量子保密通信的研究進(jìn)展

王維喜

【摘要】? ? 隨著量子保密通信技術(shù)越來越成熟，也逐漸被大眾所熟知，但也存在一些誤讀。量子保密通信以信息安全為基礎(chǔ)，因此具有了較大的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在可以預(yù)見未來量子保密通信將是通信領(lǐng)域發(fā)展最為明顯的一個(gè)趨勢。目前研發(fā)人員通常是對量子保密通信的各種協(xié)議或制式進(jìn)行研究，依此保證通信的速率和安全。本文圍繞量子保密通信中的各種方案設(shè)計(jì)與安全性展開描述，重點(diǎn)介紹目前量子保密通信的密鑰分發(fā)方案和量子安全直接通信方案，以及目前的研究成果和未來的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵字】? ? 量子密鑰分發(fā)? ? 量子保密通信? ? 信息安全? ? 量子安全直接通信

引言

目前，在通信領(lǐng)域量子保密通信是最耳熟能詳?shù)母咝录夹g(shù)，尤其是在公眾更加關(guān)注安全的當(dāng)下。量子保密通信有其突出的優(yōu)勢，通過量子疊加態(tài)和量子糾纏原理，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸或密鑰分發(fā)，而需要加密的文件信息則通過經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)加密后傳輸。通過一次一密以及量子不可再分理論，密鑰具有無法被竊聽的安全性保證。量子保密通信的應(yīng)用主要包括隱形傳態(tài)、密鑰分發(fā)、量子安全直接通信等。我國在量子隱形傳態(tài)以及量子密鑰分發(fā)方面處于領(lǐng)先地位。這主要得益于量子保密通信的早期規(guī)劃以及大項(xiàng)目的推動(dòng)引導(dǎo)。我國從2013年就規(guī)劃了“京滬干線”項(xiàng)目，干線全長2000余公里，依次連接北京、濟(jì)南、合肥、上海，其已成為世界最長的量子保密通信保密干線[1]。2016年發(fā)射的墨子號量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星構(gòu)筑的天地鏈路，成功實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信。

一、量子保密通信的種類

目前大致量子保密通信的具體應(yīng)用大致有三種，首先是量子謠傳也就是經(jīng)常提起的隱形傳態(tài);其次是在量子通信應(yīng)用比較廣泛的量子密鑰分發(fā)理論;最后是由量子態(tài)直接加密信息的量子安全直接通信。因量子隱形傳態(tài)目前沒有具體應(yīng)用，只存在在實(shí)驗(yàn)室中，所以本文著重介紹量子密鑰分發(fā)和量子安全直接通信。

1.1量子密鑰分發(fā)

世界第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議[3]，就是BB84，1984 年物理學(xué)家Bennett 和 密碼學(xué)家Brassard提出BB84通信協(xié)議的概念，同時(shí)也對協(xié)議的原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述。量子密鑰分發(fā)并沒有脫離開傳統(tǒng)通信模式，而是傳統(tǒng)通信和量子通信信道并存。密鑰通過量子信道傳輸，需加密的內(nèi)容則是通過傳統(tǒng)通信信道傳輸[4]。

上述BB84通信協(xié)議提出最早，同時(shí)也得到了各國支持并開花結(jié)果。 美國的DARPA和LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室建成的多節(jié)點(diǎn)量子保密通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、歐洲的41個(gè)研究單位和企業(yè)共同建設(shè)和運(yùn)行了SECOQC量子保密通信網(wǎng)絡(luò)、日本的東京密鑰分發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)、中國的京滬干線以及墨子號量子通信衛(wèi)星都是采用量子密鑰分發(fā)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)，這也助推了量子密鑰分發(fā)體系有研究走向了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用[5]。

1.2量子安全直接通信

量子安全直接通信的概念是由清華大學(xué)龍桂魯和劉曉曙2000年提出的，其本意是較少量子密鑰分發(fā)中密鑰協(xié)商的過程，直接在量子通道中傳輸信息。

與量子密鑰分發(fā)相比，量子直接通信發(fā)展比較晚[6]，但通過20多年的普及和發(fā)展，發(fā)展并完善了多種理論協(xié)議及應(yīng)用。2016年，山西大學(xué)激光光譜研究所肖連團(tuán)教授聯(lián)合清華大學(xué)龍桂魯教授組成團(tuán)隊(duì)并主導(dǎo)試驗(yàn)，最后成功演示了基于單光子的量子直接通信。隨后，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合南京郵電大學(xué)進(jìn)一步通過量子存儲方式完成量子通信的糾纏方案。目前清華大學(xué)通過制備光纖糾纏源，最后實(shí)現(xiàn)五百米的量子通信記錄[7]。由此可見，量子安全直接通信已成為大多數(shù)科研人員的新的研究方向，研究成果也是未來量子安全直接通信的發(fā)展的基石。

二、量子保密通信的安全性

安全性是量子保密通信領(lǐng)域中的突出優(yōu)勢。德國物理學(xué)家沃納海森堡是量子力學(xué)的創(chuàng)始人，他發(fā)現(xiàn)的測不準(zhǔn)原理和量子力學(xué)中的量子不可克隆定理是量子力學(xué)原理中兩個(gè)重要的里程碑，其在理論上證明了量子保密通信的安全性。

