淺談量子保密通信技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

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摘要：量子保密通信結(jié)合了現(xiàn)代通信技術(shù)和量子信息技術(shù)，利用量子態(tài)具有特殊的疊加狀態(tài)特性和不可復(fù)制性，實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)而建立的安全通信密碼，采取一次一密的加密體制從而達(dá)到無(wú)條件安全的數(shù)據(jù)傳輸。在當(dāng)今信息化時(shí)代中，量子通信技術(shù)作為一種全新的加密通信技術(shù)，為新一代信息網(wǎng)絡(luò)安全提供了保障，成為未來信息社會(huì)通信的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)量子密鑰分發(fā)技術(shù)的應(yīng)用、量子保密通信技術(shù)在實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中開展建設(shè)規(guī)劃，并與現(xiàn)有通信系統(tǒng)相融合，以實(shí)現(xiàn)量子保密通信的未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：量子保密；通信技術(shù)；應(yīng)用；未來發(fā)展

引言

隨著信息化時(shí)代的到來，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻都在接發(fā)文字信息、視頻信息、電子信息等，給人們的生活、工作、學(xué)習(xí)和社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域帶來了新的改變。為了保障信息通信的安全，防止信息傳遞過程中存在的泄露風(fēng)險(xiǎn)，采取量子保密通信技術(shù)，有效避免信息被攻擊破譯，保障了信息傳遞的絕對(duì)安全[1]。量子保密通信改變了傳統(tǒng)加密通信的局限性和不安全性，解決了存在的安全隱患問題，根據(jù)量子力學(xué)原理與科學(xué)信息技術(shù)的有效結(jié)合，采用高精度量子測(cè)量技術(shù)和高精準(zhǔn)量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸，發(fā)揮了高效安全的通信性能。量子計(jì)算利用量子力學(xué)規(guī)律來調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算，能夠進(jìn)行大規(guī)模、多線程地?cái)?shù)據(jù)處理，具有超強(qiáng)的計(jì)算能力和精密的邏輯性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、糾纏性和疊加性，量子算法在進(jìn)行問題處理時(shí)就能夠做出傳統(tǒng)計(jì)算無(wú)法比擬的超強(qiáng)處理能力，實(shí)現(xiàn)超高精度、超高速度的工作效率[3]。隨著國(guó)內(nèi)外量子信息技術(shù)科技的發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有公鑰體系在單向計(jì)算時(shí)存在的易被攻擊威脅，造成信息發(fā)生泄漏的嚴(yán)重后果，開展量子密鑰分發(fā)技術(shù)的保密通信的創(chuàng)新研發(fā)，滿足了當(dāng)前信息化社會(huì)和數(shù)字化經(jīng)濟(jì)時(shí)代的需求。通過量子保密通信技術(shù)的研究與應(yīng)用，推動(dòng)了量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)行和未來的無(wú)限發(fā)展。

1量子保密通信技術(shù)應(yīng)用

1.1量子密鑰分發(fā)技術(shù)應(yīng)用

量子密鑰分發(fā)是根據(jù)量子測(cè)不準(zhǔn)原理、量子不可分割和量子態(tài)不可復(fù)制的特性來實(shí)現(xiàn)，量子生成的通信密碼校驗(yàn)絕對(duì)的安全性，不會(huì)被任何方式破解。通信雙方建立量子密碼分享協(xié)議，發(fā)送方和接受方以單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰，保證密鑰分發(fā)的安全性，密鑰分發(fā)采取一次一密的加密體制建立安全通信密碼。密鑰分發(fā)完成后需要進(jìn)行信息協(xié)同和隱私保密增強(qiáng)，糾正密鑰中存在的錯(cuò)誤，使密鑰保持一致性，進(jìn)一步增強(qiáng)信息隱私的保密安全。根據(jù)協(xié)議隨機(jī)選擇調(diào)制每一個(gè)光子的基矢，隨機(jī)的基矢可以對(duì)接收端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在偏振編碼過程中采用單光子的水平偏振態(tài)（0°）、垂直偏振態(tài)（90°）、偏振態(tài)（+45°）和偏振態(tài)（-45°）的4個(gè)量子態(tài)，來進(jìn)行不同自由度的編碼，可以選擇垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作為量子信息的載體。發(fā)送方隨機(jī)使用2組基矢，按照事先約定的單光子水平偏振態(tài)通過量子信道發(fā)送給協(xié)議用戶，當(dāng)用戶接收到光子后也隨機(jī)地使用2組基矢進(jìn)行偏振態(tài)的測(cè)量，如果制備基矢和檢測(cè)基矢兼容，則表示收發(fā)隨機(jī)數(shù)完全一致，如果存在不同，發(fā)送方和用戶在從新進(jìn)行比對(duì)制備基和測(cè)量基基矢，直到收發(fā)雙方擁有完全一致的隨機(jī)數(shù)序列密鑰。密鑰分發(fā)、生成后不會(huì)被破譯或計(jì)算破解，即使在密鑰生成過程中被竊聽也會(huì)被通信方發(fā)現(xiàn)，仍然不會(huì)泄密，保證了絕對(duì)的安全性[4]。

