從科研轉(zhuǎn)入試點量子通信有望徹底解決通信安全問題

聯(lián)通西安研究院 | 席曉

從科研轉(zhuǎn)入試點量子通信有望徹底解決通信安全問題

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量子通信技術(shù)具有安全性極高、通信容量大、傳輸速度快等優(yōu)點，可以完成傳統(tǒng)通信不能完成的特殊任務。

隨著電子商務、移動支付和互聯(lián)網(wǎng)金融等新興業(yè)務的蓬勃發(fā)展，通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的觸角已經(jīng)深入到社會經(jīng)濟生活的各個角落，人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴度越來越高，網(wǎng)絡(luò)極大地改變了人們的生存模式，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?；但網(wǎng)絡(luò)在帶給人們便利的同時，其安全問題也日益凸顯，盡管在網(wǎng)絡(luò)中保障網(wǎng)絡(luò)安全的各種設(shè)備和新技術(shù)已經(jīng)層層布防，但是諸如12306網(wǎng)站包含用戶身份證及密碼信息的數(shù)據(jù)泄露、快遞1400萬信息外露、2014年的1月21日我國互聯(lián)網(wǎng)DNS大劫難等網(wǎng)絡(luò)安全問題頻頻出現(xiàn)，這些不斷曝光的監(jiān)控竊聽丑聞和用戶隱私泄露事件，進一步加劇了人們對于網(wǎng)絡(luò)信息安全的憂慮與關(guān)注，有沒有一種技術(shù)可以有效解決網(wǎng)絡(luò)安全問題？量子通信技術(shù)具有極高安全性、通信容量大、傳輸速度快等優(yōu)點，可以完成傳統(tǒng)通信不能完成的特殊任務，利用無法破譯的秘鑰技術(shù)，實現(xiàn)真正意義上的安全保密通信，近年來世界各國科學家都對該技術(shù)進行了密切關(guān)注和深入研究，并將其視為通信技術(shù)的又一次革命。

什么是量子通信

量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信技術(shù)，由量子論和信息論相結(jié)合而產(chǎn)生。從物理學角度看，量子通信是在物理極限下利用量子效應現(xiàn)象完成的高性能通信，從物理原理上確保通信的絕對安全，解決了通信技術(shù)無法解決的問題，是一種全新的通信方式。從信息學角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隱形傳輸?shù)忍匦?，借助量子測量的方法實現(xiàn)兩地之間的信息數(shù)據(jù)傳輸。量子通信中傳輸?shù)牟皇墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。

主要組成

量子通信主要由量子密鑰分配( QKD，Quantum Key Distribution)、量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC，Quantum Secure Direct Communication)、量子機密共享( QSS，Quantum Secret Sharing) 等4個方面構(gòu)成。

量子密鑰分配（Quantum Key Distribution)以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學的測不準關(guān)系和量子不可克隆定理，通過量子信道使通信收發(fā)雙方共享密鑰，是密碼學與量子力學相結(jié)合的產(chǎn)物。QKD技術(shù)在通信中并不傳輸密文，只是利用量子信道傳輸密鑰，將密鑰分配到通信雙方?；赒KD 技術(shù)的保密通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

目前，各國學者在理論上已經(jīng)提出了幾十種量子密鑰分配方案，根據(jù)信號源的不同大概可分為3類:基于單量子的量子密鑰分配方案；基于量子糾纏對的量子密鑰分配方案；基于單量子與量子糾纏對的混合量子密鑰分配方案。

量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)又稱量子遠程傳態(tài)或量子離物傳態(tài)，是利用量子糾纏的不確定特性，將某個量子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，然后將另一個量子制備到該量子態(tài)上，而原來的量子仍留在原處。其基本原理是利用量子糾纏對的遠程關(guān)聯(lián)，通過對其中一個糾纏量子和某一個未知量子態(tài)進行一些本地測量，實現(xiàn)這個未知量子態(tài)在另一個糾纏量子上再現(xiàn)出來。量子態(tài)傳送過程是隱形的，通信過程中傳輸?shù)闹皇潜磉_量子信息的“狀態(tài)”，而并不傳輸作為信息載體的量子本身，通信沒有經(jīng)歷空間與時間，不發(fā)送任何量子態(tài)，而是將未知量子態(tài)所包含的信息傳送出去。

