了解: 量子保密通信技术

摘要: 量子秘密通信是一种全新的秘密通信方法，它利用量子力学的基本原理和“一次一个密码”的加密系统来实现信息的安全传输. 由于其无条件的安全性，量子秘密通信技术具有极高的军事价值和商业价值. 它已经受到各国政府和相关研究机构的广泛关注，并且近年来取得了突破性进展. 本文简要介绍了量子秘密通信的基本原理和研究意义. 总结了量子秘密通信的发展现状和技术水平；同时，进一步分析了量子秘密通信技术的未来发展趋势，并探讨了其关键突破方向. 该技术展望未来并提出一些建议.

关键字: 量子秘密通信；量子密钥分配；实用

量子通信（Quantum Communication）是利用物理量的物理粒子（例如光子，原子，分子，离子）的量子态作为信息编码的载体，并且量子态通过量子通道传输到传递信息的目的，是量子信息科学的重要分支. 它的核心在于以量子状态编码和传输信息，其通信过程遵循量子力学的基本物理原理，例如量子不确定性，量子相干叠加和量子非局域性原理. 量子通信主要包括量子密码学（Quantum Cryptography），量子隐形传态（Quantum Teleportation），量子密集编码（Quantum Dense Coding），量子信息论等研究分支.

目前，量子密编码技术尚处于基础研究阶段，实验条件还不成熟. 量子隐形传态技术最近取得了突破性进展，但还远远不够实用. 量子密码学是最成熟的发展，并且正在迅速成为现实.

量子密码术，也称为量子秘密通信技术，包括量子密钥分发（QKD），量子安全直接通信（QSDC），量子秘密共享（QSS），量子认证（QA），量子公共密钥加密（QPKC） ，量子机密查询等研究方向. 其中，QKD技术是理论和实验上最发达的技术，是目前最重要和主流的量子秘密通信技术.

限于太空，本文主要关注量子通信技术中最成熟的量子秘密通信技术. 本文重点介绍最接近实用的量子密钥分发技术（QKD）. 在下文中，QKD技术指的是量子密钥分发技术.

1. 开发背景

首先，在可预见的将来，量子算法和量子计算硬件技术的迅速发展将对以ECC / RSA为代表的当前主流公钥加密机制构成威胁.

第二，一旦量子计算机问世，它将对现有的信息安全系统产生巨大的影响.

简而言之，一旦量子计算机投入使用，对手就可以冒充任何设备进入我们的通信系统，并可以任意获取我们的机密通信的内容，从而给我们的通信系统造成灾难性的灾难. 优点. 为此，必须引入一种可以抵抗量子计算的新加密机制，以确保我们的秘密通信系统的安全性.

目前，有两种抵御量子计算威胁的技术途径: 一种是基于量子物理学的量子秘密通信技术，主要以QKD（量子密钥分发）技术为代表；一种是基于数学困难的抵抗力. 量子密码术（PQC）方案由一种基于诸如格，多元和哈希等困难数学问题的新型公钥密码算法表示.

QKD技术的目标是在通信的两方之间建立实时，可证明的安全密钥. 一次使用一个密码的组合可以实融，政府事务，能源和业务，可以从根本上解决信息保密传输的问题. 美国，欧洲，加拿大，澳大利亚，日本和中间国家非常重视QKD技术研究，并投入了大量的研发力量，使该技术成为当今世界量子信息科学中极为重要的研究热点. 这项技术很可能促进信息产业. 一场重大的技术革命.

2. 量子秘密通信技术发展的历史和现状

到目前为止，QKD技术的发展大致可以分为三个阶段: 理论基础阶段（1984-1995），理论和实验独立开发阶段（1995-2000），理论和实验融合与应用探索阶段（2000）. -2010），网络和应用程序推广阶段（2005年至今）.

在早期研究中，QKD技术研究主要围绕两个核心:

本文讨论了围绕这两个核心的每个开发阶段的里程碑.

2.1理论基础阶段（1984年至1995年）

在此阶段，提出了QKD的基本理论框架和基本协议. 1984年，美国IBM研究院的CH Bennett和加拿大蒙特利尔大学的G. Brassard首次提出了完整的QKD协议，指出其安全性是基于不确定性原则和非安全性原则. -克隆定理. 该协议至今仍是最主流的QKD. 协议之一. 1989年，C. H. Bennett等人. 首次实现上述协议，通讯距离为30cm. 1991年量子qkd被攻破，英国牛津大学的A. Ekert提出了基于纠缠光子对的QKD协议，这为基于纠缠光子对的密钥分发开创了先例. 以上两个协议是众所周知的BB84和E91协议. 这两个协议的提出标志着量子通信技术的诞生. 在1992年，CH Bennett等人指出基于纠缠的（EB）QKD协议等效于“准备并测量”（Prepare and Measure，P＆M）QKD协议，即E91协议在术语上等同于BB84协议安全性. . 同年，C. H. Bennett提出了基于两个非正交量子态的B92协议. 随后，C.H.Bennett等人. 发明了私钥放大的想法，严格地证明了如何通过经典的后处理方法从者的部分安全的密钥中删除者学到的信息. 到目前为止，QKD技术的核心协议和理论框架已基本形成. 可以看出，QKD技术的早期重要思想和基本框架主要是由欧美国家提出的.