1.2量子保密通信與后量子安全加密應(yīng)用

近年來，我國(guó)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，在量子保密通信的研發(fā)中獲得突破性進(jìn)展，利用量子保密通信技術(shù)克服了傳統(tǒng)通信技術(shù)存在的安全隱患問題，保證了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具備巨大的信息存儲(chǔ)與攜帶性能，量子計(jì)算機(jī)可以面對(duì)各種復(fù)雜難度的計(jì)算，并能進(jìn)行高時(shí)速、高精準(zhǔn)的并行計(jì)算處理能力。量子保密通信是在原有的公鑰體系進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，采取量子密鑰分發(fā)和加密的量子保密通信方案，以應(yīng)對(duì)原有量子計(jì)算體系內(nèi)存在的安全威脅，并對(duì)現(xiàn)有加密體制進(jìn)行升級(jí)，應(yīng)用計(jì)算破解能力的后量子加密技術(shù)提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信與后量子加密的應(yīng)用，為未來量子安全信息加密技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要的意義[6]。

1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子態(tài)的疊加性和量子不可克隆原理，采取密鑰分發(fā)的密碼技術(shù)，對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行一次一密的加密方法，完善了加密體制，實(shí)現(xiàn)了信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.2.2后量子加密后量子加密技術(shù)是一種新的加密方法，通過運(yùn)用許多先進(jìn)的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的加密體制算法進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，例如網(wǎng)格編碼算法和橢圓曲線算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的計(jì)算破解，后量子新型信息加密技術(shù)能夠與現(xiàn)有的信息安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容和平滑升級(jí)演進(jìn)。

1.3量子保密通信應(yīng)用

量子保密通信為未來信息安全提供了保障，是信息領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，在量子保密通信中量子密鑰分發(fā)作為關(guān)鍵技術(shù)，與典型網(wǎng)絡(luò)組織和現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相融合，建立了網(wǎng)絡(luò)管控、安全服務(wù)、密鑰生成層、密鑰分發(fā)層、密鑰應(yīng)用層等組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)的可用性和安全可靠性，并應(yīng)具備靈活高效、可擴(kuò)展的未來發(fā)展的建設(shè)需求。系統(tǒng)分為發(fā)送裝置和接受裝置，利用公共信道對(duì)密鑰分發(fā)協(xié)議合法的通信雙方發(fā)送共享的隨機(jī)密鑰。其中，密鑰生成層將生成制備的量子密鑰提供給上層，在密鑰中繼、密鑰轉(zhuǎn)發(fā)、密鑰存儲(chǔ)、密鑰輸出過程中，密鑰應(yīng)用層為量子密鑰的保密通信服務(wù)提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管控平臺(tái)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理，安全服務(wù)平臺(tái)則負(fù)責(zé)密碼服務(wù)和安全管理。量子密鑰分發(fā)是以量子物理與信息學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子態(tài)糾纏重疊的力學(xué)特性，在通訊雙方之間產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的安全的密鑰，運(yùn)用一次一密的加密方法，通過量子信道完成信息的安全傳送。由于傳統(tǒng)量子信道在傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行量子密鑰服務(wù)的加密業(yè)務(wù)時(shí)，量子信道存在傳輸損耗，量子密鑰分發(fā)距離會(huì)被限制距離，需設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)來完成長(zhǎng)距離的接力傳送，導(dǎo)致安全防護(hù)存在困難，存在安全隱患。因此在現(xiàn)有較大規(guī)模的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中，都采用可信中繼技術(shù)是異或后的中繼技術(shù)，量子密鑰只會(huì)在節(jié)點(diǎn)處暫存經(jīng)過異或后，不會(huì)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)造成影響，具有信息傳輸?shù)陌踩院透咝省?/p>

