淺談量子保密通信技術應用與發(fā)展

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摘要：量子保密通信結合了現(xiàn)代通信技術和量子信息技術，利用量子態(tài)具有特殊的疊加狀態(tài)特性和不可復制性，實現(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到無條件安全的數(shù)據(jù)傳輸。在當今信息化時代中，量子通信技術作為一種全新的加密通信技術，為新一代信息網(wǎng)絡安全提供了保障，成為未來信息社會通信的關鍵技術。針對量子密鑰分發(fā)技術的應用、量子保密通信技術在實用化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中開展建設規(guī)劃，并與現(xiàn)有通信系統(tǒng)相融合，以實現(xiàn)量子保密通信的未來發(fā)展前景。

關鍵詞：量子保密；通信技術；應用；未來發(fā)展

引言

隨著信息化時代的到來，人們無時無刻都在接發(fā)文字信息、視頻信息、電子信息等，給人們的生活、工作、學習和社會各個領域帶來了新的改變。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險，采取量子保密通信技術，有效避免信息被攻擊破譯，保障了信息傳遞的絕對安全[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)量子力學原理與科學信息技術的有效結合，采用高精度量子測量技術和高精準量子計算技術進行計算、編碼和信息傳輸，發(fā)揮了高效安全的通信性能。量子計算利用量子力學規(guī)律來調(diào)控量子信息單元進行計算，能夠進行大規(guī)模、多線程地數(shù)據(jù)處理，具有超強的計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，量子算法在進行問題處理時就能夠做出傳統(tǒng)計算無法比擬的超強處理能力，實現(xiàn)超高精度、超高速度的工作效率[3]。隨著國內(nèi)外量子信息技術科技的發(fā)展，針對現(xiàn)有公鑰體系在單向計算時存在的易被攻擊威脅，造成信息發(fā)生泄漏的嚴重后果，開展量子密鑰分發(fā)技術的保密通信的創(chuàng)新研發(fā)，滿足了當前信息化社會和數(shù)字化經(jīng)濟時代的需求。通過量子保密通信技術的研究與應用，推動了量子保密通信標準化工作的進行和未來的無限發(fā)展。

1量子保密通信技術應用

1.1量子密鑰分發(fā)技術應用

量子密鑰分發(fā)是根據(jù)量子測不準原理、量子不可分割和量子態(tài)不可復制的特性來實現(xiàn)，量子生成的通信密碼校驗絕對的安全性，不會被任何方式破解。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)完成后需要進行信息協(xié)同和隱私保密增強，糾正密鑰中存在的錯誤，使密鑰保持一致性，進一步增強信息隱私的保密安全。根據(jù)協(xié)議隨機選擇調(diào)制每一個光子的基矢，隨機的基矢可以對接收端進行監(jiān)測，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個量子態(tài)，來進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，當用戶接收到光子后也隨機地使用2組基矢進行偏振態(tài)的測量，如果制備基矢和檢測基矢兼容，則表示收發(fā)隨機數(shù)完全一致，如果存在不同，發(fā)送方和用戶在從新進行比對制備基和測量基基矢，直到收發(fā)雙方擁有完全一致的隨機數(shù)序列密鑰。密鑰分發(fā)、生成后不會被破譯或計算破解，即使在密鑰生成過程中被竊聽也會被通信方發(fā)現(xiàn)，仍然不會泄密，保證了絕對的安全性[4]。

1.2量子保密通信與后量子安全加密應用

近年來，我國在量子信息技術領域發(fā)展迅速，在量子保密通信的研發(fā)中獲得突破性進展，利用量子保密通信技術克服了傳統(tǒng)通信技術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與攜帶性能，量子計算機可以面對各種復雜難度的計算，并能進行高時速、高精準的并行計算處理能力。量子保密通信是在原有的公鑰體系進行創(chuàng)新改進，采取量子密鑰分發(fā)和加密的量子保密通信方案，以應對原有量子計算體系內(nèi)存在的安全威脅，并對現(xiàn)有加密體制進行升級，應用計算破解能力的后量子加密技術提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信與后量子加密的應用，為未來量子安全信息加密技術的創(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，對傳輸?shù)男畔⑦M行一次一密的加密方法，完善了加密體制，實現(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是一種新的加密方法，通過運用許多先進的技術對現(xiàn)有的加密體制算法進行升級改進，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算破解，后量子新型信息加密技術能夠與現(xiàn)有的信息安全系統(tǒng)實現(xiàn)兼容和平滑升級演進。

