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量子通信技术应用前景广阔

2015-07-02  来源:人中国信息产业网-民邮电报  作者:中国信息通信研究院通信标准研究所 赖俊森 赵文玉

近年来,网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注,随着量子计算技术的快速发展,传统保密通信技术自身的安全性也将面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。基于量子密钥分发的保密通信作为量子通信领域理论和应用研究的热点,在技术研究、试点应用和产业化等方面发展迅速。中国在量子通信领域的研究和应用也取得了一系列重要进展,与国际发展水平基本保持同步。

信息安全威胁山雨欲来,量子通信技术异军突起

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。近年来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。传统加密技术通过算法和密码加解密在“明文”与“密文”间进行转换,以保护敏感信息的私密性和完整性,由算法的计算复杂度保证密码的安全性。量子计算技术的快速发展将对计算安全性构成挑战,由于量子计算巨大的信息携带量和高效的并行处理能力,能够非常快速地对密文进行计算破解,将对互联网信息安全的基础造成严重威胁。

有矛必有盾,量子物理学在向我们展现量子计算巨大威力的同时,也为我们提供了无条件安全的保密通信方式——量子通信。量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式,基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听及计算破解的绝对安全性保证,主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。量子隐形传态基于量子纠缠对分发与贝尔态联合测量,实现量子态的信息传输,其中量子态信息的测量和确定仍需要现有通信技术的辅助。量子隐形传态中的纠缠对制备、分发和测量等关键技术有待突破,目前处于理论研究和实验探索阶段,距离实用化尚有较大差距。量子密钥分发,也称量子密码,借助量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享,再通过一次一密的对称加密体制,即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特加解密操作,实现无条件安全的保密通信。经过近30年的发展,量子密钥分发从理论协议到器件系统初步成熟,目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段,是量子通信领域理论和应用研究的热点。

量子密钥分发提供安全密钥共享,实现较短距离低速保密通信

在量子密钥分发中,通信双方首先对单光子进行随机的偏振态调制和测量,之后根据调制和测量结果进行协商、纠错和信息处理,最终获得共享的量子密钥。由于单光子的随机偏振具备量子叠加态的特征,任何窃听行为都将导致量子态的坍缩和信道误码率的上升从而被通信双方察觉。其密钥传输的安全性基于物理特性和编码协议,不依赖计算复杂度,从而也排除了对于密码进行计算破解的可能性。在量子密钥分发系统中,单光子源尚不成熟,集成诱骗态调制的弱相干脉冲源是现实选择,而光子探测器和随机数生成器等器件性能对于密钥生成速率与传输距离等性能指标也具有重要影响。量子密钥分发结合一次一密加密可以在理论和协议层面提供无条件安全性,但实际器件和系统的非理想特性仍然会成为可能被窃听者利用的安全漏洞,不断检验和完善量子密钥分发系统的现实安全性也是量子通信技术发展的重要方向。

由于量子密钥分发系统在协议原理、组网方式、器件性能和现实安全性等方面存在局限,商用化系统的安全密钥速率仅为10kbit/s量级,现网传输距离100km左右,实验报道的最高密钥速率为2Mbit/s量级(约40km传输距离时),光纤传输距离最长达200km(约1kbit/s密钥速率时)。量子密钥分发目前主要面向城域范围的语音加密应用,随着协议、器件和系统技术的发展与改进,有望提高密钥速率和传输距离,逐步扩展到干线高速传输的加密应用。

关键词:量子通信 量子保密通信 量子隐形传态 量子