淺談量子通信的安全問(wèn)題

李嘉忠

（山東省青島第二中學(xué)，青島 266100）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的量子通信技術(shù)飛速發(fā)展。截至2017年9月，“京滬干線”的開(kāi)通和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的正式運(yùn)行標(biāo)志著我國(guó)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形已基本建立。不久之后，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星也實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，中國(guó)在量子通信技術(shù)上已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。展望量子通信技術(shù)的未來(lái)，在突破各種核心技術(shù)之后，量子通信技術(shù)將會(huì)在社會(huì)各界有著舉足輕重的地位，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮其重大作用。但現(xiàn)階段量子通信的安全問(wèn)題是核心問(wèn)題之一，受到了廣泛的關(guān)注。本文的重點(diǎn)就是對(duì)量子通信安全問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 量子通信的原理及安全問(wèn)題

量子通信，是利用量子糾纏效應(yīng)來(lái)傳遞信息的一種新型的通信方式。所謂的量子糾纏就是兩個(gè)及兩個(gè)以上的粒子間不管距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子狀態(tài)的改變都會(huì)影響到另一個(gè)粒子狀態(tài)的改變的現(xiàn)象。同時(shí)量子通信還是量子力學(xué)與密碼學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，其原理為利用弱相干光源發(fā)射出一定量的光子，同時(shí)使光源能級(jí)降低到一定數(shù)值使原子由激發(fā)態(tài)躍遷到正常態(tài)，向外釋放光能，產(chǎn)生的光子被激發(fā)出來(lái)，分別在這些光子上編碼信息，再通過(guò)光纖將帶有信息的光子發(fā)射到接收方，接收方通過(guò)解碼得到信息。由于量子具有不可復(fù)制性，任何微小的環(huán)境改變都會(huì)引起量子狀態(tài)的改變，而量子狀態(tài)的改變也會(huì)引起攜帶信息的改變。竊聽(tīng)者竊聽(tīng)信息時(shí)需要復(fù)制這份信息，而復(fù)制信息的過(guò)程中會(huì)引起量子狀態(tài)的改變，從而“銷毀”這份信息。這正是量子通信技術(shù)絕對(duì)安全的物理基礎(chǔ)。而在實(shí)際中量子通信技術(shù)并不能完全達(dá)到理論上的研究結(jié)果，很多技術(shù)只能退而求其次，從而導(dǎo)致了一些安全漏洞的產(chǎn)生。下文主要對(duì)安全問(wèn)題進(jìn)行分析。

（1）量子通信存在的單光子分離攻擊問(wèn)題分析

理論上量子通信的安全性是由單光子源發(fā)射出單光子，而單光子具有不可分割性和不可復(fù)制性保證的，即同一種光子不可被拆分，且沒(méi)法進(jìn)行克隆。而現(xiàn)在由于技術(shù)的不成熟，單光子源的制備存在諸多困難，所以我國(guó)現(xiàn)采用弱相干光源技術(shù)脈沖光子，它會(huì)同時(shí)脈沖出多種光子，而這些不同的光子之間是可以再進(jìn)行分割的。竊聽(tīng)者可以截取信道中的部分光子，利用脈沖將其分離出來(lái)，提取其中的量子態(tài)并存儲(chǔ)從而竊取到一模一樣的密碼本，并不會(huì)被量子通信技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)。

（2）量子通信存在的邊信道攻擊問(wèn)題分析

邊信道攻擊又叫側(cè)信道攻擊，利用一些電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的各種損耗和接收器、發(fā)射器的某些弱點(diǎn)通過(guò)一些手段使其主動(dòng)泄露信息從而竊取?，F(xiàn)階段邊信道攻擊形式多種多樣，可分為電磁攻擊、能量攻擊、故障攻擊和時(shí)間攻擊。現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的幾種邊信道攻擊方式：第一、通過(guò)電子設(shè)備中CPU緩存來(lái)監(jiān)視用戶在網(wǎng)站中的操作。第二、通過(guò)將惡意軟件植入用戶電腦，利用此軟件傳輸用戶的數(shù)據(jù)。第三、通過(guò)智能手機(jī)中FM無(wú)線電功能探測(cè)電子設(shè)備發(fā)出的無(wú)線電波等等。針對(duì)這些問(wèn)題，目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有效地解決，這需要加強(qiáng)用戶的安全意識(shí)，及時(shí)清理電腦緩存及數(shù)據(jù)，并定期給電腦查殺病毒，可能會(huì)緩解這些問(wèn)題。

2 量子通信的受限問(wèn)題及不足之處

（1）量子通信的通信距離受限問(wèn)題分析

量子通信技術(shù)是依靠光纖傳遞信息的，而光纖在傳遞信息的過(guò)程中主要會(huì)受到兩種限制：地球的曲率和光纖的損耗。而光纖損耗問(wèn)題是量子通信距離受限的主要原因。光纖技術(shù)本身就存在一定損耗，現(xiàn)在，由于光纖信道與量子通信系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)合，又會(huì)使光纖在傳遞信息時(shí)的損耗隨距離的增加而增加，這嚴(yán)重限制了通信距離。要解決這一問(wèn)題最根本的方法在于利用本征色散和本征吸收原理使光纖損耗降到最低并加強(qiáng)光纖通道與通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效結(jié)合的技術(shù)攻關(guān)，使通信光纖達(dá)到中心玻璃很細(xì)且只能傳遞一種模式的單模光纖效果。

