經(jīng)典物理層高速密鑰分發(fā)研究進展

高 華，王安幫，王云才

1. 新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室(太原理工大學)，太原030024

2. 太原理工大學物理與光電工程學院, 太原030024

3. 廣東工業(yè)大學信息工程學院，廣州510006

4. 廣東省光子學信息技術(shù)重點實驗室，廣州510006

信息加密傳輸是網(wǎng)絡(luò)空間安全的核心技術(shù)之一. 目前使用的加密技術(shù)主要是算法加密，包括對稱算法加密、非對稱算法加密兩種技術(shù). 對稱加密是通信雙方采用相同的數(shù)學算法和種子產(chǎn)生一致密鑰；非對稱加密則通過大數(shù)因子分解等數(shù)學難題產(chǎn)生一對公鑰和私鑰，然后利用公鑰加密、私鑰解密. 隨著計算能力的飛速提升，算法加密在原理上始終存在著被破解的可能性. 例如，非對稱加密RSA-768 和對稱加密AES-256 技術(shù)先后于2009年和2017年被破解.

根據(jù)Shannon“一次一密”理論，安全的保密通信需要通信雙方擁有相同的隨機數(shù)作為密鑰，其速率既不能低于數(shù)據(jù)速率又不能重復使用[1]，因此密鑰的高速分發(fā)是保密傳輸最重要的核心技術(shù).

量子密鑰分發(fā)是基于量子不可克隆和測不準原理的物理層密鑰分發(fā)方法[2]，受到了廣泛的關(guān)注和國家持續(xù)強有力的支持. 以潘建偉院士為代表的中國學者率先開展了示范工程探索，如2016年“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，2017年“京滬干線”量子保密通信示范線路首次調(diào)試，實現(xiàn)了大于20 kbit/s 的密鑰分發(fā)速率. 未來量子密鑰分發(fā)研究亟需攻克密鑰速率瓶頸以及與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容等關(guān)鍵問題.

在寬帶中國戰(zhàn)略指引下，寬帶通信已經(jīng)進入千兆接入網(wǎng)、100G 骨干網(wǎng)時代，這對信息加密技術(shù)提出了更高的要求. 因此，研究者們不斷探索基于經(jīng)典物理原理的高速安全密鑰分發(fā)技術(shù)，以期實現(xiàn)密鑰分發(fā)速率的突破. 迄今為止，已報道的經(jīng)典密鑰分發(fā)方案主要基于光纖激光器參數(shù)隨機選擇、物理不可克隆函數(shù)、光纖信道噪聲以及混沌激光同步等技術(shù). 本文將簡述上述4 種方案的基本原理及主要研究進展.

1 基于光纖激光器參數(shù)選擇的密鑰分發(fā)

2006年，Scheue 和Yariv 提出基于光纖激光器波長隨機選擇的密鑰分發(fā)方案[3]，其原理如圖1(a)所示. 通信雙方Alice 和Bob 分別控制光纖激光器兩端腔鏡的反射中心波長并對其進行編碼（λ0和λ1分別為0 和1），獨立地隨機選擇中心波長進行密鑰分發(fā). 當雙方選擇相同波長時，激光器輸出相應(yīng)波長的激光；當雙方選擇不同波長時，激光器均輸出波長為λT=(λ0+λ1)/2的激光. 對于后者，竊聽者Eve 無法確定通信雙方的選擇，因而可用于密鑰分發(fā). 雙方根據(jù)探測激光器中心波長和己方的波長選擇確定對方的波長選擇情況后進行密鑰分發(fā). 2008年，Scheue 等對此方案進行了實驗驗證，實現(xiàn)了距離為25 km、速率為167 kbit/s的密鑰分發(fā)[4]，實驗結(jié)果如圖1(b)中的藍色和紅色曲線所示. 當Alice 和Bob 處于01 和10 兩種波長選擇狀態(tài)時，激光器的光譜重疊，難以區(qū)分.

增加λ0與λ1波長間隔使相應(yīng)反射譜無交疊，則當雙方選擇不同波長時，激光器從λT狀態(tài)變?yōu)闊o激光振蕩的暗態(tài)，如圖2(a)中0 1 和1 0 兩個狀態(tài). 利用光纖激光器暗態(tài)進行密鑰分發(fā)可以提高安全強度，如圖2(b)所示，由此可見從激光器輸出強度的時間序列上無法區(qū)分兩個暗態(tài).

