量子通信理論和應(yīng)用

王尊

摘 要：量子通信是經(jīng)典通信和量子力學(xué)結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科。文章綜述了量子通信的基本原理、方法與應(yīng)用；介紹了量子通信技術(shù)近年來(lái)取得的應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)發(fā)展作了展望。

關(guān)鍵詞：量子通信；BB84協(xié)議量子密碼

中圖分類號(hào)：O413；TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）18-0084-02

在信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)安全是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。信息安全已經(jīng)得到了各國(guó)政府的高度重視，一方面要保護(hù)自己的安全，另一方面要攻擊對(duì)方，信息保護(hù)的升級(jí)刻不容緩。

1 現(xiàn)代密碼學(xué)

現(xiàn)代密碼學(xué)的基本思想是發(fā)送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數(shù)字發(fā)送給接收方。密鑰是隨機(jī)數(shù)0、1，將其與要傳送的數(shù)字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應(yīng)的解密算法，反變換將明文提取出。

密碼體制分為兩類：一類叫對(duì)稱密鑰（非公開(kāi)密鑰），它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關(guān)鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密（one time pad）的密碼，用與明文等長(zhǎng)的二進(jìn)制密鑰與明文異或得密文，并且每個(gè)密鑰使用一次就銷毀，根據(jù)香農(nóng)的證明一次一密是無(wú)法破譯的。

另一類叫非對(duì)稱密鑰（公開(kāi)密鑰），加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開(kāi)，發(fā)送者發(fā)送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開(kāi)的加密密鑰推導(dǎo)出解密密鑰需要耗費(fèi)極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實(shí)際做不到，所以，在當(dāng)今社會(huì)受到廣泛使用。

一旦量子計(jì)算機(jī)研制成功，它可以更快速的破解數(shù)學(xué)難題，公開(kāi)密鑰就面臨了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 量子密碼

無(wú)論采用哪種方法，都無(wú)法避免“截取-重發(fā)”的威脅。為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，需要無(wú)條件安全的一次一密的加密方案；但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸?shù)墓ぞ?。一次一密不可破譯加上密鑰傳輸不可以竊聽(tīng)，從理論上就可以做一個(gè)“絕對(duì)安全”的量子保密通信。

量子密碼是利用信息載體（例如光子等粒子）的量子特性，以量子態(tài)作為符號(hào)描述的密碼，它的安全性是由量子力學(xué)的物理原理保障的。

①測(cè)量塌縮理論：除非該量子態(tài)本身即為測(cè)量算符的本征態(tài)，否則對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)導(dǎo)致“波包塌縮”，即測(cè)量將會(huì)改變最初的量子態(tài)。②不確定原理：不能同時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易物理量。③不可克隆原理：無(wú)法對(duì)一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行精確的復(fù)制。④單個(gè)光子不可再分：不存在半個(gè)光子。

3 量子通信

量子通信，廣義是指量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，內(nèi)容包括量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換、量子密鑰分配；狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。

3.1 單光子的偏振態(tài)

本文介紹采用BB84協(xié)議實(shí)現(xiàn)的量子通信，在發(fā)送者和接收者之間用單光子的偏振態(tài)作為信息的載體。有兩種模式：一個(gè)是直線模式，光子偏振態(tài)的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示；一個(gè)是斜線（對(duì)角）模式，光子偏振態(tài)的偏振方向與垂直線稱45 ？觷角，如圖2所示。

3.2 基于BB84協(xié)議下的“制備-測(cè)量”

依照慣例，密碼學(xué)家稱發(fā)送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機(jī)用直線模式或?qū)悄Ｊ桨l(fā)出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機(jī)決定用兩種模式之一測(cè)量接收到的光子，同時(shí)記下采用檢偏器的模式和測(cè)量結(jié)果值。傳送結(jié)束后，Alice與Bob聯(lián)絡(luò)，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測(cè)量，然后Alice會(huì)告訴Bob哪些模式是錯(cuò)誤的，這一過(guò)程無(wú)須保密。之后他們會(huì)刪除使用錯(cuò)誤模式測(cè)量的光子，而正確模式測(cè)量出的光子按照統(tǒng)一規(guī)定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。

3.3 發(fā)生竊聽(tīng)