1.3量子保密通信應用

量子保密通信為未來信息安全提供了保障，是信息領域的重要技術手段，在量子保密通信中量子密鑰分發(fā)作為關鍵技術，與典型網(wǎng)絡組織和現(xiàn)有通信系統(tǒng)結構相融合，建立了網(wǎng)絡管控、安全服務、密鑰生成層、密鑰分發(fā)層、密鑰應用層等組織結構，實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡的可用性和安全可靠性，并應具備靈活高效、可擴展的未來發(fā)展的建設需求。系統(tǒng)分為發(fā)送裝置和接受裝置，利用公共信道對密鑰分發(fā)協(xié)議合法的通信雙方發(fā)送共享的隨機密鑰。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、密鑰轉發(fā)、密鑰存儲、密鑰輸出過程中，密鑰應用層為量子密鑰的保密通信服務提供服務，網(wǎng)絡管控平臺負責網(wǎng)絡運營管理，安全服務平臺則負責密碼服務和安全管理。量子密鑰分發(fā)是以量子物理與信息學為基礎，利用量子態(tài)糾纏重疊的力學特性，在通訊雙方之間產(chǎn)生并分享一個隨機的安全的密鑰，運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)進行量子密鑰服務的加密業(yè)務時，量子信道存在傳輸損耗，量子密鑰分發(fā)距離會被限制距離，需設置中繼節(jié)點來完成長距離的接力傳送，導致安全防護存在困難，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)絡中，都采用可信中繼技術是異或后的中繼技術，量子密鑰只會在節(jié)點處暫存經(jīng)過異或后，不會對中繼節(jié)點造成影響，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)展狀況

隨著量子保密通信的發(fā)展，世界各國試用點呈現(xiàn)逐步成熟趨勢，但在應用推廣方面暴露出一些問題。主要包括三個方面：（1）應用場景受到限制當前，量子保密通信主要面向金融、政府等長期安全性較高的特定場景之中，市場規(guī)模較為分散，傳統(tǒng)通信業(yè)界對于量子保密通信應用目前仍然處于熱情度較低的狀態(tài)。此外，由于量子態(tài)信號與傳統(tǒng)信號混合傳輸時，將引入劣化性能，導致量子保密通信組網(wǎng)需要借助額外獨立光纖鏈路才能獲取所需資源。（2）技術瓶頸待解決在百公里長距離傳輸情況下，量子保密通信可用安全碼率大約為15kbit/s量級，相比于當前光傳達網(wǎng)技術實現(xiàn)的量級信息傳輸差距較大，無法實現(xiàn)對信號的一一加密。此外，在量子保密通信組網(wǎng)方面，由于量子態(tài)存儲技術尚不成熟，因此，有關量子存儲方面難以實現(xiàn)，其中涉及的關鍵技術仍需進一步驗證分析。（3）安全性存在一定風險在實際通信過程中，信道節(jié)點不理想特性使其難以滿足安全性標準，成為不法分子利用的安全漏洞，所以針對通信安全性升級將是運營維護所面臨的一個難題，現(xiàn)階段，由于通信密鑰生成碼率也相對較低，很難滿足一次一密要求?，F(xiàn)階段，我國量子保密通信技術在業(yè)務、市場、商用的應用都處于推廣初期階段，在量子密鑰分發(fā)技術組網(wǎng)理念和技術研究中，仍然面臨一些問題有待研究和探討。

