王维喜

【摘要】    随着量子保密通信技术越来越成熟，也逐渐被大众所熟知，但也存在一些误读。量子保密通信以信息安全为基础，因此具有了较大的优势和良好的应用前景。现在可以预见未来量子保密通信将是通信领域发展最为明显的一个趋势。目前研發人员通常是对量子保密通信的各种协议或制式进行研究，依此保证通信的速率和安全。本文围绕量子保密通信中的各种方案设计与安全性展开描述，重点介绍目前量子保密通信的密钥分发方案和量子安全直接通信方案，以及目前的研究成果和未来的发展方向。

【关键字】    量子密钥分发    量子保密通信    信息安全    量子安全直接通信

引言

目前，在通信领域量子保密通信是最耳熟能详的高新技术，尤其是在公众更加关注安全的当下。量子保密通信有其突出的优势，通过量子叠加态和量子纠缠原理，实现量子态信息传输或密钥分发，而需要加密的文件信息则通过经典通信网络加密后传输。通过一次一密以及量子不可再分理论，密钥具有无法被窃听的安全性保证。量子保密通信的应用主要包括隐形传态、密钥分发、量子安全直接通信等。我国在量子隐形传态以及量子密钥分发方面处于领先地位。这主要得益于量子保密通信的早期规划以及大项目的推动引导。我国从2013年就规划了“京沪干线”项目，干线全长2000余公里，依次连接北京、济南、合肥、上海，其已成为世界最长的量子保密通信保密干线[1]。2016年发射的墨子号量子科学试验卫星构筑的天地链路，成功实现洲际量子保密通信。

一、量子保密通信的种类

目前大致量子保密通信的具体应用大致有三种，首先是量子谣传也就是经常提起的隐形传态;其次是在量子通信应用比较广泛的量子密钥分发理论;最后是由量子态直接加密信息的量子安全直接通信。因量子隐形传态目前没有具体应用，只存在在实验室中，所以本文着重介绍量子密钥分发和量子安全直接通信。

1.1量子密钥分发

世界第一个量子密钥分发协议[3]，就是BB84，1984 年物理学家Bennett 和 密码学家Brassard提出BB84通信协议的概念，同时也对协议的原理进行详细的阐述。量子密钥分发并没有脱离开传统通信模式，而是传统通信和量子通信信道并存。密钥通过量子信道传输，需加密的内容则是通过传统通信信道传输[4]。

上述BB84通信协议提出最早，同时也得到了各国支持并开花结果。 美国的DARPA和LosAlamos国家实验室建成的多节点量子保密通信互联网络、欧洲的41个研究单位和企业共同建设和运行了SECOQC量子保密通信网络、日本的东京密钥分发量子网络、中国的京沪干线以及墨子号量子通信卫星都是采用量子密钥分发的机制实现，这也助推了量子密钥分发体系有研究走向了产业应用[5]。

1.2量子安全直接通信

量子安全直接通信的概念是由清华大学龙桂鲁和刘晓曙2000年提出的，其本意是较少量子密钥分发中密钥协商的过程，直接在量子通道中传输信息。

与量子密钥分发相比，量子直接通信发展比较晚[6]，但通过20多年的普及和发展，发展并完善了多种理论协议及应用。2016年，山西大学激光光谱研究所肖连团教授联合清华大学龙桂鲁教授组成团队并主导试验，最后成功演示了基于单光子的量子直接通信。随后，中国科学技术大学联合南京邮电大学进一步通过量子存储方式完成量子通信的纠缠方案。目前清华大学通过制备光纤纠缠源，最后实现五百米的量子通信记录[7]。由此可见，量子安全直接通信已成为大多数科研人员的新的研究方向，研究成果也是未来量子安全直接通信的发展的基石。

二、量子保密通信的安全性

安全性是量子保密通信领域中的突出优势。德国物理学家沃纳海森堡是量子力学的创始人，他发现的测不准原理和量子力学中的量子不可克隆定理是量子力学原理中两个重要的里程碑，其在理论上证明了量子保密通信的安全性。

2.1海森堡测不准原理

海森堡测不准原理指出粒子的动能和位置不可能同时被确定。它为我们判断通信过程是否存在窃听行为提供了理论基础[8]。在量子保密通信过程中，如果存在窃听者对传输的量子态进行篡改和窃听，这样的非法操作都会影响到光量子的状态发生改变。因此，接收的一方只需在收到量子信息后，对量子态进行检测，通过与原来的量子状态作对比，很容易能检测到是否存在窃听。如果有则丢弃掉量子信息，重新发送。

2.2 量子不可克隆定理

1982年物理学家Wootters，Dieks和Zurek提出了著名的单光量子不可克隆定理。具体内容是在量子力学领域中，通过物理方法来复制粒子是不现实的。也可以说，产生一个与原来的粒子具有相同状态的新粒子，而不改变粒子原有的状态是无法实现的。