圖1 基于光纖激光器波長選擇的密鑰分發(fā)Figure 1 Key distribution using wavlength selection of fiber laser

圖2 利用光纖激光器暗態(tài)的波長選擇密鑰分發(fā)[6]Figure 2 Key distribution based on dark state of fiber laser with wavelength selection[6]

2015年，Tonello 等提出腔長隨機選擇的密鑰分發(fā)方案[5]. 相似地，通信雙方各自利用一段光纖獨立隨機地改變光纖激光器的腔長，從而控制激光器縱模間隔：當兩者跳線長度的選擇不同卻能保證腔長不變時，激光器縱模間隔保持不變，竊聽者無法得知通信雙方的具體選擇，顯然可以進行密鑰分發(fā).

對于此類光纖激光器參數(shù)選擇密鑰分發(fā)方案，可以利用拉曼增益增加分發(fā)距離[6]，如El-Taher 等實現(xiàn)了距離為500 km、速率為100 bit/s 的密鑰分發(fā)；也可以通過波分復用提高密鑰分發(fā)速率[7]. 這類方案中使用連續(xù)光纖激光器，其增益由摻鉺光纖放大器[3-5,7]或拉曼放大器[6]提供. 然而，通信雙方每傳輸1 bit 密鑰，腔內(nèi)光場須至少往返一周，故在原理上光纖激光器密鑰分發(fā)速率與腔長即傳輸距離成反比. 實現(xiàn)長距離、Gbit/s 量級的高速密鑰分發(fā)需要原理性突破.

2 物理不可克隆函數(shù)

物理不可克隆函數(shù)（physical unclonable function, PUF）是內(nèi)在構(gòu)造具有唯一性和復雜性的物理實體內(nèi)，對任一激勵信號可產(chǎn)生唯一且不可預測的響應(yīng)信號. 光學散射體是一種典型的PUF.

2013年，Horstmeyer 等提出基于光學散射體PUF 的密鑰分發(fā)方案并進行了實驗驗證[8]，其原理如圖3所示. Alice 和Bob 利用各自散射體作為PUF，將預設(shè)空間分布p1,···,n的入射光映射成一系列散斑圖樣，然后轉(zhuǎn)換為隨機數(shù)密鑰k1,···,n(A)、k1,···,n(B). 雙方將異或k1,···,n(A)⊕k1,···,n(B)作為公鑰與激勵p1,···,n一同保存在公共數(shù)字電子詞典中. 通信時，Alice 通過激勵與PUF A 重新生成私鑰用于加密；Bob 使用相同激勵及PUF B 生成其私鑰，再與詞典中的公鑰進行異或計算即可獲得Alice 私鑰，從而進行解密.

圖3 基于物理不可克隆函數(shù)的密鑰分發(fā)原理圖[8]Figure 3 Schematic diagram of key distribution based on physical unclonable function[8]

根據(jù)原理可知，利用物理不可克隆函數(shù)產(chǎn)生隨機密鑰的長度有限，因此密鑰必定會被重復使用，但這不滿足Shannon“一次一密”的要求，難以承受已知明文的攻擊. 此外，物理散射體結(jié)構(gòu)特性的長期不穩(wěn)定性會導致公鑰失效，因此雙方需要定期“會晤”以更新數(shù)字電子詞典，不過這個過程可能會帶來不安全因素.

3 光纖信道噪聲

1993年，Maurer 等從理論上證明：在一定條件下，通信雙方可以采樣量化具有相關(guān)性的噪聲熵源，并在異地同時產(chǎn)生一致隨機數(shù)作為密鑰，從而實現(xiàn)信息論安全的密鑰分發(fā)[9]. 這個理論最早用于無線通信，利用無線信道的短時互易性使雙方獲得相同的信道噪聲，進而產(chǎn)生一致密鑰；信道的路徑相關(guān)性可防止竊聽[10]. 然而，受限于環(huán)境噪聲帶寬、大氣傳輸損耗等因素，無線通信密鑰分發(fā)速率低且距離短.

2013年，Prucnal 等提出利用光纖信道噪聲互易性進行密鑰分發(fā)[11]，通過實驗實現(xiàn)了傳輸距離為26 km、速率為160 bit/s、誤碼率小于0.04 的密鑰分發(fā)，其原理如圖4(a)所示. 通信雙方Alice 和Bob 之間構(gòu)建光纖馬赫-曾德爾干涉儀，利用雙臂干涉測量光纖信道中的相位噪聲. 根據(jù)干涉原理，干涉儀輸出功率正比于x=(1+cos?φ)/2，其中?φ為雙臂之間的相位差；根據(jù)路徑互易性，雙方觀測到的功率波形具有高度相關(guān)性. 因此，對x(t)采樣量化可異地同時產(chǎn)生共享隨機密鑰. 需要指出的是，雙方需要采用寬帶光源注入干涉儀以防止竊聽者直接測量相位變化，有利于提高安全性. 此方法的安全性也來自于信道噪聲的路徑相關(guān)性，即因位置不同竊聽者無法獲得與通信雙方相關(guān)的信號.

