从科研转入试点量子通信有望彻底解决通信安全问题

2015-03-16联通西安研究院席晓

通信世界 2015年23期

联通西安研究院 | 席晓

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量子通信技术具有安全性极高、通信容量大、传输速度快等优点，可以完成传统通信不能完成的特殊任务。

随着电子商务、移动支付和互联网金融等新兴业务的蓬勃发展，通信与网络技术的触角已经深入到社会经济生活的各个角落，人们对网络的依赖度越来越高，网络极大地改变了人们的生存模式，已成为人们日常生活中不可缺少的一部分；但网络在带给人们便利的同时，其安全问题也日益凸显，尽管在网络中保障网络安全的各种设备和新技术已经层层布防，但是诸如12306网站包含用户身份证及密码信息的数据泄露、快递1400万信息外露、2014年的1月21日我国互联网DNS大劫难等网络安全问题频频出现，这些不断曝光的监控窃听丑闻和用户隐私泄露事件，进一步加剧了人们对于网络信息安全的忧虑与关注，有没有一种技术可以有效解决网络安全问题？量子通信技术具有极高安全性、通信容量大、传输速度快等优点，可以完成传统通信不能完成的特殊任务，利用无法破译的秘钥技术，实现真正意义上的安全保密通信，近年来世界各国科学家都对该技术进行了密切关注和深入研究，并将其视为通信技术的又一次革命。

什么是量子通信

量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，由量子论和信息论相结合而产生。从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式。从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。

主要组成

量子通信主要由量子密钥分配( QKD，Quantum Key Distribution)、量子隐形传态(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC，Quantum Secure Direct Communication)、量子机密共享( QSS，Quantum Secret Sharing) 等4个方面构成。

量子密钥分配（Quantum Key Distribution)以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。QKD技术在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分配到通信双方。基于QKD 技术的保密通信系统架构如图1所示。

目前，各国学者在理论上已经提出了几十种量子密钥分配方案，根据信号源的不同大概可分为3类:基于单量子的量子密钥分配方案；基于量子纠缠对的量子密钥分配方案；基于单量子与量子纠缠对的混合量子密钥分配方案。

量子隐形传态(Quantum Teleportation)又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态传送到另一个地方，然后将另一个量子制备到该量子态上，而原来的量子仍留在原处。其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联，通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量，实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。量子态传送过程是隐形的，通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”，而并不传输作为信息载体的量子本身，通信没有经历空间与时间，不发送任何量子态，而是将未知量子态所包含的信息传送出去。

量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication)是指通信双方以量子态为信息载体，基于量子力学相关原理及量子特性，利用量子信道，在通信收发双方之间安全地、无泄漏地直接传输有效信息，特别是机密信息的通信技术。

QSDC是量子通信技术的一个重要分支，主要用于直接传输机密信息。通信的收发双方无需事先建立安全密钥，就可以直接通过量子通道进行信息传输。QSDC与量子密钥分发的根本区别在于在量子信道中直接传递秘密信息，安全性要求比量子密钥分配高，但总体而言，QSDC方案还存在非实时及其量子信道信息所需要的纠缠态、量子存储等技术还不成熟的问题。

量子机密共享(QSS)是传统的机密共享在量子通信中的运用和发展，传统的机密共享旨在对重要的密钥进行安全保护，使即便部分或全部密钥被第三方窃取也难以恢复出真实的密钥。其主要实现思路是，将原始密钥分割成多份，然后将多份密钥分别发给多个用户，每个用户都只能获取一份或多份密钥份额，只有在多个密钥分享者合作下，才能恢复出原始的密钥，不能满足上述条件的共享者将无法得到全部的密钥。通过使用机密共享方案，可以在分享机密信息的同时，防止不诚实用户的破坏企图。

量子机密共享是多个通信方之间通过多量子纠缠态实现的量子通信，但现实应用技术难度大，还基本处在理论研究阶段。1999年，Hillery、Buzek和Berthiaume提出了首个量子机密共享方案，随后，各国学者又相继提出了大约十几种理论方案，包括共享一个未知态的一些方案，并于2001年在实验上进行了演示。