2.2理论和实验的独立发展阶段（1995-2000年）

现阶段，QKD在实验技术和理论安全性分析方面均取得了重大进展，但理论研究尚未完全解决实验问题.

从实验上看，从实验室的光纤演示验证系统到室外商用光纤网络以及自由空间的实际运行，QKD硬件实现和系统解决方案日益成熟，实用性逐步提高. 加强. 特别是，瑞士日内瓦大学的Gisin团队提出的双“即插即用” QKD系统可以自动补偿色散，具有高稳定性和低误码率，并且通信距离为67km. 它是世界上第一个商业QKD系统. 2000年，首次实现了基于纠缠光子的长距离QKD系统. 从理论上讲，不断提出新的协议（例如六态协议），BB84协议的理论无条件安全性取得了突破性进展. 1996年，Mayers根据不确定性原理首次严格证明BB84协议的安全性. 但是，该理论在数学上非常复杂，在物理学上却不直观，并且未被主流学术界广泛接受. 此后，纠缠蒸馏协议（EDP）的理论迅速发展，物理学家将其应用于BB84协议的安全性证明. QKD技术的量子相关性（纠缠）的物理性质变得越来越清晰. 1999年，加拿大多伦多大学的H. K. Lo用纠缠的状态设计了一个非常接近BB84协议的EDP协议，并证明了它的无条件安全性. 但是，该协议要求通信双方都具有量子计算机和量子存储，这并不完全等同于BB84协议. 2000年，美国的Shor和Preskill进一步提出了一种基于CSS量子纠错码的纠缠纯化协议，取消了对量子计算机和量子存储的要求，并严格证明其安全性相当于理想的BB84协议，并且物理意义清晰直观，是杰作. 到目前为止，BB84协议的安全性已得到原则上的严格证明，并已得到学术界的普遍认可.

然而，在这一阶段，理论研究与实验探索之间存在很大的不匹配: Shor-Preskill理论证明，在理想的单光子源和量子比特检测器的条件下，BB84协议QKD系统具有无条件的安全性；在实际物理条件下，QKD系统中使用的单光子源和单光子探测器是非理想设备，不能满足协议的理论前提. 因此，Shor-Preskill理论不能直接应用于实际QKD系统的安全性分析，也不能完全保证实际物理系统的安全性.

2.3理论与实验融合与应用探索阶段（2000-2010年）

现阶段，人们开始关注实际QKD系统的实际安全性，并严格证明了实际非理想QKD系统的安全性；相关的硬件技术（特别是单光子探测器技术）发展迅速，大大提高了QKD系统的安全码率和系统的通信距离；同时，QKD网络技术也得到了逐步发展，其实用性得到了进一步增强.

尽管已经证明了理想的BB84协议的无条件安全性，但是非理想物理设备在实际QKD系统中引入的安全漏洞将严重威胁整个系统的安全性. 例如，理想的BB84协议使用单个光子作为光源，而实际的QKD系统通常使用强衰减激光脉冲作为光源量子qkd被攻破，这很有可能会发送多光子信号. 为响应此漏洞，者可以使用光子数分裂（PNS）攻击来完全获取加载在多光子信号上的信息，而不会引起误码. 2003年，Gottesman，Lo，Lükenhaus，Preskill（缩写为GLLP）基于EDP想法严格证明了BB84协议QKD系统在非理想光源和检测器下的安全性，并对实际系统安全位进行了定量表示. 率. 结果表明，PNS攻击严重限制了实际QKD系统的安全码率和传输距离. QKD系统的安全码率为O（η2）（η为系统总损耗），最长的通信距离约为40km. 为了抵御PNS攻击并提高实际QKD系统的性能，研究人员从软件和硬件两个层面解决了这个问题:

诱饵协议是当前最主流的QKD协议，并且是过去十年中QKD技术研究中最重要的发展之一. 另外，瑞士的Renner从信息论的角度严格证明了实际的BB84协议QKD系统的无条件安全性；日本的Koashi还使用不确定性和互补性原理证明了实际的BB84协议QKD系统的无条件安全性，并给出了量化的安全码率. 以上结果与GLLP理论一致. 到目前为止，实际的QKD系统安全问题已基本解决.

