量子通信：絕密的未來通信

21ic通信網(wǎng)訊，量子通信技術基于量子物理學的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。為了拓展應用、與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容以及大量減少成本，需對點對點的通信方式進行組網(wǎng)并充分利用經(jīng)典通信設施。與此同時，量子克隆技術的出現(xiàn)也使得我們開始重新審視量子通信的安全性問題。量子通信是相對最安全的，但任何事情都不是絕對的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有實現(xiàn)近似量子克隆的“量子克隆機”。怎樣可靠地評估安全性？怎樣進行攻擊？是值得研討的問題。在不久的將來，量子通信與經(jīng)典通信的融合發(fā)展將會帶來通信世界的新紀元。

近期，國內(nèi)頂尖專家們來到西苑沙龍，就量子通信的現(xiàn)在與未來，展開了深刻的探討。

什么是量子通信？

在量子的世界中，對于一個微觀的粒子，測量過程本身將不可避免的給我們要測量的物體造成一個顯著的擾動，而且即使在原則上，我們也完全沒辦法把這一擾動減小到零；另一方面，觀測行為本身又會破壞粒子原來的狀態(tài)，讓你永遠不可能知道粒子本來的狀態(tài)是什么。這就是量子不可克隆原理：你不能夠復制一個未知的量子態(tài)，而不改變量子態(tài)本身。量子不可克隆原理是量子加密的基礎。如果我們把想要保密傳輸?shù)男畔?，加載到一個個不可能被準確觀測和復制的量子態(tài)上，而任何的竊聽行為都會改變原本傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。那么最后我們?nèi)∫徊糠謹?shù)據(jù)出來，檢查原本傳輸?shù)男畔⑹欠癖黄茐模湍軌驒z測到竊聽者是否存在。

整個量子通信中，具有短期內(nèi)真實的應用潛能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密鑰分發(fā)。經(jīng)典通信使用最廣泛的公鑰密碼，是假定一些數(shù)學難題，最典型的是假定大型數(shù)據(jù)分解的數(shù)學難題。但是，隨著計算能力的不斷提高，特別是未來量子計算機如果實現(xiàn)的話，這種數(shù)學難題的復雜性就迎刃而解了，換句話說，經(jīng)典保密通信基于的數(shù)學方法不能獲得嚴格的數(shù)學證明。在這個背景下，量子保密通信最大的賣點就是它的安全性獲得了嚴格的數(shù)學證明，這也可以從其基本的量子力學的基本原理來解釋。

量子通信另一個核心內(nèi)容是隱形傳輸，是利用了光子等基本粒子的量子糾纏原理來實現(xiàn)保密通信過程。糾纏是一種詭異的超距離相互關聯(lián)的現(xiàn)象：兩個糾纏在一起的粒子，即使被完全隔離，當觀測一個粒子的狀態(tài)時，另一個粒子的狀態(tài)也會發(fā)生瞬時的改變。換言之，兩個粒子的量子狀態(tài)是完全關聯(lián)的。量子物理讓人最不可思議的地方在于，事物的狀態(tài)并不是唯一確定的。對于宏觀的硬幣而言，只可能存在兩種狀態(tài)：正面朝上或是反面朝上。但對于一枚量子硬幣，它可以既是正面朝上又是反面朝上。對于兩枚糾纏在一起的量子硬幣，如果發(fā)現(xiàn)其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；當發(fā)現(xiàn)一枚是反面朝上，另一枚也一定是反面朝上；如果發(fā)現(xiàn)一枚既是正面朝上又是反面朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此，糾纏所包含的關聯(lián)性，要比我們通常理解的宏觀上的關聯(lián)性強得多。

事實上，糾纏的兩個粒子盡管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何信息。以密鑰為例，當雙方共享同一套密鑰時，并沒有發(fā)生信息的傳遞，直到加密的文本傳來，密鑰才有意義。量子通信和傳統(tǒng)通信的唯一區(qū)別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。

向全球的量子通信網(wǎng)邁進

發(fā)展量子通信技術的終極目標是構建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡連接一個中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點、通過量子中繼實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接、通過衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺的中轉實現(xiàn)遙遠兩個區(qū)域之間的連接，是實現(xiàn)全球廣域量子通信最理想的路線圖。

在這一路線圖的指引下，歐洲、美國和中國等在過去幾年中均進行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開發(fā)力量，進行關鍵技術攻關和實用化、工程化探索，力爭在激烈的國際競爭中占據(jù)先機。光纖量子密碼技術目前正從點對點量子密鑰分發(fā)的初級階段向?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)的量子安全性方向深入發(fā)展階段，全球各地正在加緊進行量子通信系統(tǒng)的實用化和工程化建設。