2018年，胡衛(wèi)生教授等提出基于正交偏振模延遲干涉的密鑰分發(fā)方法[12]，其原理如圖4(b)所示. Alice 和Bob 利用一根保偏光纖構(gòu)建偏振模延遲干涉儀，從干涉儀一端注入線偏振光，經(jīng)過偏振器后激發(fā)得到兩個正交偏振模式. 由于偏振模色散的存在，兩者經(jīng)過保偏光纖傳輸后的相位差為?φ=2π?nL/λ，其中λ為波長，?n為兩個偏振模式的折射率之差，L為保偏光纖長度. 此相位差對外界環(huán)境變化（如溫度、壓力和機械變化）高度敏感而隨時間隨機變化. 根據(jù)路徑互易性理論，雙方注入線偏光之后所測量到的偏振模干涉光強度I相同并且僅與偏振模式相位差有關(guān)，可以用作熵源產(chǎn)生共享隨機密鑰. 此方案通過實驗實現(xiàn)了傳輸距離為25 km、速率為220 bit/s、誤碼率為0.05 的密鑰分發(fā). 同年，該課題組基于類似原理利用偏振態(tài)的斯托克斯參量實現(xiàn)了傳輸距離為25 km、速率為213 bit/s 的密鑰分發(fā)[13].

2019年，Bromberg 等提出利用多模光纖中的模式隨機混合進行密鑰分發(fā)[14]，其原理如圖4(c)所示. 通信雙方根據(jù)單模光纖與多模光纖耦合位置選定光在多模光纖中的傳播路徑，并借助該路徑的互易性和唯一性實現(xiàn)密鑰安全分發(fā). 實驗利用波段為1 550 nm、纖芯直徑為62.5 μm 的多模光纖實現(xiàn)距離為1 km、速率為20 Hz 的密鑰分發(fā). 由于多模光纖損耗大，該方案無法實現(xiàn)長距離密鑰分發(fā).

圖4 基于光纖信道噪聲的密鑰分發(fā)Figure 4 Key distribution based on fiber channel noise

在上述基于光纖信道噪聲的密鑰分發(fā)方案中，密鑰速率受噪聲信號帶寬限制. 以如圖5 所示的馬赫-曾德爾干涉儀方法為例，相位噪聲帶寬隨著干涉儀臂長的增加而增加，表明干涉儀越長對外界噪聲越敏感，但即使在臂長為26 km 的情況下，信號頻寬也只有1 kHz[11]. 若增加光纖距離，將難以保持信道傳輸互易性——信道兩端噪聲特征的一致性. 2019年，胡衛(wèi)生教授課題組引入有源偏振擾動器來加速偏振態(tài)的隨機波動，實現(xiàn)了速率為200 kbit/s 的密鑰分發(fā)[15].

2019年，張杰教授等提出利用信道誤碼率測試進行密鑰分發(fā)[16]，其基本原理是數(shù)字信號在鏈路傳輸中的誤碼率互易性，如圖6 所示. Alice 發(fā)送的信息傳送給Bob，后者解調(diào)后再回傳，這樣Alice 就可以測量鏈路噪聲引入的誤碼率——通過短時、連續(xù)測量可得到誤碼率隨時間的隨機波動；根據(jù)信道互易性，Bob 也可以得到高度相似的誤碼率波動序列. 雙方對同步的誤碼率波動信號進行采樣量化后產(chǎn)生一致隨機數(shù)以實現(xiàn)密鑰分發(fā)，并通過實驗實現(xiàn)了傳輸距離為200 km、速率為2 Mbit/s、誤碼率為0.02 的密鑰分發(fā). 該方法避免了光纖信道噪聲帶寬的限制，但其密鑰速率受限于誤碼率測量時間.