2量子保密通信目前發(fā)展?fàn)顩r

隨著量子保密通信的發(fā)展，世界各國(guó)試用點(diǎn)呈現(xiàn)逐步成熟趨勢(shì)，但在應(yīng)用推廣方面暴露出一些問題。主要包括三個(gè)方面：（1）應(yīng)用場(chǎng)景受到限制當(dāng)前，量子保密通信主要面向金融、政府等長(zhǎng)期安全性較高的特定場(chǎng)景之中，市場(chǎng)規(guī)模較為分散，傳統(tǒng)通信業(yè)界對(duì)于量子保密通信應(yīng)用目前仍然處于熱情度較低的狀態(tài)。此外，由于量子態(tài)信號(hào)與傳統(tǒng)信號(hào)混合傳輸時(shí)，將引入劣化性能，導(dǎo)致量子保密通信組網(wǎng)需要借助額外獨(dú)立光纖鏈路才能獲取所需資源。（2）技術(shù)瓶頸待解決在百公里長(zhǎng)距離傳輸情況下，量子保密通信可用安全碼率大約為15kbit/s量級(jí)，相比于當(dāng)前光傳達(dá)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的量級(jí)信息傳輸差距較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的一一加密。此外，在量子保密通信組網(wǎng)方面，由于量子態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)尚不成熟，因此，有關(guān)量子存儲(chǔ)方面難以實(shí)現(xiàn)，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步驗(yàn)證分析。（3）安全性存在一定風(fēng)險(xiǎn)在實(shí)際通信過程中，信道節(jié)點(diǎn)不理想特性使其難以滿足安全性標(biāo)準(zhǔn)，成為不法分子利用的安全漏洞，所以針對(duì)通信安全性升級(jí)將是運(yùn)營(yíng)維護(hù)所面臨的一個(gè)難題，現(xiàn)階段，由于通信密鑰生成碼率也相對(duì)較低，很難滿足一次一密要求?，F(xiàn)階段，我國(guó)量子保密通信技術(shù)在業(yè)務(wù)、市場(chǎng)、商用的應(yīng)用都處于推廣初期階段，在量子密鑰分發(fā)技術(shù)組網(wǎng)理念和技術(shù)研究中，仍然面臨一些問題有待研究和探討。

3量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作策略與未來發(fā)展

3.1量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作策略

在未來量子保密通信技術(shù)研發(fā)中，應(yīng)保證量子保密通信設(shè)備系統(tǒng)的功能與性能的一致性和可靠性，增加設(shè)備系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面的兼容性、靈活性和安全性，在設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)、安全性能、組網(wǎng)以及加密等各個(gè)方面，逐步完善應(yīng)用體制，在未來發(fā)展中形成完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。首先，在國(guó)家政策支持的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)量子密鑰分發(fā)技術(shù)前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，創(chuàng)新開發(fā)新型協(xié)議技術(shù)、系統(tǒng)器件和架構(gòu)方案，加快提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)備成熟度、實(shí)用化水平和性價(jià)比，不斷提高量子密鑰分發(fā)和后量子加密的技術(shù)水平，完善加密體制。然后，應(yīng)加強(qiáng)量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場(chǎng)開拓規(guī)劃的工作策略和未來發(fā)展方向，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)合作，開展多樣化的商業(yè)部署模式，制定標(biāo)準(zhǔn)化工作策略，為應(yīng)用發(fā)展做好引導(dǎo)和培育市場(chǎng)需求。最后，應(yīng)加快我國(guó)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目工程的建設(shè)，升級(jí)設(shè)備完善標(biāo)準(zhǔn)，提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的網(wǎng)管和運(yùn)維能力，使量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)在完善的密鑰管理設(shè)備與加密通信設(shè)備進(jìn)行安全可靠的通信，以商業(yè)化應(yīng)用推廣和市場(chǎng)化發(fā)展為未來建設(shè)目標(biāo)，增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)際可用性和安全性等標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)規(guī)模。目前，我國(guó)量子保密通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展水平，在國(guó)家政策的大力支持下在社會(huì)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，量子信息技術(shù)作為我國(guó)科技創(chuàng)新的重要發(fā)展技術(shù)，應(yīng)加快發(fā)展量子信息產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)量子技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的深度融合，增加產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為國(guó)家安全、國(guó)防軍事提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，新興的量子信息產(chǎn)業(yè)推動(dòng)了我國(guó)戰(zhàn)略性發(fā)展方向。