3量子保密通信標準化工作策略與未來發(fā)展

3.1量子保密通信標準化工作策略

在未來量子保密通信技術研發(fā)中，應保證量子保密通信設備系統(tǒng)的功能與性能的一致性和可靠性，增加設備系統(tǒng)和網(wǎng)絡層面的兼容性、靈活性和安全性，在設備和系統(tǒng)技術、安全性能、組網(wǎng)以及加密等各個方面，逐步完善應用體制，在未來發(fā)展中形成完整的標準規(guī)范體系。首先，在國家政策支持的基礎上，應加強量子密鑰分發(fā)技術前沿技術領域的研究工作，創(chuàng)新開發(fā)新型協(xié)議技術、系統(tǒng)器件和架構方案，加快提升量子密鑰分發(fā)技術和系統(tǒng)設備成熟度、實用化水平和性價比，不斷提高量子密鑰分發(fā)和后量子加密的技術水平，完善加密體制。然后，應加強量子保密通信的商業(yè)化應用和市場開拓規(guī)劃的工作策略和未來發(fā)展方向，積極推進產(chǎn)業(yè)合作，開展多樣化的商業(yè)部署模式，制定標準化工作策略，為應用發(fā)展做好引導和培育市場需求。最后，應加快我國量子保密通信網(wǎng)絡項目工程的建設，升級設備完善標準，提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的網(wǎng)管和運維能力，使量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡在完善的密鑰管理設備與加密通信設備進行安全可靠的通信，以商業(yè)化應用推廣和市場化發(fā)展為未來建設目標，增加網(wǎng)絡建設的實際可用性和安全性等標準的建設規(guī)模。目前，我國量子保密通信技術已經(jīng)實現(xiàn)了實用化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展水平，在國家政策的大力支持下在社會各領域得到了廣泛的應用。隨著國家實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，量子信息技術作為我國科技創(chuàng)新的重要發(fā)展技術，應加快發(fā)展量子信息產(chǎn)業(yè)，推動量子技術與社會經(jīng)濟領域的深度融合，增加產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，為國家安全、國防軍事提供強大的技術支持，新興的量子信息產(chǎn)業(yè)推動了我國戰(zhàn)略性發(fā)展方向。

3.2未來發(fā)展前景

量子保密通信技術在未來發(fā)展進程中，量子保密通信網(wǎng)絡建設和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是未來量子技術發(fā)展的關鍵，需要加強技術成熟度、設備可靠性和投入產(chǎn)出性價比等各方面的研究，開展標準化工作策略以促進技術和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近年來，隨著量子保密通信技術的不斷創(chuàng)新，世界各國在量子保密通信技術與產(chǎn)業(yè)的市場競爭日趨激烈，我國雖然處于世界領先地位，應需加強對量子技術研究機構、系統(tǒng)設備廠商和建設運營單位進行大力扶持，在政策支持優(yōu)勢下強化關鍵技術創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展能力，以增強科技實力，提高市場競爭能力。積極推廣大規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，標準規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，促進量子保密通信商業(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)性能指標和實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)絡之中單跨傳輸距離在百公里以內(nèi)，密鑰成碼率有待進一步提高。同時，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，加密通信設備。

3.2.2抗量子計算破解的安全加密面向未來量子計算對于現(xiàn)有加密體系存在的破解威脅，需設計抗量子計算破解安全加密方案，快速提升量子密鑰分發(fā)技術和實用化水平，這是贏得加密技術體制的關鍵。

3.2.3量子保密通信商業(yè)化開拓仍需進一步探索量子保密通信是對現(xiàn)有通信技術的一種有效安全性提升技術，能夠解決密鑰分發(fā)安全性問題，提升通信安全性等級，具有長期性和高安全性。尤其在金融專網(wǎng)方面，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對有限，因此，在后續(xù)研究進程中，逐漸完善量子通信保密技術，將其推廣到投入產(chǎn)出性行業(yè)之中，從設備升級、標準完善、市場探索等方面進行逐一推廣與應用。因此，在今后發(fā)展過程中，應凝聚各方形成合力，提升工程化實用水平，引導應用產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，重視標準化測試，引導產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

4結束語

隨著我國在量子信息技術領域的創(chuàng)新發(fā)展，開創(chuàng)了一場新的技術革命和產(chǎn)業(yè)革命的創(chuàng)新之路，促進了我國國民經(jīng)濟和綜合國力的飛速增長。量子保密通信結合了現(xiàn)代通信技術與量子信息技術，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，通過隨機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，量子信道對信息進行加密傳送，實現(xiàn)了多地遠程傳輸、保密性好、安全可靠的作用。量子密鑰分發(fā)保密通信技術作為天然的保密通信手段，在金融、政務、國防軍事等重要領域發(fā)揮了強大的保密傳輸功能，保證了信息傳輸?shù)慕^對安全性，是未來通信安全發(fā)展的重要技術手段之一。在量子通信技術的應用和創(chuàng)新發(fā)展中，我國已經(jīng)把量子通信技術作為新一代信息基礎設施建設工程，積極開展標準化工作策略和未來發(fā)展規(guī)劃，量子技術在實際應用中逐漸進入產(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，滿足我國量子創(chuàng)新技術新產(chǎn)業(yè)和市場發(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