三、量子保密通信的新进展

基于密钥分发的原理，量子密钥分发通信由两种实现方法，一种是连续变量量子密钥分发，另一种是离散变量量子密钥分发。

3.1连续变量量子密钥分发

连续变量量子密钥分发方案比较多，分类也比较繁杂。分类的成因主要有信息编码方式、信息载体、探测方式、信息传输路径、协商方式等等。高斯调制、离散调制是根据编码方式，较为被大家认可的是根据探测方式分类，分为零差探测和外差探测。在方案实现方面，光纤信道连续变量量子密钥分发实验研究无论在数量和质量上都研究的比较充分，已从试验阶段转向应用阶段。而对于基于大气信道来说，目前最具体的应用就是我国去年发射的墨子号量子试验卫星，完成空地的量子密钥分发[10]。除此之外，研究人员的研发方向还关注到了量子密钥分发的安全性问题。由此，本地本振连续变量量子密钥分发和测量设备无关连续变量量子密钥分发也成为研究量子密钥分发的两个方向。目前的研究成果来看，高斯调制相干态连续变量量子密钥分发的安全性必要具有优势，同时实验研究的成果比较成熟，用于实际的应用也最为广泛。

3.2离散变量量子密钥分发

作为最早出现的密钥分发技术，到目前为止，离散变量量子密朗分发技术无论是在理论还是实验上都取得了一定的进展和成果。到目前为止BB84协议是应用最广泛的离散变量量子密钥分发技术协议。该协议通过将信息调制到光子的偏振态上，随机选择发送四个确定的光子偏振态中的一个，实现安全的密钥分发。随后的Ekert91协议通过量子力学中的EPR纠缠现象与BB84协议被证明是等价的。区别于BB84协议的四种量子态，B92协议使用了两种量子态，被称为BB84的简化版本。除了以上的三种密钥分配协议，还存在各种改进性的协议，比如，六态协议、正交态协议等等[11]。

3.3量子安全直接通信

目前量子安全直接通信方案大致分为单光子方案和两步纠缠方案[12]。DL04单光子量子安全直接通信方案的试验系统， 采用周期性调制编码，基于单光子频谱多自由度的特性， 还可实现多通道信息传输。这个试验系统成功证明了在有丢码和错码的情况下也能进行量子直接通信。两步量子安全直接通信利用四波混频作为纠缠源，通过Bell态测量的优势之一高保真度，读取量子安全直接通信的编码信息。

四、结束语

本文阐述了量子保密通信的发展过程以及各种通信机制、协议，综述了离散量子密钥分发、连续变量量子密钥分发以及量子安全直接通信的试验进展。总的来说，基于目前量子保密通信的关键设备有待提高以及传输速率不高等原因，各种量子保密通信的协议或者是机制还处在建网研究、试验等阶段。但由于量子保密通信的安全性，它在未来通信领域的发展潜力应持续关注。

参  考  文  献

[1]中国信息通信研究院.量子信息技术发展与应用研究报告[R]，2019.

[2] CHEN L，CHEN L，JOR DAN S，et al. Report on post-quantum cryptography[M].US Department of Commerce，National Institute of Standards and Technology，2016.

[3] Long G L， Liu X S.Theoretically efficient high-capacity quantum-key-distribution scheme[J]. Physical Review A， 2002， 65（3）：032302 .

[4]尹浩，韩阳 . 量子保密通信原理与技术[M]. 北京： 电子工业出版社，2013

[5] Hwayean Lee， Jongin Lim， HyungJin Yang. Quantum Direct Communication with Authentication[J]. Physical Review A， 2005， 73（4）：543-543.

[6] 王剑，张盛，张守林，等.基于纯纠缠态的量子安全直接通信协议[J].国防科技大学学报，2009， 31（2）：51-54

[7] 龙桂鲁.噪声环境下的量子安全直接通信[C]//  全国光学前沿问题讨论会会议. 2015.

[8] 刘志昊，陈汉武.基于 Bell 态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案的信息泄露问题[J] .物理学报，2017，66（13）：37-41.

[9] 葛华.量子安全直接通信及网络技术研究[D] .华中科技大学， 2014.

[10] 安辉耀，于涛，刘敦伟，等.基于稳定子码的在噪聲信道的量子安全直接通信方案研究[J]. 量子光学学报，2014， 20（3）：187-191.s

[11] 曹正文，赵光，张爽浩，等.基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案[J].物理学报，2016，65（23）：37-43.

[12] 翁鹏飞，陈红，蔡晓霞.基于d维 Bell纠缠态的量子安全直接通信方案[J] .量子电子学报，2017（5） .