖掘与统计分析中有着重要的应用价值。相关成果发表于Scientific Reports、Physical Review A等领域内重点期刊。 借鉴概率克隆的思想，石润华教授及其团队开展了量子技术在保护隐私的多方集合运算中的应用研究，首次概率实现了无条件安全的两方计算交集势，为其它安全多方计算提供了新思路。并用量子方法，系统构建了面向安全多方集合运算的协议群。这些基础协议在保护用户隐私的网络环境中有着重要的应用价值，例如在隐私的数据挖掘，匿名认证，电子投票与电子拍卖等应用中。相关成果发表于Information Sciences、IEEE Transactions on Circuits and Systems等国际重点期刊。 在互联网繁荣的今天，电子拍卖有着很重要的应用，也是一种最常见的电子交易。在经典领域，有着很多电子拍卖的研究成果，但在量子领域，还缺少相应的理论成果。为了提高协议的安全性，石润华教授及其团队引入量子信息处理技术，系统地构建了密封投标拍卖的模型、机制与协议。为将来更广泛的全球量子网络通信及应用提供了良好的理论基础与技术储备。相关成果发表于IEEE Transactions on Circuits and Systems、IEEE Transactions on Quantum Engineering等国际重点期刊。 除此之外，石润华教授和团队还进行了量子密码协议实用化方法研究，一方面，从实用化的量子密钥分配(QKD)和有着较好实用化前景的不经意量子密钥分配(OQKD)、量子隐私查询(QPQ)等协议的应用研究入手，通过分解、降维的方法，把一些复杂的量子密码协议归约或等价为QKD、OQKD、QPQ与其它可实现的原子协议的组合，从而找到复杂量子协议的实用化方法。基于这样的技术路线，已构建了空间点与点、点与线的位置判定，两方秘密比较等问题的量子实用化求解方案。另一方面，他们定义了若干新的多方量子计算原型，并尝试了“量子处理+经典后选择”的思路;已初步设计了安全多方计算逻辑与、逻辑或、求和(乘)的基础协议。相关成果发表于IEEE Transactions on Computers、IEEE Transactions on Network and Service Management等国际重点期刊。 在经典密码应用方面，石润华教授和团队面对云、边模型，引入区块链技术，利用属性基加密、代理重加密、同态加密以及各种高效签名等密码算法，设计了面向智慧医疗、智能电网/车联网中对各敏感信息的隐私保护方案。所设计的密码应用协议或方案，能为各种新型网络环境提供安全、高效的高品质服务。 扩展量子密码功能 构建新型电力系统 20世纪以来，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对地球环境造成威胁，在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，中国提出的“碳达峰、碳中和”规划是党中央的重大决策部署。中央财经委员会指出：深化电力体制改革、构建以新能源为主体的新型电力系统，以新能源为供给主体、以确保能源电力安全为基本前提、以满足经济社会发展电力需求为首要目标，以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑，具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动基本特征的电力系统。 在这其中，量子计算作为一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，得到世界各国的高度重视。近几年来，我国在量子信息领域已具有理论和技术储备优势，产生了一批具有重要国际影响的研究成果，例如：“量子霸权”、“京沪新干线”、10量子比特计算模拟、“墨子”卫星千公里纠缠……可以预计，未来一些量子算法将真正可以在密码领域大展身手(如密码破译)，同样地，“量子霸权”也将给新型电力系统带来巨大的安全威胁。 目前，石润华教授和团队积极探索扩展量子密码功能，深入研究涉及多方的基于量子通信网络的量子密码关键技术，从分析主流量子密钥分配(QKD)协议入手，重点研究：无可信中继的多方量子密码协议设计，建立多方量子密码通信与安全模型，探寻多方量子密码实用化方法，构建较为完备的安全多方量子计算基础理论，设计量子区块链的链接方式、架构模型和核心技术，探讨量子密码在新型电力系统中的典型应用。通过研究这些关键科学和技术问题，构建多方量子密码和安全计算的基础理论，设计面向新型电力系统的量子密码协议及密钥管理方案，形成支撑和保障新型电力系统的安全理论体系，并致力于实用化。 为了符合新型电力系统的长远发展目标，必将面对“量子霸权”带来的威胁。为了确保量子安全，其前提条件是要能生成并分发大量的抗量子攻击的安全密钥。显然，传统密钥交换技术安全性达不到量子安全，而现有QKD虽然安全，但密钥生成率还远远达不到系统的海量需求。因此，他们提出了利用量子随机数生成器不断地生成量子随机数存入量子密钥池，继而用量子安全的区块链来管理、同步、分发密钥流。量子随机数生成技术(量子芯片)+量子区块链能够为新型电力系统物联网中海量传感器终端设备乃至整个电力行业按需提供安全的密钥。显然在现有区块链上或者经典计算机信息技术做不到这些，而基于量子技术的区块链可以克服传统区块链的缺陷，以应对量子霸权带来的巨大威胁。目前相关技术已获批国家发明专利2项。 立足于保护隐私为基础，把安全多方量子计算引入到电力大数据分析中，发挥量子优势，提高电力大数据的高效能利用。一方面，石润华教授和团队从两方基础协议入手，设计了两方隐私计算集合运算的量子协议;其次，基于集合运算的量子基础协议，设计了两方电力大数据隐私挖掘、关联分析的量子方案。另一方面，他们深入研究了多方隐私求最大(小)、均值、方差的量子方法，设计了相应量子协议。进而提出了电力大数据在多方数据共享且保护隐私条件下的应用方案。此外，利用量子相位编码的加同态属性，还设计了两方的隐私求内积的量子协议，并探讨了实现具有加同态属性的量子变换的实施方案和详细的电路设计，得到了电力大数据外包加密的隐私查询、区间查询的量子方案。 未来，石润华教授将力争把他们的区块链组网架构、计算模型、高效能算法引入到新型电力系统中的某些场景中加以应用推广。在场景选择上，优先考虑：绿电交易、碳排放权交易、数字化配电站房，以及新能源电动汽车充放电、电池智能监控等场景中。 量子是人类对话未来的变革性技术，前路任重道远，唯有坚持不辍，石润华教授将竭力在研究中不断突破难关，向着未来、不断奋进。
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