（2）量子通信中通信效率低問(wèn)題分析

目前量子通信技術(shù)還存在產(chǎn)生單光子效率低和探測(cè)效率低等問(wèn)題。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前采用弱相干光源脈沖技術(shù)代替單光子源技術(shù)發(fā)射信息，而多數(shù)光子源發(fā)出的是空脈沖，不包含任何光子，從而造成了一些不必要的損耗，這就降低了量子通信過(guò)程中的傳輸效率。針對(duì)后者而言，這就好比一個(gè)十五瓦的燈泡在通電時(shí)每秒會(huì)產(chǎn)生約10的19至20次方個(gè)光子，要從這些光子中捕捉其中一個(gè)是極其困難的。其次，每個(gè)光子所帶能量約為4的負(fù)19次方焦耳，要對(duì)這么小的能量進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，這對(duì)儀器的精密程度有著極高的要求。這就導(dǎo)致了產(chǎn)生和探測(cè)單光子的困難，也是量子通信技術(shù)有待提高的地方之一。

3 量子通信安全問(wèn)題的解決方法

針對(duì)以上分析，本人對(duì)解決量子通信技術(shù)現(xiàn)存的安全問(wèn)題有如下建議：

第一、量子通信的安全問(wèn)題并不是由技術(shù)本身原因造成的，而是由于某些通信器械的非理想性造成的，竊聽(tīng)者利用通信過(guò)程器械的缺陷可采取多種攻擊手段。例如，針對(duì)探測(cè)器的非理想性，可采用偽態(tài)攻擊、強(qiáng)光致盲攻擊、時(shí)移攻擊等方式。單光源探測(cè)器就存在強(qiáng)光致盲現(xiàn)象。通過(guò)用強(qiáng)光照射單光子探測(cè)器，使單光子探測(cè)器的光電流增大，從而導(dǎo)致了探測(cè)器的反向偏壓降低，這勢(shì)必會(huì)對(duì)探測(cè)器的探測(cè)造成嚴(yán)重影響，使得竊聽(tīng)者能抓住漏洞竊取信息。同時(shí)，竊聽(tīng)者利用光源的非理想性，可采用光子數(shù)分離攻擊、非可信光源攻擊、多光源差異攻擊等攻擊方式；利用通信道中光學(xué)器件的非理想性可采取脈沖攻擊、相位重映射攻擊、法拉第鏡攻擊等攻擊方式，這里不展開(kāi)論述。對(duì)此，通過(guò)分析安全問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)相關(guān)光學(xué)器件進(jìn)行理想性改良，可大大提高量子通信的安全性

第二、由于目前量子通信技術(shù)的不成熟，單光子源的制備存在諸多困難。例如，要滿足單光子源的需要，既需要發(fā)射源發(fā)出的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，又要使量子點(diǎn)密度很低。而目前的大量實(shí)驗(yàn)證明，這是很難獲得的。所以我國(guó)目前采用脈沖技術(shù)代替單光子源發(fā)射技術(shù)進(jìn)行發(fā)射光子實(shí)現(xiàn)信息傳遞，這就造成了脈沖出不止一種光子，而多種光子之間是可以再進(jìn)行分割的，這樣就沒(méi)有了量子通信理論上的安全基礎(chǔ)。這需要我國(guó)加強(qiáng)單光子源制備技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)真正的單光子源發(fā)射技術(shù)，將真正實(shí)現(xiàn)量子通信的絕對(duì)安全性。

第三、加強(qiáng)信息發(fā)射方與接收方的安全意識(shí)，加強(qiáng)對(duì)信息傳遞過(guò)程中的監(jiān)控工作。首先，由于竊聽(tīng)者采用的技術(shù)手段比較極端，我們必須要假設(shè)竊聽(tīng)者已經(jīng)掌握了量子通信的全部技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全問(wèn)題研究才能保證不再會(huì)有監(jiān)控盲區(qū)。其次，一旦發(fā)現(xiàn)信息傳遞過(guò)程中的異樣問(wèn)題，應(yīng)立即終止傳輸或銷毀有關(guān)數(shù)據(jù)，避免竊聽(tīng)者順利地竊取數(shù)據(jù)。這也是一種較為有效的辦法。

4 總結(jié)與展望

量子通信在實(shí)際應(yīng)用中存在的安全問(wèn)題改變了人們對(duì)量子通信技術(shù)無(wú)條件安全的認(rèn)識(shí)。但隨著科技的發(fā)展，量子通信技術(shù)也在不斷發(fā)展完善，各國(guó)也都極為重視并大力發(fā)展。過(guò)去二十年間量子通信技術(shù)飛速發(fā)展，正說(shuō)明量子通信技術(shù)的發(fā)展存在巨大潛力，擁有著廣發(fā)的應(yīng)用前景。在未來(lái)量子通信技術(shù)成熟后，必將實(shí)現(xiàn)更安全、更高效、更實(shí)用的通信，應(yīng)用到人們?nèi)粘９ぷ髋c生活中，并在國(guó)防安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮其巨大作用。