3.2未來發(fā)展前景

量子保密通信技術(shù)在未來發(fā)展進(jìn)程中，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是未來量子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，需要加強(qiáng)技術(shù)成熟度、設(shè)備可靠性和投入產(chǎn)出性價(jià)比等各方面的研究，開展標(biāo)準(zhǔn)化工作策略以促進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近年來，隨著量子保密通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，世界各國(guó)在量子保密通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，我國(guó)雖然處于世界領(lǐng)先地位，應(yīng)需加強(qiáng)對(duì)量子技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)備廠商和建設(shè)運(yùn)營(yíng)單位進(jìn)行大力扶持，在政策支持優(yōu)勢(shì)下強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展能力，以增強(qiáng)科技實(shí)力，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。積極推廣大規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，促進(jìn)量子保密通信商業(yè)化推廣、產(chǎn)業(yè)鏈壯大和產(chǎn)業(yè)化得到健康發(fā)展。

3.2.1分發(fā)系統(tǒng)性能指標(biāo)和實(shí)用化水平有提升空間量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)之中單跨傳輸距離在百公里以內(nèi)，密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。同時(shí)，量子密鑰系統(tǒng)工程化也具有一定提升空間。此外，量子保密通信系統(tǒng)仍需要密鑰管理，將其與信息通信行業(yè)緊密融合，加密通信設(shè)備。

3.2.2抗量子計(jì)算破解的安全加密面向未來量子計(jì)算對(duì)于現(xiàn)有加密體系存在的破解威脅，需設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算破解安全加密方案，快速提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)和實(shí)用化水平，這是贏得加密技術(shù)體制的關(guān)鍵。

3.2.3量子保密通信商業(yè)化開拓仍需進(jìn)一步探索量子保密通信是對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)的一種有效安全性提升技術(shù)，能夠解決密鑰分發(fā)安全性問題，提升通信安全性等級(jí)，具有長(zhǎng)期性和高安全性。尤其在金融專網(wǎng)方面，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對(duì)有限，因此，在后續(xù)研究進(jìn)程中，逐漸完善量子通信保密技術(shù)，將其推廣到投入產(chǎn)出性行業(yè)之中，從設(shè)備升級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)完善、市場(chǎng)探索等方面進(jìn)行逐一推廣與應(yīng)用。因此，在今后發(fā)展過程中，應(yīng)凝聚各方形成合力，提升工程化實(shí)用水平，引導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，重視標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，開創(chuàng)了一場(chǎng)新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的創(chuàng)新之路，促進(jìn)了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和綜合國(guó)力的飛速增長(zhǎng)。量子保密通信結(jié)合了現(xiàn)代通信技術(shù)與量子信息技術(shù)，利用量子態(tài)的疊加性、糾纏性和不可克隆原理，開展量子密鑰分發(fā)的密碼通信技術(shù)，通過隨機(jī)生成的密鑰具有較高的正確性和可靠性，在通訊雙方協(xié)議下形成一致的密鑰形式，量子信道對(duì)信息進(jìn)行加密傳送，實(shí)現(xiàn)了多地遠(yuǎn)程傳輸、保密性好、安全可靠的作用。量子密鑰分發(fā)保密通信技術(shù)作為天然的保密通信手段，在金融、政務(wù)、國(guó)防軍事等重要領(lǐng)域發(fā)揮了強(qiáng)大的保密傳輸功能，保證了信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全性，是未來通信安全發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。在量子通信技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展中，我國(guó)已經(jīng)把量子通信技術(shù)作為新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，積極開展標(biāo)準(zhǔn)化工作策略和未來發(fā)展規(guī)劃，量子技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、大規(guī)模發(fā)展階段，從而更好的為廣大用戶量子層面提供安全服務(wù)，滿足我國(guó)量子創(chuàng)新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

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作者：許偉 單位：安徽省專用通信局