量子保密通信安全性淺析

量子保密通信安全性淺析

2016年8月16日，我國成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空，其主要任務之一是進行星地高速量子密鑰分配實驗，同時進行廣域量子密鑰網絡實驗。本文目的是介紹量子保密通信基本概念，簡單分析其安全性，并展望其未來。

保密通信系統安全性基本概念

傳統的保密通信安全性依賴于密碼系統的安全性，其安全性等級依次遞增分為：計算安全性，可證明安全性，無條件安全性。

計算上安全：如果需要最少 N 次操作才能成功攻破一個密碼系統，而 N 是一個非常大的數，則稱為計算安全。

可證明安全性：將系統的安全性降至已知的某些難題水平上，則稱此密碼系統為“可證明安全”，但其不是嚴格證明的安全。

無條件安全：如果擁有無限計算資源攻擊者無法成功攻破一個密碼體系，那么它就是無條件安全的，例如“onetime pad”算法無條件安全性。

量子保密通信之所以被稱為絕對安全，就在于它使用的是“one-time pad”算法，該算法要求密碼與明文一樣長，而且是一次一密。量子保密通信首先是，通過量子密鑰分配系統利用量子力學原理建立的安全通道產生絕對安全的密鑰，然后，再運用“one-time pad”算法加密明文傳輸，實現絕對安全的保密通信機制。因此，量子密鑰分配系統產生密鑰是通過一系列的協議操作形成的“one-time pad”算法中的密鑰。

典型量子密鑰分配協議

目前，量子密鑰分配協議使用最多并最具代表性的是BB84協議，它標志著量子保密通信的真正開始。

BB84協議使用四個非正交態作為量子信息態，信息載體是單光子，兩個互相正交的偏振方向可用來表示“1”和“0”。在 BB84 協議中需要兩組不同的正交基，分別為水平偏振基矢和 45 ℃偏振基矢，記為｛↑，→｝，｛↖，↗｝。對應這兩組偏振基矢量，接收端對應有兩種測量儀器｛×，+｝；對水平偏振光子，+得到確定的測量結果。對45℃的偏振光，用×得到確定的測量結果；BB84協議的通信過程可以分為經典信道傳輸和量子信道傳輸兩個階段。

一、在量子通道上傳輸

a. 發送方隨機對光子的偏振方向進行0°、45°、90°和 135°調制，然后將得到的光子序列信息發給接收方。

b. 接收方隨機選用一組測量基來測量接收到的光子。

二、在經典通道上傳輸

c. 通過公開的經典通道，接收端告訴發送方其所用的測量基順序，但不公開測量結果。

d. 發送方對比收發雙方基順序后，通知接收方哪些測量基與自己使用的基矢量是一致的。但是不公布所發光子的偏振態。

e. 當收發雙方所選用的基矢量相同，測量得到的比特將留作共同密鑰。丟棄基矢量不相同的測量結果。

f. 雙方從各自的測量結果中選取一部分數據在公共信道中進行比對，如果存在竊聽者，則兩方公布的結果出錯率就會升高，由此可以判斷該次通信是否安全。

g. 如果發現沒有竊聽，保留剩余數據，經過處理后可作為密鑰。

對于噪聲信道，量子密鑰分配在產生原始數據后，還要進行數據篩選、數糾錯、保密增強等過程，以防信息被竊聽。牛津大學的ArturEkert受此啟發提出了EPR協議。該協議通信過程與前面類似，而Bell不等式保障了協議的安全性。EPR協議原理是先制備一對EPR光子，然后用此EPR光子對來產生通信雙方間的共享密鑰。如果發生任何竊聽，將會因破壞EPR關聯而被發現。

量子密鑰分配系統的實際安全性淺析

量子密鑰分配系統的安全性決定著量子保密通信的絕對安全性，本節重點分析BB84協議的安全性。

雖然BB84協議的安全性已經在理論上被證明，但由于各種器件的不完美性導致實際量子密鑰分配系統仍存在安全漏洞。實際器件不完美性的影響主要有：

（1）光源。理想的單光子源是量子密鑰分配協議所需要的，但目前缺乏可供使用的穩定高效的單光子源。因此光源存在著不可避免的多光子可能使得黑客利用其進行光子數分裂攻擊。

（2）有源光學器件。實際量子密鑰分配系統中常采用有源光學器件都需要通過調節加載在其上的電壓。竊聽者可利用電壓上升沿或者下降沿人為地提前或滯后光脈沖到達器件的時間，對量子密鑰分配系統進行相位重映射等攻擊。

（3）探測器。探測器效率不匹配、測量死亡時間等都可能被攻擊者利用進行攻擊。

為抵御光子數分裂攻擊，Wang和Lo等提出了雙誘騙態QKD 協議和無窮維誘騙態 QKD 協議，并給出了嚴格的安全性證明。誘騙態協議的核心原理是基于攻擊中對單光子和多光子不一樣的通過效率，即通過“誘騙態”協議可以保護單光子成分的效率不被黑客修改，而單光子成分則是量子密鑰分配系統中可以提取安全密鑰的有效成分。需要注意的是由于系統中用于調節光強度的調制器可能存在啁啾現象而使得光脈沖的頻譜發生變化，故黑客有可能通過這一變化來破壞誘騙態方法的有效性。2010年，中國科技大學潘建偉研究小組基于超導單光子探測器和普通商用光纖實現了200km 光纖的誘騙態量子密鑰分配。

加拿大的Lo教授于2012年提出的測量設備無關的量子密鑰分配協議很好地關閉了測量端的所有漏洞，自動對探測端量子黑客攻擊免疫。該方法本質是利用時間反演的基于糾纏分發的協議，故可以移除所有的探測器側信道.測量設備無關的量子密鑰分配協議還可以與誘騙態結合更進一步提高量子密鑰分配系統的安全性。2014年，中國科技大學潘建偉研究小組基于超導單光子探測器和普通光纖實現了200km 光纖的測量設備無關的量子密鑰分配。2016年8月衛星“墨子號”發射升空，也進行了星地高速量子密鑰分配實驗。

量子保密通信的未來展望

從BB84協議，到誘騙態協議，再到測量無關量子密鑰分配協議，系統無論從理論上，還是實驗上都經歷了跨越式的發展。盡管量子密鑰分配研究取得如此巨大的進展，但要在實際應用中要保證絕對安全還有很長的路要走。

量子密鑰分配未來的發展方向一是進一步降低系統對硬件的特殊要求，并提高系統的安全傳輸距離和密鑰成碼率。二是實現網絡化量子密鑰分配，即多點對多點的量子密鑰分配。三是小型化與易操作化，即實現量子密鑰分配系統的集成化、小型化，更加方便攜帶和實用化。且其操作不再需要專業人員，普通大眾皆可對其進行操作。

隨著技術的發展，各種新的攻擊手段一定會不斷涌現，對量子密碼通信提出挑戰。但魔高一尺，道高一丈，人們也針對其他不同攻擊提出了不同防御措施，我們有理由相信未來絕對安全量子保密通信一定會實現，墨子號的升空和成功運行就說明了這一點。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.006