体系架构

量子通信系统的基本模型如图2所示。其中，量子信源：以尽可能少的量子比特来表示输入符号，从而将要传输的信息转化成量子比特流；量子编码器：对量子比特流进行编码，达到数据压缩或加入纠错码对抗噪声的目的；量子调制器：使量子信号的特性与信道特性匹配；量子解调器：通过量子操作得到调制前的量子信息；量子传输信道：传送量子信号的通道；辅助信道：经典信道及其它附加信道；量子信道噪声：环境对量子信号影响的等效描述；量子译码器：把量子比特转化成经典信息；量子信宿：量子信息的接收方。目前，在量子通信系统的实际应用中，一般采用“量子信道+辅助经典信道”的方式完成非理想的量子密钥分发或量子密码通信，在经典信道辅助下，通信双方利用量子信道实现量子信息的交互和同步，获取量子密钥。

较传统通信具备“不可克隆性”

量子通信与传统通信技术相比，具有如下主要特点和优势:首先，具有极高的安全性和保密性，根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现，量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测；其次，时效性高传输速度快，量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快；再次，抗干扰性能强，量子通信中的信息传输不通过传统信道，与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比相较传统通信手段低30～40dB；最后，传输能力强，量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信。

未来将与传统通信深度融合

目前，各主要国家对于量子通信的技术开发都投入了大量的人力和财力，我国目前在量子通信领域处于世界前列，已经取得了丰硕成果，部分领域甚至是世界领先，未来量子通信必将为我国经济的快速发展添砖加瓦。

量子通信不仅具有绝对安全保密性，还具备无障碍传输通信能力，这些优良特性决定了其将具有广阔的无法估量的应用前景。随着我国以及国外对信息安全的高度重视和对通信速率的旺盛需求，具有安全可靠和高速传输优势的量子通信，将是未来网络通信系统的主流通信技术，也将成为未来通信技术的一次伟大的革命，改写未来信息产业的格局。

目前，量子通信的基本理论和和框架已经形成，在单光子、量子探测、量子存储等量子通信关键技术获得发展和突破条件下，各种理论体系正日趋完善，量子通信技术已经从科研阶段逐步进入试点应用阶段；量子通信的绝对保密性也决定了其在军事、国防、金融等领域有着广阔的应用前景，随着技术日趋完善和成熟，在未来的大众商业市场中，量子通信将具有极大的应用潜力。

量子通信应用试点逐步开展，国内外产业化趋势已经形成，量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值备受政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化也呈现出快速发展趋势；量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的量子技术科技产业实体，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，同时国家对于量子通信的专项投入和政策扶持也为其快速发展注入了强劲动力。

量子通信与现有通信的融合将是一个相互取长补短的过程，未来量子通信将与现有通信深度融合——量子通信不会完全替代现有的通信技术，而是在现有技术基础上，在物理层、网络层、应用层将两者进行融合。

关于量子通信技术的三项建议

量子通信是关系到我国信息安全的战略性技术和产业，其发展潜力巨大，不过想要推进量子通信技术的逐步完善以及实际应用，不能仅依靠几所高校、科研院所和几家企业，相关政府部门、行业甚至社会力量都应参与其中。

笔者根据我国目前量子通信的实际发展情况，提出如下发展建议。

首先，政府及相关机构要加大对量子通信相关研究的投入，尤其在量子通信技术还需要继续完善的技术环节上，重视对量子通信理论、实现方法及相关终端等器件的研发，以保持我国在量子通信研究上的持续领先优势；进一步提高系统稳定性和可靠性，解决量子通信设备的小型化和轻量化问题，降低相关设备的制造和运行成本，使最新量子通信研究成果在实际系统中及时得到转化并得到普及应用。

其次，要重视量子通信的相关专利和标准编写，随着量子通信技术和产品逐渐进入商业化运作，相关的知识产权和技术标准已成为不容忽视的问题。鉴于以往我国信息产业在专利或标准之争中得到的深刻教训，应重视量子通信相关技术和产品的专利申请及标准制定问题，组织相关领域专家力量，进行整体安排和部署，以最大限度保障国家知识产权利益。

最后，对于已经成熟的量子通信技术，要加快其在实际当中的应用，前期要区分对象推广应用，量子通信最大的优势在于“防窃听”、“一次一密”、“绝对安全”，因此最适合于政府、银行、金融证券、大型企业集团等保密通信要求较高的场合。而对于一般应用场合或普通公众来说，量子通信的高保密性与传统通信的高效、便捷、低成本且相对安全的特点相比，目前来说也许并非最佳的选择。因此，对于量子通信产品的提供者来说，应该紧密围绕市场需求进行应用推广和市场宣传。同时，也应根据民用通信安全的需求开发出成本更低廉、使用更便捷的产品，在解决目前重要部门通信安全的急需后逐步向广阔的民用市场辐射。