图1主要的QKD协议类型

到目前为止，所有研究工作都是围绕BB84，B92，诱饵和其他协议进行的. 上述协议称为离散变量协议（或单光子协议）. 2000年以后，提出了几个重要的新QKD协议（见图1）: 连续变量（CV）QKD协议，分布式相位参考（DPR）QKD协议，设备无关（DI）QKD协议，相关研究如下:

2.4网络应用程序推广阶段（2005年至今）

随着点对点QKD理论和实验技术的成熟，人们开始探索QKD网络技术. 各国已经建立了一些小型的QKD实验网络，并验证了QKD技术联网的可行性.

图2中国量子安全通信广域实验网

经过上述三个发展阶段，QKD技术在安全性，关键技术和网络应用方面已基本成熟. 从技术指标上看，无中继的点对点传输距离可达400公里，通信距离为50公里时安全码率可达1Mb / s，支持的节点数都市QKD网络最多可以达到数十个. 行业涌现出许多研发和销售QKD产品的制造商. 其中包括: 瑞士ID Quantique，法国Smart Quantum，中国盾牌，文天等公司. 经过长期的发展，QKD技术的实际应用已得到推广，以解决实际QKD系统的安全性，实用性和的QKD联网等应用问题，已成为该领域的当前研究热点.

3. 量子秘密通信技术的短期发展趋势

经过三十年的发展，QKD的通信距离从最初的30cm增加到了400km，系统的工作频率也从kHz增加到GHz. 稳定性和实际安全性等问题也已逐步解决. 当前的技术指标是，在50 km（100 km）的传输距离上，密钥分发速率可以达到1Mbps（10kbps）. QKD电话网，QKD城域网和QKD广域网的建成将受益于QKD技术的新突破. 目前，的QKD技术已经进入实用工程研究和应用推广阶段. 促进QKD与实际应用的集成以提高通信安全保证水平是可行的. 时机已成熟. 现阶段该技术的发展趋势和发展重点是:

（1）本地化，高性能的光量子核器件的开发是我国摆脱国外限制，独立发展的关键，也是保证量子系统安全的前提. 例如，量子光源（单光子源，欺骗状态光源，纠缠光源等），量子检测器（例如单光子检测器，平衡零差检测器等），量子真随机数发生器.

（2）开发长距离，高比特率，高稳定性和高安全性的QKD系统. 在“十二五”规划的基础上，大大提高了QKD系统的成熟度，稳定性，集成度和其他实用性能指标（单光子，连续变量，无关的测量设备等技术）. 此外，加强与传统光通信基础设施兼容性的研究. 最终目标是使QKD系统具有低成本的批量生产能力，并广泛应用于光纤通信网络.

（3）进一步完善和丰富QKD网络技术（包括基础物理技术，密钥和网络管理技术等），大大提高城域QKD网络的安全性，可靠性，可伸缩性和传统. 基础设施兼容性是实现全球覆盖和极高安全性的必要条件.

（4）紧密结合典型应用程序，深入研究QKD的典型应用程序环境适应性和典型应用程序模型（例如在特殊实际环境中的定制解决方案，如政党和政府，金融和权力）的集成. 登陆”是唯一的方法.

（5）加快QKD技术标准化研究，建立QKD技术标准体系，并与传统通信行业技术，信息技术，信息服务等标准体系联系起来，完成行业QKD技术标准的推广和指导. 适应行业特色产品开发，服务体系建设，支持行业应用推广和相关应用标准研究. QKD技术的标准化和应用推广是推动QKD技术产业化的重要步骤，对于深入发挥QKD技术的安全保护和提升信息通信网络安全保障能力具有重要意义.

（6）量子攻击密码算法（PQC）及其与QKD技术的组合应用研究，两者都是量子计算时代信息安全的基石，需要完全集成.

上述关键问题是QKD技术实用性的瓶颈，这也是该领域技术发展的主流方向，也是未来技术发展的重点.

4. 量子秘密通信技术的短期突破点

以下是QKD技术在短期和中期可能取得的突破的详细分析.

（1）高安全性，高速，远距离和高稳定性的实用QKD技术

当前主流商用QKD系统的工作频率为50MHz，通信距离为50公里时安全码率约为kb / s，最长传输距离约为100km，无法满足实际应用需求. 该领域当前的重要研究方向是开发高速，长距离，稳定的QKD系统. 为了实现上述目标，有必要独立开发关键的量子器件-高速量子随机数发生器，高速单光子源，高速，高效，低噪声单光子探测器，依托以上关键设备，开发高性能的QKD系统产品. 最近的技术发展趋势是推出1-10GHz高速实用商用QKD系统. 此外，集成QKD芯片的开发也是一种发展趋势.

近年来，连续变量QKD协议和独立于测量设备的协议在理论和实验技术上取得了飞速发展，发展前景广阔，需要进一步的投资.

