量子保密通信的研究進展

王維喜

【摘要】? ? 隨著量子保密通信技術越來越成熟，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，因此具有了較大的優勢和良好的應用前景。現在可以預見未來量子保密通信將是通信領域發展最為明顯的一個趨勢。目前研發人員通常是對量子保密通信的各種協議或制式進行研究，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計與安全性展開描述，重點介紹目前量子保密通信的密鑰分發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展方向。

【關鍵字】? ? 量子密鑰分發? ? 量子保密通信? ? 信息安全? ? 量子安全直接通信

引言

目前，在通信領域量子保密通信是最耳熟能詳的高新技術，尤其是在公眾更加關注安全的當下。量子保密通信有其突出的優勢，通過量子疊加態和量子糾纏原理，實現量子態信息傳輸或密鑰分發，而需要加密的文件信息則通過經典通信網絡加密后傳輸。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。量子保密通信的應用主要包括隱形傳態、密鑰分發、量子安全直接通信等。我國在量子隱形傳態以及量子密鑰分發方面處于領先地位。這主要得益于量子保密通信的早期規劃以及大項目的推動引導。我國從2013年就規劃了“京滬干線”項目，干線全長2000余公里，依次連接北京、濟南、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年發射的墨子號量子科學試驗衛星構筑的天地鏈路，成功實現洲際量子保密通信。

一、量子保密通信的種類

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

1.1量子密鑰分發

世界第一個量子密鑰分發協議[3]，就是BB84，1984 年物理學家Bennett 和 密碼學家Brassard提出BB84通信協議的概念，同時也對協議的原理進行詳細的闡述。量子密鑰分發并沒有脫離開傳統通信模式，而是傳統通信和量子通信信道并存。密鑰通過量子信道傳輸，需加密的內容則是通過傳統通信信道傳輸[4]。

上述BB84通信協議提出最早，同時也得到了各國支持并開花結果。 美國的DARPA和LosAlamos國家實驗室建成的多節點量子保密通信互聯網絡、歐洲的41個研究單位和企業共同建設和運行了SECOQC量子保密通信網絡、日本的東京密鑰分發量子網絡、中國的京滬干線以及墨子號量子通信衛星都是采用量子密鑰分發的機制實現，這也助推了量子密鑰分發體系有研究走向了產業應用[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龍桂魯和劉曉曙2000年提出的，其本意是較少量子密鑰分發中密鑰協商的過程，直接在量子通道中傳輸信息。

與量子密鑰分發相比，量子直接通信發展比較晚[6]，但通過20多年的普及和發展，發展并完善了多種理論協議及應用。2016年，山西大學激光光譜研究所肖連團教授聯合清華大學龍桂魯教授組成團隊并主導試驗，最后成功演示了基于單光子的量子直接通信。隨后，中國科學技術大學聯合南京郵電大學進一步通過量子存儲方式完成量子通信的糾纏方案。目前清華大學通過制備光纖糾纏源，最后實現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域中的突出優勢。德國物理學家沃納海森堡是量子力學的創始人，他發現的測不準原理和量子力學中的量子不可克隆定理是量子力學原理中兩個重要的里程碑，其在理論上證明了量子保密通信的安全性。

2.1海森堡測不準原理

海森堡測不準原理指出粒子的動能和位置不可能同時被確定。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[8]。在量子保密通信過程中，如果存在竊聽者對傳輸的量子態進行篡改和竊聽，這樣的非法操作都會影響到光量子的狀態發生改變。因此，接收的一方只需在收到量子信息后，對量子態進行檢測，通過與原來的量子狀態作對比，很容易能檢測到是否存在竊聽。如果有則丟棄掉量子信息，重新發送。

2.2 量子不可克隆定理

1982年物理學家Wootters，Dieks和Zurek提出了著名的單光量子不可克隆定理。具體內容是在量子力學領域中，通過物理方法來復制粒子是不現實的。也可以說，產生一個與原來的粒子具有相同狀態的新粒子，而不改變粒子原有的狀態是無法實現的。

三、量子保密通信的新進展

基于密鑰分發的原理，量子密鑰分發通信由兩種實現方法，一種是連續變量量子密鑰分發，另一種是離散變量量子密鑰分發。

3.1連續變量量子密鑰分發

連續變量量子密鑰分發方案比較多，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、協商方式等等。高斯調制、離散調制是根據編碼方式，較為被大家認可的是根據探測方式分類，分為零差探測和外差探測。在方案實現方面，光纖信道連續變量量子密鑰分發實驗研究無論在數量和質量上都研究的比較充分，已從試驗階段轉向應用階段。而對于基于大氣信道來說，目前最具體的應用就是我國去年發射的墨子號量子試驗衛星，完成空地的量子密鑰分發[10]。除此之外，研究人員的研發方向還關注到了量子密鑰分發的安全性問題。由此，本地本振連續變量量子密鑰分發和測量設備無關連續變量量子密鑰分發也成為研究量子密鑰分發的兩個方向。目前的研究成果來看，高斯調制相干態連續變量量子密鑰分發的安全性必要具有優勢，同時實驗研究的成果比較成熟，用于實際的應用也最為廣泛。

3.2離散變量量子密鑰分發

作為最早出現的密鑰分發技術，到目前為止，離散變量量子密朗分發技術無論是在理論還是實驗上都取得了一定的進展和成果。到目前為止BB84協議是應用最廣泛的離散變量量子密鑰分發技術協議。該協議通過將信息調制到光子的偏振態上，隨機選擇發送四個確定的光子偏振態中的一個，實現安全的密鑰分發。隨后的Ekert91協議通過量子力學中的EPR糾纏現象與BB84協議被證明是等價的。區別于BB84協議的四種量子態，B92協議使用了兩種量子態，被稱為BB84的簡化版本。除了以上的三種密鑰分配協議，還存在各種改進性的協議，比如，六態協議、正交態協議等等[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系統， 采用周期性調制編碼，基于單光子頻譜多自由度的特性， 還可實現多通道信息傳輸。這個試驗系統成功證明了在有丟碼和錯碼的情況下也能進行量子直接通信。兩步量子安全直接通信利用四波混頻作為糾纏源，通過Bell態測量的優勢之一高保真度，讀取量子安全直接通信的編碼信息。

四、結束語

本文闡述了量子保密通信的發展過程以及各種通信機制、協議，綜述了離散量子密鑰分發、連續變量量子密鑰分發以及量子安全直接通信的試驗進展。總的來說，基于目前量子保密通信的關鍵設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議或者是機制還處在建網研究、試驗等階段。但由于量子保密通信的安全性，它在未來通信領域的發展潛力應持續關注。

參? 考? 文? 獻

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