量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication)是指通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學相關(guān)原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機密信息的通信技術(shù)。

QSDC是量子通信技術(shù)的一個重要分支，主要用于直接傳輸機密信息。通信的收發(fā)雙方無需事先建立安全密鑰，就可以直接通過量子通道進行信息傳輸。QSDC與量子密鑰分發(fā)的根本區(qū)別在于在量子信道中直接傳遞秘密信息，安全性要求比量子密鑰分配高，但總體而言，QSDC方案還存在非實時及其量子信道信息所需要的糾纏態(tài)、量子存儲等技術(shù)還不成熟的問題。

量子機密共享(QSS)是傳統(tǒng)的機密共享在量子通信中的運用和發(fā)展，傳統(tǒng)的機密共享旨在對重要的密鑰進行安全保護，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復出真實的密鑰。其主要實現(xiàn)思路是，將原始密鑰分割成多份，然后將多份密鑰分別發(fā)給多個用戶，每個用戶都只能獲取一份或多份密鑰份額，只有在多個密鑰分享者合作下，才能恢復出原始的密鑰，不能滿足上述條件的共享者將無法得到全部的密鑰。通過使用機密共享方案，可以在分享機密信息的同時，防止不誠實用戶的破壞企圖。

量子機密共享是多個通信方之間通過多量子糾纏態(tài)實現(xiàn)的量子通信，但現(xiàn)實應用技術(shù)難度大，還基本處在理論研究階段。1999年，Hillery、Buzek和Berthiaume提出了首個量子機密共享方案，隨后，各國學者又相繼提出了大約十幾種理論方案，包括共享一個未知態(tài)的一些方案，并于2001年在實驗上進行了演示。

體系架構(gòu)

量子通信系統(tǒng)的基本模型如圖2所示。其中，量子信源：以盡可能少的量子比特來表示輸入符號，從而將要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)化成量子比特流；量子編碼器：對量子比特流進行編碼，達到數(shù)據(jù)壓縮或加入糾錯碼對抗噪聲的目的；量子調(diào)制器：使量子信號的特性與信道特性匹配；量子解調(diào)器：通過量子操作得到調(diào)制前的量子信息；量子傳輸信道：傳送量子信號的通道；輔助信道：經(jīng)典信道及其它附加信道；量子信道噪聲：環(huán)境對量子信號影響的等效描述；量子譯碼器：把量子比特轉(zhuǎn)化成經(jīng)典信息；量子信宿：量子信息的接收方。目前，在量子通信系統(tǒng)的實際應用中，一般采用“量子信道+輔助經(jīng)典信道”的方式完成非理想的量子密鑰分發(fā)或量子密碼通信，在經(jīng)典信道輔助下，通信雙方利用量子信道實現(xiàn)量子信息的交互和同步，獲取量子密鑰。

較傳統(tǒng)通信具備“不可克隆性”

量子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有如下主要特點和優(yōu)勢:首先，具有極高的安全性和保密性，根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測就會產(chǎn)生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)，量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進行無線監(jiān)聽或探測；其次，時效性高傳輸速度快，量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對于經(jīng)典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過程沒有障礙，傳輸速度快；再次，抗干擾性能強，量子通信中的信息傳輸不通過傳統(tǒng)信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比相較傳統(tǒng)通信手段低30～40dB；最后，傳輸能力強，量子通信與傳播媒介無關(guān)，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。

未來將與傳統(tǒng)通信深度融合

目前，各主要國家對于量子通信的技術(shù)開發(fā)都投入了大量的人力和財力，我國目前在量子通信領(lǐng)域處于世界前列，已經(jīng)取得了豐碩成果，部分領(lǐng)域甚至是世界領(lǐng)先，未來量子通信必將為我國經(jīng)濟的快速發(fā)展添磚加瓦。

量子通信不僅具有絕對安全保密性，還具備無障礙傳輸通信能力，這些優(yōu)良特性決定了其將具有廣闊的無法估量的應用前景。隨著我國以及國外對信息安全的高度重視和對通信速率的旺盛需求，具有安全可靠和高速傳輸優(yōu)勢的量子通信，將是未來網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主流通信技術(shù)，也將成為未來通信技術(shù)的一次偉大的革命，改寫未來信息產(chǎn)業(yè)的格局。

