量子通信正成為捍衛(wèi)我國高級別安全通信的重要手段

導讀： 當前，網(wǎng)絡攻擊快速增長，威脅并阻礙了各行業(yè)向數(shù)字世界的轉(zhuǎn)型步伐。而量子通信技術作為近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展。而其自帶的諸多安全屬性，正成為捍衛(wèi)我國高級別安全通信的重要手段。

目前使用最廣泛的公鑰密碼體制是RSA 體制，其安全性是基于＂大數(shù)因子分解＂的計算復雜性。理論上，如果要對一個300 位的阿拉伯數(shù)字進行因子分解，使用萬億次的經(jīng)典計算機需要耗時約 150000 年。而在未來隨著量子計算技術的發(fā)展，根據(jù)理論采用 Shor 量子算法，使用萬化次的量子計算機耗時僅１秒，這也將導致RSA 公鑰密碼體制在量子計算機的超快計算能為下不堪一擊。

當前，網(wǎng)絡攻擊快速增長，威脅并阻礙了各行業(yè)向數(shù)字世界的轉(zhuǎn)型步伐。而量子通信技術作為近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展。而其自帶的諸多安全屬性，正成為捍衛(wèi)我國高級別安全通信的重要手段。

（圖片：來源于網(wǎng)絡）

傳統(tǒng)加密均可被破解

信息技術經(jīng)過多年發(fā)展正面臨著兩大嚴峻挑戰(zhàn)。首先，就是信息安全瓶頸的問題。由于所有依賴計算復雜度的傳統(tǒng)加密算法，原則上都可能被破解，已變成通信技術方面的一大瓶頸。

（圖片：來源于網(wǎng)絡）

傳統(tǒng)加密算法原則上都可能被破解

目前廣泛使用的RSA 512位加密算法已在1999年被破解，RSA 768位于2009年被破解，RSA 1024位呢？也就是說隨著計算能力的發(fā)展，原來安全的加密算法都可能變得不安全。

無法完成2的80次／年搜索

其次，是現(xiàn)階段的計算能力非常有限。因為基于摩爾定律的傳統(tǒng)計算能力發(fā)展模式正表現(xiàn)出受到嚴重制約性。甚至有科學家舉例道，即使將全世界所有的計算能力包括人們的手機全部加起來，全球計算能力的總和目前還沒有辦法在一年里完成2的80次方或者90次方的數(shù)據(jù)窮舉搜索。

（圖片：來源于網(wǎng)絡）

迄今為止，經(jīng)典加密技術大多是基于特定數(shù)學問題的計算復雜性，在理論上都不能保證絕對安全。現(xiàn)階段的計算能力非常有限，而上述瓶頸問題，顯然已為當下的通信安全帶來了不可估量的威脅。

量子：是非常小的顆粒，是構成物質(zhì)最基本的單位，也是能量最基本的攜帶者，具有一種不可分割性。而量子不可克隆定理，則導致量子沒辦法被精確復制，正是這個原因，也令其無法通過測量將量子復制出來，這就構成量子加密技術安全性的一個前提。而基于＂量子不可分割＂和＂量子不可克隆定理＂的量子力學基本原理，量子密碼技術為我們提供了一種全新的密碼解決方案。

圖：經(jīng)典通道與量子通道（來源于網(wǎng)絡）

1984年，IBM 公司的 Bennett 和蒙特利爾大學的 Brassard 提出了第一個量子密鑰分發(fā)（Quantum Key DistribuTIon, QKD）方案，也就是BB84 協(xié)議。BB84 協(xié)議是迄今為止應用最廣泛的 QKD 協(xié)議，它解決了密鑰的安全分發(fā)問題，通過將信息編碼在單個光子的偏振態(tài)（相位態(tài)）上，避免了信息被竊聽的可能性。結合 1918 年 Vemam 發(fā)明的一次一密（ One TIme Pad, OTP）算法，可以保證加密內(nèi)容的不可破譯性，從理論上實現(xiàn)絕對安全的保密通信。而在此基礎上發(fā)展起來的，一種信息編碼、信號傳輸巧探測等過程基于量子態(tài)的通信方式也彼稱為量子通信。

圖：量子密鑰分發(fā) （來源于網(wǎng)絡）

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是迄今為止唯一被嚴格數(shù)學證明的絕對安全，其核也就是通過量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)相距遙遠的通信雙方共享絕對安全的魚子密鑰。所以，量子密鑰分發(fā)的發(fā)展史幾乎也就是里子通信的發(fā)展史。魚子密鑰分發(fā)需要將信息編碼在單個光子的量子態(tài)上，但是在實際的 QKD 實驗中，由于理想的單光子源技術尚不成熟，通常使用弱相干光源作為替代，這也導致呈子密鑰分發(fā)存在受到光子數(shù)分離（Photon Number SplitTIng, PNS）攻擊的可能性。針對該問題，美國西北大學的 Hwang于2003 年提出了后來被廣泛使用的誘騙態(tài)思想。隨后在 2005 年，清華大學的王向斌教授和多倫多大學的 Lo 等人分別獨立提出了可實用化的誘騙態(tài)方案，大大提升了基于弱相干光源的量子密鑰分發(fā)的理論安全傳輸距離。隨著BB84協(xié)議和誘騙態(tài)理論的提出，量子通信得到了飛速發(fā)展并逐步邁入實用化的階段。其基于量子力學基本原理的絕對安全性，使得科學家們一直致力于全球化量子保密網(wǎng)絡的研究。