由美國國防部高級研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很強的軍方特色）技術部聯(lián)合波斯頓大學與哈佛大學共同開展了量子保密通信與IP 互聯(lián)網(wǎng)結合的五年試驗計劃。該計劃主要內(nèi)容是以BBN技術部、波斯頓大學和哈佛大學作為三個節(jié)點以構建融合現(xiàn)行光纖通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和量子光通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，并在此基礎上實現(xiàn)保密通信。

在歐盟發(fā)布的《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、愿景與目標戰(zhàn)略報告》中給出了歐洲未來五年和十年量子信息的發(fā)展目標，例如將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)1000公里量級的量子密鑰分配。歐洲空間局計劃到2018年將國際空間站上的量子通信終端與一個或多個地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，首次演示絕對安全的空間量子密鑰全球分發(fā)的可行性。歐盟在2008年9月發(fā)布了關于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術標準化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了SECOQC工程。

日本提出了量子信息技術長期研究戰(zhàn)略，計劃通過高強度的研發(fā)投入，在5至10年內(nèi)建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。日本郵政省將把量子信息確定為21世紀國家的戰(zhàn)略項目，日本的NICT也啟動了一個長期支持計劃。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡。

另外，一些世界著名的公司也對量子信息技術投入了大量研發(fā)資本，介入了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，例如：美國電話電報公司（AT&T）、Bell實驗室、IBM、Hewlett-Packard，荷蘭Philips，日本Hitachi、NEC、NTT、Toshiba，英國電話電報公司，德國西門子公司等。2010年10月，日本在東京展示一個由NEC、Toshiba、三菱電子等公司支持建設的量子通信網(wǎng)絡。由此可見，大型國際企業(yè)已經(jīng)實際地介入了量子通信技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

而我國在這方面處于國際領先水平，已經(jīng)實現(xiàn)了超過兩百公里（世界紀錄）的安全信息傳輸，實用化安全傳輸距離已達到幾十公里，量子通信網(wǎng)絡技術已發(fā)展成熟。

實用化進程：與經(jīng)典通信的融合

從目前的實際應用來看，將量子通信網(wǎng)絡與現(xiàn)有網(wǎng)絡進行融合是最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略?；ヂ?lián)網(wǎng)在設計時并沒有深入地考慮安全性，這造成當今的網(wǎng)絡安全問題十分突出。量子通信是人類能掌握的最保密的通信技術，量子通信和經(jīng)典通信網(wǎng)絡的融合研究對于提升未來網(wǎng)絡的安全性具有重要的意義。

量子通信和經(jīng)典網(wǎng)絡的融合需要解決物理層和組網(wǎng)技術、中繼技術和通信應用技術等幾個方面的融合問題。對于未來網(wǎng)，應當從基礎設施的建設和利用上就考慮和量子通信的融合。由于傳統(tǒng)的光通信可能在很長一段時間內(nèi)仍然是主要通信技術手段，在光通信網(wǎng)絡上實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡，將是融合的基礎。

實際的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個相互取長補短的過程，量子通信不會完全替代現(xiàn)有的通信技術，而是在現(xiàn)有的技術上在物理層、網(wǎng)絡層、應用層將兩者進行了融合。

從物理層來說，可以從光源、探測器和信道方面考慮。在光源方面，利用單光子源或者單離子源，或

者將激光光源衰減到單光子量級應用到實際工程中；在探測方面，因為是單光子信號源，需要特測器有單光子量級特征，對量子密鑰分發(fā)中的連續(xù)變量進行測量；在信道方面，對于不同的光源用不同波長的商用光纖即可滿足條件。

從網(wǎng)絡層來說，一方面我們可以采取獨立的信道和統(tǒng)一的網(wǎng)絡結構，也可以用一根光纖既傳遞量子信號又傳遞經(jīng)典信號；除了光纖技術，還需要采取例如基于糾纏交換的量子中繼技術來解決量子通信的遠距離傳輸這一核心問題；此外，在組網(wǎng)的往來上，可以采取電路交換或者波長復用技術，并且增加量子路由器來進行控制。