目前，量子通信的基本理論和和框架已經(jīng)形成，在單光子、量子探測、量子存儲等量子通信關(guān)鍵技術(shù)獲得發(fā)展和突破條件下，各種理論體系正日趨完善，量子通信技術(shù)已經(jīng)從科研階段逐步進入試點應用階段；量子通信的絕對保密性也決定了其在軍事、國防、金融等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景，隨著技術(shù)日趨完善和成熟，在未來的大眾商業(yè)市場中，量子通信將具有極大的應用潛力。

量子通信應用試點逐步開展，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化趨勢已經(jīng)形成，量子密鑰分發(fā)保密通信的高安全性所蘊含的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟價值備受政府、學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的重視，近年來試點應用和產(chǎn)業(yè)化也呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢；量子通信的試點應用催生了一批由科研機構(gòu)孵化的量子技術(shù)科技產(chǎn)業(yè)實體，能夠提供初步商用化的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)器件、終端設(shè)備和整體應用解決方案，進行量子保密通信前沿研究成果向應用技術(shù)和商用化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，同時國家對于量子通信的專項投入和政策扶持也為其快速發(fā)展注入了強勁動力。

量子通信與現(xiàn)有通信的融合將是一個相互取長補短的過程，未來量子通信將與現(xiàn)有通信深度融合——量子通信不會完全替代現(xiàn)有的通信技術(shù)，而是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，在物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層將兩者進行融合。

關(guān)于量子通信技術(shù)的三項建議

量子通信是關(guān)系到我國信息安全的戰(zhàn)略性技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展?jié)摿薮?，不過想要推進量子通信技術(shù)的逐步完善以及實際應用，不能僅依靠幾所高校、科研院所和幾家企業(yè)，相關(guān)政府部門、行業(yè)甚至社會力量都應參與其中。

筆者根據(jù)我國目前量子通信的實際發(fā)展情況，提出如下發(fā)展建議。

首先，政府及相關(guān)機構(gòu)要加大對量子通信相關(guān)研究的投入，尤其在量子通信技術(shù)還需要繼續(xù)完善的技術(shù)環(huán)節(jié)上，重視對量子通信理論、實現(xiàn)方法及相關(guān)終端等器件的研發(fā)，以保持我國在量子通信研究上的持續(xù)領(lǐng)先優(yōu)勢；進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，解決量子通信設(shè)備的小型化和輕量化問題，降低相關(guān)設(shè)備的制造和運行成本，使最新量子通信研究成果在實際系統(tǒng)中及時得到轉(zhuǎn)化并得到普及應用。

其次，要重視量子通信的相關(guān)專利和標準編寫，隨著量子通信技術(shù)和產(chǎn)品逐漸進入商業(yè)化運作，相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)標準已成為不容忽視的問題。鑒于以往我國信息產(chǎn)業(yè)在專利或標準之爭中得到的深刻教訓，應重視量子通信相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的專利申請及標準制定問題，組織相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜伊α?，進行整體安排和部署，以最大限度保障國家知識產(chǎn)權(quán)利益。

最后，對于已經(jīng)成熟的量子通信技術(shù)，要加快其在實際當中的應用，前期要區(qū)分對象推廣應用，量子通信最大的優(yōu)勢在于“防竊聽”、“一次一密”、“絕對安全”，因此最適合于政府、銀行、金融證券、大型企業(yè)集團等保密通信要求較高的場合。而對于一般應用場合或普通公眾來說，量子通信的高保密性與傳統(tǒng)通信的高效、便捷、低成本且相對安全的特點相比，目前來說也許并非最佳的選擇。因此，對于量子通信產(chǎn)品的提供者來說，應該緊密圍繞市場需求進行應用推廣和市場宣傳。同時，也應根據(jù)民用通信安全的需求開發(fā)出成本更低廉、使用更便捷的產(chǎn)品，在解決目前重要部門通信安全的急需后逐步向廣闊的民用市場輻射。

圖1 基于QKD的量子保密通信系統(tǒng)

圖2 量子通信系統(tǒng)體系架構(gòu)