根據(jù)“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”，任何測(cè)量都無(wú)法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽(tīng)者想要復(fù)制一個(gè)完全相同的光子是根本不可能的事情。同時(shí)，任何截獲或測(cè)量量子密鑰的操作都會(huì)改變量子狀態(tài)，竊聽(tīng)者只得到無(wú)意義的信息，而信息合法接受者也可以從量子態(tài)的改變，知道存在竊聽(tīng)者。

密碼學(xué)家通常稱竊聽(tīng)者為Eve，同Bob一樣只能隨機(jī)選擇一種測(cè)量模式，當(dāng)她采用錯(cuò)誤的測(cè)量方式對(duì)某一光子測(cè)量時(shí)，由于波包塌縮，光子的偏振態(tài)會(huì)改變。比如，Eve使用對(duì)角模式測(cè)量直線模式下的光子態(tài)，光子態(tài)會(huì)塌縮為對(duì)角模式。之后即使Bob選擇了正確的測(cè)量模式測(cè)量該光子，Bob可能會(huì)得到不符合編碼信息的測(cè)量結(jié)果，這就產(chǎn)生了誤差，具體通信過(guò)程如圖3所示。

Eve竊聽(tīng)一個(gè)光子采用錯(cuò)誤測(cè)量模式的概率是50%；采用錯(cuò)誤模式時(shí)，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發(fā)現(xiàn)。但密鑰并非一個(gè)光子組成，光子數(shù)越多被發(fā)現(xiàn)的概率就會(huì)越高。當(dāng)誤碼率低于閾值，就可以稱這個(gè)密碼是安全的；當(dāng)誤碼率超過(guò)閾值，就稱密碼被竊聽(tīng)，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過(guò)程中沒(méi)有竊聽(tīng)者存在，接下來(lái)進(jìn)行一次一密的傳送。通過(guò)這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。

3.4 量子信道與經(jīng)典信道

發(fā)送方通過(guò)量子信道傳送量子態(tài)光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測(cè)量，檢測(cè)出0、1組成的量子密鑰，還需要一個(gè)經(jīng)典信道。因?yàn)槭遣捎靡淮我幻芊绞剑越?jīng)典信道需要定時(shí)傳送同步信號(hào)。

4 量子通信現(xiàn)狀

由于量子通信技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上的一些國(guó)家，特別是美國(guó)、日本、歐盟都投入了大量的人力物力，進(jìn)行量子通信的理論與實(shí)驗(yàn)研究。2002年美國(guó)BBN公司，哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)開(kāi)始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)絡(luò)。2010年日本在三個(gè)政府機(jī)構(gòu)之間使用量子密鑰分配技術(shù)，并與2010年10月在東京演示了一個(gè)城域量子保密通信網(wǎng)。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個(gè)城域QKD網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)也在量子通信技術(shù)的道路上不斷發(fā)展。2012年“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”是世界首次利用量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)金融信息的傳輸。2012年黨的“十八大”期間在部分核心部位部署量子通信系統(tǒng)。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項(xiàng)，打造廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié) 語(yǔ)

量子通信還有一些技術(shù)難題未攻破，例如信道的干擾，設(shè)備的非理想特性，身份驗(yàn)證、密鑰存儲(chǔ)等技術(shù)需要進(jìn)一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破，但在實(shí)際中還有一些漏洞需要考慮。在未來(lái)幾年，相信我國(guó)在中央、地方政府及相關(guān)部門(mén)大力支持下，通過(guò)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)的努力，量子通信技術(shù)會(huì)不斷完善，量子通信產(chǎn)業(yè)也必將取得飛速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宗禾.量子通信為何能保密[N].科技金融時(shí)報(bào)，2013-07-12.

[2] 徐啟建，金鑫，徐曉帆.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].中國(guó)電子科技研究院學(xué)報(bào)，2009，（5）.

[3] 李林洋，盧曉波，潘岳.量子通信的發(fā)展概況[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2011，（4）.

[4] 蘇曉琴，郭光燦.量子通信與量子計(jì)算[J].量子電子學(xué)報(bào)，2004，（6）.

[5] 薛鵬，郭光燦.量子通信[J].物理，2002，（6）.