從應用層來看，我們可以跟現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議結合，用量子密碼來替換現(xiàn)有協(xié)議中的初始密碼，這樣既可以得到更高的安全性也可以保持實際的通信速率?，F(xiàn)在實際用到的量子保密分發(fā)的方法都是用誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的方法。而一旦用量子的方法產(chǎn)生密鑰，則必須與后繼的經(jīng)典通信結合才能實際應用。比如，我們用量子密碼生成種子密鑰，然后用經(jīng)典的方法進行擴張，這樣既保證了種子密鑰的安全，同時也有很高的通信效率。

專家視點

于淥 中國科學院物理研究所研究員，中國科學院院士

量子通信從原理走上小范圍專用問題的實用化，是現(xiàn)在全世界都在努力的方向。中國的起步不錯，也有很好的學術帶頭人，下一步的發(fā)展就是明確定位的問題。一方面是注意與現(xiàn)有通信的融合，要善于借鑒現(xiàn)有的通信技術；另一方面，安全性是量子通信在實際應用中的體現(xiàn)，應在未來制定量子通信安全性標準。

王向斌 清華大學教授

量子密鑰分發(fā)的實際產(chǎn)業(yè)化應用應該著眼于未來并注重定位，重點發(fā)展局域性的重點需求網(wǎng)絡，而不是強調(diào)現(xiàn)有網(wǎng)絡一樣的廣泛性和高功能效率。另外，任何實際的系統(tǒng)都不是絕對安全的，量子通信目前重點先要解決的安全問題應放在光源、信道和檢測方面。最終目標是促進量子保密通信產(chǎn)業(yè)化。

余少華 武漢郵電科學研究院總工程師、光纖通信技術和網(wǎng)絡國家重點實驗室主任

量子通信不會完全替代現(xiàn)有的通信技術，實際的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個相互取長補短的過程。密鑰分發(fā)與傳統(tǒng)密碼要區(qū)分開來，要突出有優(yōu)勢的“一次一密”角度。另外，量子通信還要解決速度的問題，努力實現(xiàn)大規(guī)模廣覆蓋。

范桁 中科院物理研究所研究員

量子通信從量子力學的原理上來說是絕對安全的，但是實際上量子態(tài)可以被近似的克隆。比如在信道中將部分量子態(tài)截獲下來，這就是量子克隆機對量子密鑰分發(fā)的攻擊。目前，我們可以用一種特殊的相位量子克隆來對量子態(tài)進行一定的攻擊。未來我們希望有更接近實際的安全性證明。

趙勇 中國科學技術大學高級工程師，中科院量子技術與應用研究中心副主任

對于量子密鑰的推廣，我們不能摸著石頭過河，而是要重點關注現(xiàn)在需要解決的問題。怎么利用現(xiàn)有和未來發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術或者下一代網(wǎng)絡優(yōu)勢，提出更滿足未來需要的網(wǎng)絡，是一個取長補短，互相融合、互相學習的過程，也是將來的工作方向。

紀越峰 北京郵電大學教授

量子通信下一步發(fā)展重點是量子密鑰分發(fā)中的量子通信聯(lián)網(wǎng)應用，其中可信傳輸與光子交換技術是重中之重。量子通信面臨四項難點：可擴展、強抗毀、廣覆蓋、立體化，另外光網(wǎng)絡上的基本特征怎么融合量子通信也是要考慮的問題?？傊?，量子密鑰分發(fā)在未來推廣應用方面面臨兩大挑戰(zhàn)：融合性和安全性。

銀振強 中國科學技術大學副教授

任何實際系統(tǒng)總是存在安全性問題，量子密碼的時代也必然存在密碼安全性的問題。深入研究量子密碼分配系統(tǒng)各種器件的物理性質(zhì)才有可能解決安全性的問題，研究更安全的實際系統(tǒng)的設計與架構，探索新的量子密鑰的協(xié)議。

李鳳華 中科院信息工程研究所研究員

量子通信首先應該在互聯(lián)網(wǎng)時代找準自己的定位，另外量子通信目前應該重點關注量子密鑰分發(fā)。相對于傳統(tǒng)的通信來說，量子密鑰分發(fā)在速度方面的“一次一密”的角度上還是有優(yōu)勢的，目前應該應用的重點在高端、重要的通信當中，特別是在干線網(wǎng)絡上。

龍桂魯 清華大學教授

量子通信從原理上可以保證安全，但實際上由于器件、單光子發(fā)射、探測等方面的缺陷，出現(xiàn)了種種攻擊。改善器件有一個過程，每一個階段有一定的發(fā)展水平，對于重要的實際應用方面的安全問題，可以在現(xiàn)有的水平上把量子通信與現(xiàn)有通信結合起來，來加大信息的安全。