光纖量子遠信的進展

在己經(jīng)較為成熟的經(jīng)典光纖通信技術的支持下，基于光纖的量子通信發(fā)展尤為巧猛。

1993年，日內(nèi)瓦大學 Gisin 小組的Muller 等人首次完成了基于偏振編碼的光纖量子密鑰分發(fā)的實驗驗化，傳輸距離ｌkｍ，隨后在1995 年將這個距離提髙到了23 km。2004 年，劍橋大學的Gobby 等人將光纖量子密鑰分發(fā)的傳輸距離刷新到122 km。然而截止到 2005 年，由于未考慮針對弱相干光源的 PNS 攻擊問題，早期的這些實驗都存在著安全漏洞。誘騙態(tài)理論提出后，在2007 年，中國科學技術大學潘建偉小組的彭承志等人和美國 Los Alamos 國家實驗室Hughes 小組的 Rosenberg 等人分別完成了超過100 km 光纖傳輸距離的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗。2010 年，潘建偉小組的劉洋等人實現(xiàn)了200 km 的光纖量子密鑰分發(fā)實驗。2015年，Gisin 小組的 Korzh等人將傳輸距離刷新到 307 km，這是目前光纖信道的最大傳輸距離。

圖：量子保密通信京滬干線 （來源于網(wǎng)絡）

在另外一方面，隨著光纖量子通信技術的成巧，實用化的光纖量子通信網(wǎng)絡也逐漸發(fā)展起來，包括美國的 DARPA量子通信網(wǎng)絡、歐洲的 SECOQC 量子通信網(wǎng)絡、瑞士的 SwissQuantum 量子通信網(wǎng)絡和東京的 Tokyo量子通信網(wǎng)絡等等。而中國科學技術大學的潘建偉小組也分別在北京、濟南和合肥建立了實用的城域量子通信實驗網(wǎng)，結合目前正在建設中的量子通信＂京滬干線＂，將在未來連接北京、濟南、合肥和上海，實現(xiàn)千公里級商可信、可擴展的廣域光纖童子通信。

自由空間量子通信的進展

在光纖信道中光子的傳輸存在著固有損耗，在1550 nm 波段這個損耗的典型值為0.2 dB/km，同時由于光纖的雙折射效應，長距離傳輸后光子的相干性變得很差，因此光纖量子通信的通信距寓也逐漸到達了瓶頸。相對于光纖信道，光子在自由空間傳輸過程中的衰減更小，而且大氣中幾乎不存在雙折射效應，這也使得基于自由空間的量子通信近些年發(fā)展迅速。

1989 年，Bennett 等人首次在桌面平臺上完成了量子巧鑰分發(fā)的實驗驗證，通信距離為32 cm。

1998 年，Hughes 小組完成了傳輸距離1 kｍ的自由空間量子巧鑰分發(fā)實驗，并在2002年實現(xiàn)了 10 km的白天自由空間量子密鑰分發(fā)實驗.

2003 年，維也納大學 Zeilinger 小組的 Aspelmeyer 等人首次完成了 600 m 自由空間的單向糾纏光子傳輸。

2005 年，潘建偉小組在合肥實現(xiàn)了13 km 的雙向糾纏光子分發(fā)，在國際上首次驗證了糾纏光子穿越等效大氣厚度的可行性。

2006 年，Weinfurter小組的 Weier 等人完成了對基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的實驗驗證。

2007 年，以 Zeilinger 為首的歐洲聯(lián)合實驗室實現(xiàn)了144 km 的自由空間糾纏光子單向傳輸實驗和誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗，這是迄今為止自由空間信道的景大傳輸距離。隨后在2009年，該團隊驗證了經(jīng)歷144 km 大氣損耗自由空間信道的糾纏商保真?zhèn)鬏敗?/p>

2012 年，潘建偉小組在靑海湖實現(xiàn)了 101 km 的自由空間量子糾纏分發(fā)實驗。

圖：青海湖湖心島的百公里級量子糾纏分發(fā)實驗 （來源于網(wǎng)絡）

2013 年，Weinfurter小組完成了基于飛機運動平臺的20 km 自由空間量子密鑰分發(fā)實驗。同年，潘建偉小組在青海湖完成了關于星地量子密鑰分發(fā)的全方位論證實驗，為星地量子通信和全球化魚子保密網(wǎng)絡鋪平了道路。

2018 年1月，潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯(lián)合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、國家天文臺等，與奧地利科學院Anton Zeilinger研究組合作，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實現(xiàn)距離達7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。該成果標志著“墨子號”已具備實現(xiàn)洲際量子保密通信的能力，為未來構建全球化量子通信網(wǎng)絡奠定了堅實基礎。

圖：洲際量子保密通信網(wǎng)絡示意圖 （來源于網(wǎng)絡）

中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉曾表示，“希望通過10－15年努力，經(jīng)過嚴密論證，能夠與經(jīng)典網(wǎng)絡實現(xiàn)無線連接的通信一體的保密通信網(wǎng)絡體系，加強網(wǎng)絡安全、通信安全，數(shù)據(jù)認證和身份認證的安全。同時這樣的網(wǎng)絡本身，可以用來構造一個新的高精度的全球化的頻率標準傳遞。”

量子力學催生出新的信息技術，在近百年發(fā)展過程中，為了解決重大問題已經(jīng)做好了準備?，F(xiàn)在量子通信更提供了一種安全的通信方式?？梢哉f，量子計算是和平年代的核武器，由于我國重視較早，雖然各國均處于并跑階段，只要中國持續(xù)發(fā)力，發(fā)展前景還是可期的。