圖5 馬赫-曾德爾干涉儀中相位波動的頻譜Figure 5 Spectra of phase fluctuation in Mach-Zehnder interferometer

4 基于混沌激光同步的密鑰分發(fā)

混沌激光因其寬頻譜、大振幅的隨機起伏特性而用作物理熵源產(chǎn)生高速隨機數(shù)[17]. 此外，兩個混沌激光器在結(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配條件下可以實現(xiàn)混沌同步[18]，產(chǎn)生高度相關(guān)的混沌波形，因此可以根據(jù)Maurer 理論利用混沌激光同步進行密鑰分發(fā). 目前，基于混沌激光同步的密鑰分發(fā)可以分為混沌掩藏私鑰交換、鍵控混沌同步密鑰分發(fā)兩類方法.

混沌激光的頻譜帶寬可達數(shù)十GHz，作為物理熵源實時產(chǎn)生隨機密鑰的速率可達20 Gbit/s[19]；且混沌激光帶寬不會受長距離傳輸影響，可見基于混沌激光同步的密鑰分發(fā)速率與傳輸距離不相關(guān)，因此這類方案有望實現(xiàn)Gbit/s 量級的長距離密鑰分發(fā).

4.1 混沌掩藏私鑰交換

2010年，Kanter 等首次提出混沌掩藏私鑰交換方案[20]. 2016年，Porte 等通過實驗實現(xiàn)了速率為11 Mbit/s 的背靠背密鑰分發(fā)[21]，其實驗裝置如圖7(a)所示. 通信雙方利用參數(shù)匹配的半導體激光器互耦合實現(xiàn)混沌同步，注意圖中由環(huán)形器構(gòu)成的光纖環(huán)同時起到光反饋和光注入的作用. 雙方將各自私鑰信號m1(t)和m2(t)經(jīng)激光器電流調(diào)制后掩藏于混沌載波之中并傳輸給對方，然后利用混沌同步的激光器分離出混沌載波和私鑰信息以實現(xiàn)私鑰交換，再對比私鑰挑選出一致的部分作為共享密鑰，實驗結(jié)果如圖7(b)所示. 然而，該方法將混沌載波暴露于公共信道，易被竊聽者獲取并通過強注入鎖定同步[20]，因此需要研究大參數(shù)空間的混沌激光收發(fā)機，以提升安全強度.

圖7 混沌掩藏私鑰交換[21]Figure 7 Private key exchange by chaos masking[21]

4.2 鍵控混沌同步密鑰分發(fā)方法

4.2.1 原理

為了避免混沌信號在公共信道中傳輸，2012年日本NTT 通信實驗室Yoshimura 等提出混沌同步密鑰生成方法[22]，基本思路是利用隨機光源驅(qū)動通信雙方的光反饋半導體激光器以實現(xiàn)混沌同步，再對同步混沌波形進行采樣量化產(chǎn)生一致的隨機數(shù)，其原理如圖8 所示. 通信雙方利用參數(shù)匹配的光反饋激光器在同源寬帶隨機光驅(qū)動下實現(xiàn)混沌同步，同時獨立且隨機地鍵控反饋光相位（0 或π）以實現(xiàn)鍵控混沌同步，即當鍵控相位同相時雙方激光器輸出CA、CB混沌同步，否則無相關(guān)性. 通信雙方對混沌信號采樣后量化產(chǎn)生初始隨機碼RA和RB，然后根據(jù)鍵控參數(shù)篩選出同相鍵控時對應(yīng)的隨機數(shù)作為一致密鑰KA和KB，以實現(xiàn)密鑰分發(fā).

圖9(a)為鍵控混沌同步密鑰分發(fā)首次實驗報道的裝置圖[22]. 驅(qū)動光信號為相位噪聲調(diào)制的連續(xù)光，通過60 km 色散位移光纖傳輸后分別驅(qū)動兩個響應(yīng)激光器實現(xiàn)混沌同步，并調(diào)制對反饋光的相位來鍵控混沌同步，典型同步鍵控結(jié)果如圖9(b)所示. 圖中上方兩個波形分別為響應(yīng)激光器1 和2 的相位鍵控波形，下方波形為兩個激光器混沌輸出的短時互相關(guān)曲線. 可見，當通信雙方同相調(diào)制時，響應(yīng)激光器混沌同步，其同步系數(shù)約為0.9；當反相調(diào)制時，短時互相關(guān)值降至0，響應(yīng)激光器無相關(guān)性. 通信雙方進一步選擇同相調(diào)制對應(yīng)的同步混沌信號進行采樣量化產(chǎn)生一致密鑰. 為降低噪聲干擾，通常采用雙閾值量化，其原理如圖9(c)所示. 以混沌波形的均值V0和標準差σ來設(shè)置高、低兩個比較閾值V1,2=V0±k1,2σ. 當某采樣時刻的混沌強度大于高閾值V1時量化為“1”碼，小于低閾值V2時量化為“0”碼；否則，舍棄該采樣點. 優(yōu)化調(diào)節(jié)兩個比較閾值，可以有效降低誤碼率并產(chǎn)生一致的隨機碼. 該實驗成功實現(xiàn)了傳輸距離為120 km、速率為182 kbit/s 的密鑰分發(fā).

