現階段量子通信僅實現密鑰分配

2020-11-03 源正流清

量子通信是利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術。量子通信的涵蓋範圍比較廣泛，量子隱形傳態、量子密鑰分配都被歸類到量子通信的範疇。


量子隱形傳態是一種傳遞量子信息的技術。量子隱形傳態的前提是建立量子糾纏，糾纏往往是存在於多個物理客體之間，如光子之間、原子之間。根據量子力學理論描述，2個處於量子糾纏態的粒子無論相距多遠，都能感知和影響對方的狀態，而且這種影響是瞬間完成的。正是這種處於量子糾纏態的粒子可以感知和影響對方的狀態，因而可以利用這種特性來傳遞信息。量子隱形傳態聽起來比較科幻，技術難度比量子密鑰分配難度更大，目前還無法商用。

量子密鑰分配結合一次一密的對稱加密方式，實現點對點方式的安全通信。一般用弱相干光源發射光子，因為弱相干光源弱到一定程度，光子是一個一個往外蹦的，以此代替單光子源。把一個信息編碼在一個光子上，一個光子有著不同的量子態，代表著0和1，把光子通過光纖發射過去，接收方接到單光子並探測其量子態後，與發射端通過特定的協議協商生成對稱的隨機數作為密鑰，利用這些密鑰再對要傳輸的數據進行加解密傳輸。由於傳輸距離有限，一般在200至300公裡的距離上就需要中繼站，以中繼站「接龍」的方式向遠處傳輸密鑰。

可以說，現在的量子通信僅局限於量子密鑰分配，且量子密鑰分配依賴經典通信。也就是說，量子密鑰分配是給經典通信加一個量子密鑰，而非對經典通信的取代。

量子密鑰分配利用光子不可複製、不可分割的特性，以量子密鑰分配的方式保障通信安全。

理論上說，由於光子不可分割，因此竊聽者無法將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續傳送，而對另一部分進行狀態測量獲取密鑰信息。由於未知的量子態不可能被精確複製，竊聽者截取單光子後，無法通過複製單光子的狀態來竊取信息。由於竊聽者不能精確地對光子的狀態進行測量，在竊聽者截取單光子後，測量其狀態，然後根據測量結果發送一個新光子給接收方的做法會使接收方收到的光子的狀態與其原始狀態會存在偏差。而發送方和接收方可以利用這個偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動，從而檢驗他們之間所建立的密鑰的安全性。



由於弱相干光源發射出去的是單光子與多光子脈衝的概率混合，在所發出的非真空脈衝中，有些是單光子的，有些是多光子，比如2光子、3光子……多光子脈衝即包含了多個全同偏振光子，竊聽者可將其分離，自己留下一個，將剩餘光子送到遠程合法用戶。在這種情況下竊聽者的行為不會被合法用戶察覺。針對這種光子數分離攻擊可以用誘騙信號量子密碼方案應對。用弱光替代單光子，有可能存在多個光子概率，有可能存在1個光子的概率。誘騙態方法是指發射2/3種不同強度的光子，經過信道衰減後，強度高的光子到達的概率高，強度低的光子達到的概率低，在正常狀態下，這個概率是成正比的。如果竊聽者採取從多個全同偏振光子中拿走一個的方法獲取信息，那麼光子的接收概率會和正常狀態下不一樣，這樣就可以監測出是否被竊聽。只要通過對比就能知道，成功傳輸的有哪些，少了哪些光子，被截獲的光子就直接捨棄。反正傳遞的是密鑰，而不是信息數據，不需要有完整性。

不過，對於量子密鑰分配的安全性，行業裡有一些不一樣的聲音。學者認為，如果以下假設能滿足，量子密鑰可以做到絕對安全。

1.量子力學是成立的；

2.協議執行時間足夠長，碼長趨於無窮；

3.設備和儀器是可信的；

換言之，只要上述條件能夠滿足，即使使用量子計算機也無法破解量子密鑰。這也就是此前很多媒體宣傳量子密鑰絕對安全的來源。但具體實現中會有很多問題導致上述第2、3條假設無法滿足。例如，實現量子密碼的設備無法做到可信、協議執行時無法做到碼長無窮，這些因素都會影響量子密鑰的安全性。

早些年，加拿大滑鐵盧大學量子入侵實驗室的Vadim Makarov就發現，如果實際實現中的單光子探測器設計不合理，會導致系統被攻破，甚至量子密鑰毫無安全性可言。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的物理學家Renato Renner對有限長密鑰的安全性做了系統性研究，證明了碼長有限的情況下，安全性只能以概率保證，並嚴格給出了安全概率和碼長的關係。從其結論可以看出，只有碼長無限長才能實現100%概率安全。如果碼長過短可能導致安全概率很低。法國機構一篇論文也指出誘騙態和中繼存在風險。以中繼來說，由於遠距離傳輸必須藉助中繼，而量子中繼現階段實現不了，只能使用可信中繼，由於可信中繼是類似「接龍」的方式傳遞密鑰，信息是要落地的，一旦中繼被攻擊或控制，那麼，就存在安全風險。



行業人士認為，實際運用中量子密鑰只能逼近100%絕對安全而無法直接實現。相比於傳統密碼學，量子密碼的優勢是其安全性在弱假設下完全可證，並且其可證的安全性包括對抗量子計算機在內的一切可允許的手段。從安全性可證明的角度來說，量子密碼可能是終極密碼。另外，根據實際情況和安全強度所需，調節密鑰更新和使用方法是一個很好的選擇。

總的來說，量子通信還處於發展之中，當下只能做到量子密鑰分配，做不到量子隱形傳態。一些媒體的報導已經過度拔高，甚至有惡意炒作的嫌疑。一位行業人士就表示，「此前概念炒作影響了量子科技的發展，往下是大浪淘沙，科技人員要用真技術、硬功夫並提供實際有效的產品方能不辜負政策的支持！」

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