量子通信技術(shù)應(yīng)用前景廣闊

近年來，網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益加劇了人們的憂慮和關(guān)注，隨著量子計算技術(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條件安全性保證的信息安全解決方案受到世界各國政府、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，在技術(shù)研究、試點應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化等方面發(fā)展迅速。中國在量子通信領(lǐng)域的研究和應(yīng)用也取得了一系列重要進展，與國發(fā)展水平基本保持同步。

信息安全威脅山雨欲來，量子通信技術(shù)異軍突起

隨著電子商務(wù)、移動支付和互聯(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)深入到社會經(jīng)濟生活的各個角落。近年來不斷曝光的監(jiān)控竊聽丑聞和用戶隱私泄露事件進一步加劇了人們對于網(wǎng)絡(luò)信息安全的憂慮與關(guān)注。傳統(tǒng)加密技術(shù)通過算法和密碼加解密在“明文”與“密文”間進行轉(zhuǎn)換，以保護敏感信息的私密性和完整性，由算法的計算復(fù)雜度保證密碼的安全性。量子計算技術(shù)的快速發(fā)展將對計算安全性構(gòu)成挑戰(zhàn)，由于量子計算巨大的信息攜帶量和高效的并行處理能力，能夠非?？焖俚貙γ芪倪M行計算破解，將對互聯(lián)網(wǎng)信息安全的基礎(chǔ)造成嚴重威脅。

有矛必有盾，量子物理學(xué)在向我們展現(xiàn)量子計算巨大威力的同時，也為我們提供了無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、測量坍縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽及計算破解的絕對安全性保證，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)基于量子糾纏對分發(fā)與貝爾態(tài)聯(lián)合測量，實現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測量和確定仍需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中的糾纏對制備、分發(fā)和測量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，目前處于理論研究和實驗探索階段，距離實用化尚有較大差距。量子密鑰分發(fā)，也稱量子密碼，借助量子疊加態(tài)的傳輸測量實現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，再通過一次一密的對稱加密體制，即通信雙方均使用與明文等長的密碼進行逐比特加解密操作，實現(xiàn)無條件安全的保密通信。經(jīng)過近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)模的試點應(yīng)用和初步產(chǎn)業(yè)化趨勢。以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子保密通信成為未來保障網(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。

量子密鑰分發(fā)提供安全密鑰共享，實現(xiàn)較短距離低速保密通信

在量子密鑰分發(fā)中，通信雙方首先對單光子進行隨機的偏振態(tài)調(diào)制和測量，之后根據(jù)調(diào)制和測量結(jié)果進行協(xié)商、糾錯和信息處理，最終獲得共享的量子密鑰。由于單光子的隨機偏振具備量子疊加態(tài)的特征，任何竊聽行為都將導(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。其密鑰傳輸?shù)陌踩曰谖锢硖匦院途幋a協(xié)議，不依賴計算復(fù)雜度，從而也排除了對于密碼進行計算破解的可能性。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)實選擇，而光子探測器和隨機數(shù)生成器等器件性能對于密鑰生成速率與傳輸距離等性能指標也具有重要影響。量子密鑰分發(fā)結(jié)合一次一密加密可以在理論和協(xié)議層面提供無條件安全性，但實際器件和系統(tǒng)的非理想特性仍然會成為可能被竊聽者利用的安全漏洞，不斷檢驗和完善量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的現(xiàn)實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，現(xiàn)網(wǎng)傳輸距離100km左右，實驗報道的最高密鑰速率為2Mbit/s量級（約40km傳輸距離時），光纖傳輸距離最長達200km（約1kbit/s密鑰速率時）。量子密鑰分發(fā)目前主要面向城域范圍的語音加密應(yīng)用，隨著協(xié)議、器件和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與改進，有望提高密鑰速率和傳輸距離，逐步擴展到干線高速傳輸?shù)募用軕?yīng)用。