量子通信技術(shù)應(yīng)用前景廣闊

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)信息安全問(wèn)題日益加劇了人們的憂慮和關(guān)注，隨著量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)保密通信技術(shù)自身的安全性也將面臨挑戰(zhàn)。量子通信作為能夠提供無(wú)條件安全性保證的信息安全解決方案受到世界各國(guó)政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。基于量子密鑰分發(fā)的保密通信作為量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，在技術(shù)研究、試點(diǎn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化等方面發(fā)展迅速。中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的研究和應(yīng)用也取得了一系列重要進(jìn)展，與國(guó)發(fā)展水平基本保持同步。

信息安全威脅山雨欲來(lái)，量子通信技術(shù)異軍突起

隨著電子商務(wù)、移動(dòng)支付和互聯(lián)網(wǎng)金融等新興業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的觸角已經(jīng)深入到社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)角落。近年來(lái)不斷曝光的監(jiān)控竊聽(tīng)丑聞和用戶隱私泄露事件進(jìn)一步加劇了人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息安全的憂慮與關(guān)注。傳統(tǒng)加密技術(shù)通過(guò)算法和密碼加解密在“明文”與“密文”間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以保護(hù)敏感信息的私密性和完整性，由算法的計(jì)算復(fù)雜度保證密碼的安全性。量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展將對(duì)計(jì)算安全性構(gòu)成挑戰(zhàn)，由于量子計(jì)算巨大的信息攜帶量和高效的并行處理能力，能夠非常快速地對(duì)密文進(jìn)行計(jì)算破解，將對(duì)互聯(lián)網(wǎng)信息安全的基礎(chǔ)造成嚴(yán)重威脅。

有矛必有盾，量子物理學(xué)在向我們展現(xiàn)量子計(jì)算巨大威力的同時(shí)，也為我們提供了無(wú)條件安全的保密通信方式――量子通信。量子通信是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理提供了無(wú)法被竊聽(tīng)及計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。量子隱形傳態(tài)基于量子糾纏對(duì)分發(fā)與貝爾態(tài)聯(lián)合測(cè)量，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測(cè)量和確定仍需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中的糾纏對(duì)制備、分發(fā)和測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，目前處于理論研究和實(shí)驗(yàn)探索階段，距離實(shí)用化尚有較大差距。量子密鑰分發(fā)，也稱(chēng)量子密碼，借助量子疊加態(tài)的傳輸測(cè)量實(shí)現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過(guò)一次一密的對(duì)稱(chēng)加密體制，即通信雙方均使用與明文等長(zhǎng)的密碼進(jìn)行逐比特加解密操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的保密通信。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，量子密鑰分發(fā)從理論協(xié)議到器件系統(tǒng)初步成熟，目前已有小規(guī)模的試點(diǎn)應(yīng)用和初步產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信成為未來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

量子密鑰分發(fā)提供安全密鑰共享，實(shí)現(xiàn)較短距離低速保密通信

在量子密鑰分發(fā)中，通信雙方首先對(duì)單光子進(jìn)行隨機(jī)的偏振態(tài)調(diào)制和測(cè)量，之后根據(jù)調(diào)制和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行協(xié)商、糾錯(cuò)和信息處理，最終獲得共享的量子密鑰。由于單光子的隨機(jī)偏振具備量子疊加態(tài)的特征，任何竊聽(tīng)行為都將導(dǎo)致量子態(tài)的坍縮和信道誤碼率的上升從而被通信雙方察覺(jué)。其密鑰傳輸?shù)陌踩曰谖锢硖匦院途幋a協(xié)議，不依賴(lài)計(jì)算復(fù)雜度，從而也排除了對(duì)于密碼進(jìn)行計(jì)算破解的可能性。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，單光子源尚不成熟，集成誘騙態(tài)調(diào)制的弱相干脈沖源是現(xiàn)實(shí)選擇，而光子探測(cè)器和隨機(jī)數(shù)生成器等器件性能對(duì)于密鑰生成速率與傳輸距離等性能指標(biāo)也具有重要影響。量子密鑰分發(fā)結(jié)合一次一密加密可以在理論和協(xié)議層面提供無(wú)條件安全性，但實(shí)際器件和系統(tǒng)的非理想特性仍然會(huì)成為可能被竊聽(tīng)者利用的安全漏洞，不斷檢驗(yàn)和完善量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)安全性也是量子通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。

由于量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在協(xié)議原理、組網(wǎng)方式、器件性能和現(xiàn)實(shí)安全性等方面存在局限，商用化系統(tǒng)的安全密鑰速率僅為10kbit/s量級(jí)，現(xiàn)網(wǎng)傳輸距離100km左右，實(shí)驗(yàn)報(bào)道的最高密鑰速率為2Mbit/s量級(jí)（約40km傳輸距離時(shí)），光纖傳輸距離最長(zhǎng)達(dá)200km（約1kbit/s密鑰速率時(shí)）。量子密鑰分發(fā)目前主要面向城域范圍的語(yǔ)音加密應(yīng)用，隨著協(xié)議、器件和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與改進(jìn)，有望提高密鑰速率和傳輸距離，逐步擴(kuò)展到干線高速傳輸?shù)募用軕?yīng)用。