（2）QKD技术的标准化和应用推广

未来几年，该领域将开展涵盖设备，系统，网络，安全性等各个层面的QKD技术标准体系建设，指导QKD技术创新产业链的发展，并确保QKD技术创新的安全性和可靠性. QKD技术产品.

在国防，金融，电力和政府事务领域实现重大应用推广，并支持下一代国家信息安全生态系统的建设.

（3）量子存储和中继技术

当前的光纤QKD点对点通信距离可达400公里左右，无法满足实际应用中数千公里通信的应用需求. 理论上，量子中继技术可以有效地扩展系统的通信距离. 但是，量子中继技术需要使用量子存储，纠缠纯化和交换技术，这在现有技术条件下更加困难. 目前，来自世界各地的研究人员正在从事相关的关键技术研究. 中国在这一方向上具有一定优势，预计未来十年将有重大技术突破. 突破量子中继技术可以一口气解决量子通信中的通信距离问题，有望取代可信中继，提高QKD技术的实用性.

（4）QKD网络及其应用

随着中小型QKD网络的成功运行，大型QKD网络和应用程序研究已被提上议事日程. 2012年，中国完成了包含46个节点的合肥城市量子安全通信实验演示网络的建设，并已在合肥市区的许多政府部门，金融机构和科研机构中得到应用. 2016年，量子秘密通信主干线项目“京沪干线”全长2000多公里，将北京，济南，合肥和上海与中国科学院和中国大学连接起来作为整体的科学技术学院正式完成，实现了的QKD技术测试验证. 未来十年，组网技术将进一步成熟，网络容量将达到10,000个或更多的用户数量级，网络覆盖范围将达到10,000公里的数量级，并实现广域QKD网络.

（5）星地和星际QKD实验

随着QKD网络技术的成熟，下一步是解决全国乃至全球的QKD网络问题. 当前，更可行的技术解决方案是使用卫星作为互连的中继，并且欧盟，中国，日本，加拿大和新加坡等国家正在Starland上进行QKD技术研究. 2016年，由中国科学院领导的“墨子”卫星成功发射升空. 这是世界上第一次开发卫星地面QKD实验. 通过基于卫星的空基平台和千公里级的光纤网络，中国的广域QKD网络已经开始. 有了原型.

下一个十年是可以预见的. 一旦人们突破了下一代量子通信的关键技术，例如太空中的星际量子通信，全天候空间量子通信和机载量子存储，就可以通过多颗卫星直接实现世界. 还将实现量子通信，并通过卫星间量子中继实现有效的全局量子纠缠分布. 同时，量子力学的非局部性，相对论效应，量子引力等许多基本物理问题，也可以通过的量子传输实验平台取得更大的进展.

5. 发展建议

（1）紧跟国际量子计算技术的发展

“ QKD技术何时将成为实用技术？”是这个领域最关注的问题之一，各种专家学者对此有不同的看法. 这个问题的答案很大程度上取决于量子计算技术的发展水平. QKD技术如此重要的根本原因是，量子计算技术对现有的经典密码技术产生了强大的影响，而QKD技术可以抵抗量子计算. 一旦敌人的量子计算技术在密码学上取得了显着进步，我国就必须使用QKD和量子秘密通信技术，这必须自然地转向实际应用. 根据专家的预测，量子计算可能在大约15年内对当前的公钥密码术构成威胁，因此QKD技术的发展迫在眉睫.

（2）加强基础投资和自主研发

尽管在QKD系统性能指标和QKD网络规模方面，中国已达到世界领先水平. 但是，中国的QKD技术研究缺少以下几个方面. 首先，主流的QKD协议及其安全性分析理论几乎都是在国外完成的. 重要的QKD系统架构和技术解决方案主要在国外完成，国外在相关技术专利和知识产权方有优势. 中国的整体学术影响力相对不足，专利的数量和质量相对较低. 近年来，上述情况有所改善. 其次，在硬件技术上，核心高速单光子探测器和其他主要核心设备仍然依赖. 为了切实解决上述问题，我们必须高度重视基础前沿研究，基础部件和关键技术的自主研发，知识产权和技术创新.

（3）加强校企合作和市场推广

中国绝大多数的QKD技术研究团队集中或依靠大学. 在国外，大型商业公司长期以来一直从事相关研究. IBM，飞利浦，AT＆T，惠普，西门子，NEC，日立，NTT，DoCoMo等国际IT巨头已经在量子通信技术上投入了大量资金，以进行技术研发和工业运营. 其中，瑞士Id Quantique，美国MagiQ和澳大利亚Quintessence Labs已将量子密码术的商业产品推向市场. 目前，量子通信技术尚处于实践研究阶段，中国相关企业和产业部门应在适当的时候介入该技术领域.

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