鍵控混沌同步密鑰分發(fā)被證明是一種基于有界觀測的信息論安全的密鑰分發(fā)[23]. 首先，驅(qū)動信號與產(chǎn)生密鑰的混沌熵源不相關(guān)，竊聽者就無法直接從驅(qū)動信號觀測到足夠的熵源信息；其次，只有結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配的混沌激光器才能實現(xiàn)混沌同步，這需要從同一片晶圓上精心挑選激光器芯片才能實現(xiàn)，故可認為竊聽者無法獲得匹配的竊聽激光器，與合法激光器的互信息量很低；最后，混沌狀態(tài)的隨機鍵控迫使竊聽者需要同時仿制更多竊聽激光器，增大了破解難度. 基于上述3 點，竊聽者所能觀測到熵源的信息量遠小于合法通信雙方，顯然可以實現(xiàn)信息論安全的密鑰分發(fā). 2013年，Uchida 等利用了鍵控兩級級聯(lián)的響應(yīng)激光器混沌同步的方案，提高了密鑰分發(fā)的安全性[24]. 除了增加響應(yīng)激光器的級聯(lián)數(shù)目之外，對鍵控參數(shù)進行多態(tài)鍵控也可以增加安全性. 然而，只有當所有鍵控態(tài)相同時才能夠同步，因此多級響應(yīng)激光器級聯(lián)或者多態(tài)鍵控會導致密鑰分發(fā)速率降低.

上述方案是從同步狀態(tài)的混沌序列中抽取一致密鑰. 2017年，江寧等提出一種基于混沌同步的鍵控態(tài)密鑰分發(fā)方案[25]，其原理如圖10(a)所示. 混沌同步及鍵控方式與前述方法相同；不同之處在于雙方交換混沌信號，并通過混沌同步與否判斷兩種的鍵控狀態(tài)是否一致，挑選其中狀態(tài)一致的鍵控參數(shù)作為共享密鑰. 該方法無需高速隨機數(shù)產(chǎn)生部分，簡化了系統(tǒng). 然而，判斷鍵控態(tài)是否一致并不需要高質(zhì)量的混沌同步，因此該方法對激光器參數(shù)匹配的要求低于同步隨機數(shù)生成方法，其安全強度相對較低.

圖9 基于鍵控激光器混沌同步的密鑰分發(fā)Figure 9 Key distribution using chaos shift keying synchronization

圖10 鍵控態(tài)隨機選擇的密鑰分發(fā)[25]Figure 10 Key distribution using random selection of keying parameter[25]

4.2.2 密鑰分發(fā)速率限制及相關(guān)研究進展

相比于信道噪聲等其他方法，混沌激光同步密鑰分發(fā)具有以下優(yōu)點：一是熵源帶寬可達數(shù)十GHz，二是在分發(fā)原理上密鑰速率與傳輸距離不相關(guān). 因此，最有潛力實現(xiàn)Gbit/s 量級的高速長距離密鑰分發(fā).

然而，實驗報道的鍵控混沌同步密鑰分發(fā)速率僅為100 多kbit/s，主要受限于混沌同步恢復時間. 在混沌鍵控過程中，通信雙方的混沌激光器從不同步恢復到同步需要經(jīng)過一個緩慢過程，如圖11 所示. 對于分布反饋式（distributed feedback, DFB）半導體激光器，其同步恢復時間可達68 ns[26]. 鍵控周期只有大于同步恢復時間才能獲得有效的高質(zhì)量混沌同步序列，從而產(chǎn)生一致密鑰. 因此，同步恢復時間成為限制密鑰分發(fā)速率的主要因素.