2.1海森堡測不準(zhǔn)原理

海森堡測不準(zhǔn)原理指出粒子的動(dòng)能和位置不可能同時(shí)被確定。它為我們判斷通信過程是否存在竊聽行為提供了理論基礎(chǔ)[8]。在量子保密通信過程中，如果存在竊聽者對傳輸?shù)牧孔討B(tài)進(jìn)行篡改和竊聽，這樣的非法操作都會影響到光量子的狀態(tài)發(fā)生改變。因此，接收的一方只需在收到量子信息后，對量子態(tài)進(jìn)行檢測，通過與原來的量子狀態(tài)作對比，很容易能檢測到是否存在竊聽。如果有則丟棄掉量子信息，重新發(fā)送。

2.2 量子不可克隆定理

1982年物理學(xué)家Wootters，Dieks和Zurek提出了著名的單光量子不可克隆定理。具體內(nèi)容是在量子力學(xué)領(lǐng)域中，通過物理方法來復(fù)制粒子是不現(xiàn)實(shí)的。也可以說，產(chǎn)生一個(gè)與原來的粒子具有相同狀態(tài)的新粒子，而不改變粒子原有的狀態(tài)是無法實(shí)現(xiàn)的。

三、量子保密通信的新進(jìn)展

基于密鑰分發(fā)的原理，量子密鑰分發(fā)通信由兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種是連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)，另一種是離散變量量子密鑰分發(fā)。

3.1連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)

連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案比較多，分類也比較繁雜。分類的成因主要有信息編碼方式、信息載體、探測方式、信息傳輸路徑、協(xié)商方式等等。高斯調(diào)制、離散調(diào)制是根據(jù)編碼方式，較為被大家認(rèn)可的是根據(jù)探測方式分類，分為零差探測和外差探測。在方案實(shí)現(xiàn)方面，光纖信道連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)研究無論在數(shù)量和質(zhì)量上都研究的比較充分，已從試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向應(yīng)用階段。而對于基于大氣信道來說，目前最具體的應(yīng)用就是我國去年發(fā)射的墨子號量子試驗(yàn)衛(wèi)星，完成空地的量子密鑰分發(fā)[10]。除此之外，研究人員的研發(fā)方向還關(guān)注到了量子密鑰分發(fā)的安全性問題。由此，本地本振連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)和測量設(shè)備無關(guān)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)也成為研究量子密鑰分發(fā)的兩個(gè)方向。目前的研究成果來看，高斯調(diào)制相干態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的安全性必要具有優(yōu)勢，同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究的成果比較成熟，用于實(shí)際的應(yīng)用也最為廣泛。

3.2離散變量量子密鑰分發(fā)

作為最早出現(xiàn)的密鑰分發(fā)技術(shù)，到目前為止，離散變量量子密朗分發(fā)技術(shù)無論是在理論還是實(shí)驗(yàn)上都取得了一定的進(jìn)展和成果。到目前為止BB84協(xié)議是應(yīng)用最廣泛的離散變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)協(xié)議。該協(xié)議通過將信息調(diào)制到光子的偏振態(tài)上，隨機(jī)選擇發(fā)送四個(gè)確定的光子偏振態(tài)中的一個(gè)，實(shí)現(xiàn)安全的密鑰分發(fā)。隨后的Ekert91協(xié)議通過量子力學(xué)中的EPR糾纏現(xiàn)象與BB84協(xié)議被證明是等價(jià)的。區(qū)別于BB84協(xié)議的四種量子態(tài)，B92協(xié)議使用了兩種量子態(tài)，被稱為BB84的簡化版本。除了以上的三種密鑰分配協(xié)議，還存在各種改進(jìn)性的協(xié)議，比如，六態(tài)協(xié)議、正交態(tài)協(xié)議等等[11]。

3.3量子安全直接通信

目前量子安全直接通信方案大致分為單光子方案和兩步糾纏方案[12]。DL04單光子量子安全直接通信方案的試驗(yàn)系統(tǒng)， 采用周期性調(diào)制編碼，基于單光子頻譜多自由度的特性， 還可實(shí)現(xiàn)多通道信息傳輸。這個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)成功證明了在有丟碼和錯(cuò)碼的情況下也能進(jìn)行量子直接通信。兩步量子安全直接通信利用四波混頻作為糾纏源，通過Bell態(tài)測量的優(yōu)勢之一高保真度，讀取量子安全直接通信的編碼信息。

四、結(jié)束語

本文闡述了量子保密通信的發(fā)展過程以及各種通信機(jī)制、協(xié)議，綜述了離散量子密鑰分發(fā)、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)以及量子安全直接通信的試驗(yàn)進(jìn)展。總的來說，基于目前量子保密通信的關(guān)鍵設(shè)備有待提高以及傳輸速率不高等原因，各種量子保密通信的協(xié)議或者是機(jī)制還處在建網(wǎng)研究、試驗(yàn)等階段。但由于量子保密通信的安全性，它在未來通信領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?yīng)持續(xù)關(guān)注。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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