為了提高密鑰分發(fā)速率，研究人員在以下幾個方面展開了研究與探索. 2017年，Uchida等嘗試以單片集成方法縮短激光器外腔長度來縮短混沌同步恢復時間[26]，然而實驗結(jié)果表明，縮短響應(yīng)激光器外腔長度可以提高混沌同步的穩(wěn)定性，但不能有效縮短同步恢復時間. 同年，江寧等根據(jù)理論研究發(fā)現(xiàn)，垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL）具有約20 ns 的同步恢復時間[27]. 2019年，劉德明教授課題組從理論上探索在光電振蕩器中引入光反饋DFB 激光器[28]，但還是通過鍵控激光器反饋相位進行密鑰分發(fā)，其同步恢復時間并未得到明顯降低.

圖11 混沌同步恢復時間[26]Figure 11 Chaos resynchronization time[26]

4.2.3 仍需解決的關(guān)鍵問題

經(jīng)分析可知，目前混沌鍵控同步密鑰分發(fā)技術(shù)主要面臨以下關(guān)鍵問題：

1）關(guān)于如何提高密鑰分發(fā)速率. 目前尚未找到有效縮短混沌同步恢復時間的方法，仍需從混沌同步恢復機理研究出發(fā)，探尋如何將同步恢復時間縮短至ns 量級以下，從根本上提升密鑰分發(fā)速率.

2）關(guān)于如何實現(xiàn)高質(zhì)量混沌同步. 同步誤差影響每個采樣時刻隨機數(shù)的一致性，降低一致密鑰的生成比率. 因此，混沌同步密鑰分發(fā)比傳統(tǒng)混沌載波通信對同步誤差更敏感，無法像后者那樣通過優(yōu)化信息幅度減小同步誤差的影響. 此外，密鑰分發(fā)也不同于單獨的隨機數(shù)產(chǎn)生，若引入延遲差分比較、多位量化等隨機數(shù)優(yōu)化技術(shù)，反而會引入更多的噪聲而不再適用.因此，需要探索高質(zhì)量混沌同步方式以及抑制長距離光纖傳輸時放大器自發(fā)輻射噪聲、光纖色散、非線性等影響的方法，是面向城域網(wǎng)和城際網(wǎng)的實際應(yīng)用并實現(xiàn)百km 距離密鑰分發(fā)的關(guān)鍵.

圖12 基于模擬數(shù)字混合光電混沌源同步的密鑰分發(fā)[27]Figure 12 Key distribution based on synchronization of analog-digital hybrid electro-optic chaotic sources[27]

3）關(guān)于如何提高安全強度. 混沌同步密鑰分發(fā)安全強度取決于熵源的可觀測界限，體現(xiàn)在兩方面，即仿制合法熵源的難度以及仿制激光器與熵源之間的互信息量. 這要求混沌激光熵源不僅具有多維度、大空間的硬件參數(shù)，同時具有寬帶、平坦的頻譜特性. 目前報道所用熵源是結(jié)構(gòu)簡單的鏡面反饋半導體激光器，均無法滿足上述要求. 因此，密鑰分發(fā)的安全強度有待提升.

5 結(jié)語

本文綜述了基于物理不可克隆函數(shù)、超長光纖激光器參數(shù)選擇、光纖信道噪聲、混沌激光同步等幾種主要的經(jīng)典物理層密鑰分發(fā)技術(shù)及研究進展，將能夠產(chǎn)生無限長度密鑰的后三者技術(shù)及已報道的典型實驗結(jié)果總結(jié)在表1 中. 基于光纖激光器的密鑰分發(fā)實現(xiàn)了500 km 傳輸距離，但其分發(fā)速率與傳輸距離成反比，僅為100 bit/s. 基于光纖信道噪聲的密鑰分發(fā)速率受到了環(huán)境噪聲帶寬等限制，密鑰分發(fā)速率低于Mbit/s 量級. 混沌掩藏私鑰交換的安全強度低于鍵控混沌激光同步的密鑰分發(fā)方法，而后者基于光反饋DFB 激光器（optical feedback DFB, OF-DFB）已經(jīng)實現(xiàn)百km、百kbit/s 量級的密鑰分發(fā)，其密鑰分發(fā)速率受限于同步恢復時間.

鑒于混沌激光熵源帶寬可達數(shù)十GHz 量級，且基于混沌同步密鑰分發(fā)的密鑰速率在原理上與傳輸距離不相關(guān). 因此，相較而言，混沌激光同步密鑰分發(fā)技術(shù)最具有實現(xiàn)Gbit/s 量級高速長距離密鑰分發(fā)的潛力，目前亟需解決快速同步恢復、高質(zhì)量混沌同步等關(guān)鍵科學問題.

表1 經(jīng)典物理層密鑰分發(fā)的主要實驗結(jié)果Table 1 Main experimental results of key distribution in classical physical layer