一、前言背景
量子一詞來自于拉丁語quantum，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。量子是現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要概念，它是基本粒子統(tǒng)稱，也是能表現(xiàn)出某物理量特性的最基本單元，能量等物理量的最小單位，最小的不可分割單位。包含光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等，也就是說光子就是一種量子，即光量子。
十九世紀(jì)初，普朗克提出了“能量子假說”，量子是不能無線分割，能量只能一份一份的變化，一個(gè)最小份的能量叫做一個(gè)能量子，簡(jiǎn)稱量子。實(shí)際上任何能量變化都是量子化的，只是在宏觀現(xiàn)象中表現(xiàn)不夠明顯，但在微觀現(xiàn)象中則很容易觀察。而光量子也就是光的最小能量單位而且不能分割，不會(huì)有0.5個(gè)光量子，只能有n個(gè)（n取值為正整數(shù)）。
后續(xù)愛因斯坦得到普朗克能量子假說的啟發(fā)，提出了光電效應(yīng)理論。1916年，美國(guó)物理學(xué)者羅伯特·密立根做實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于光電效應(yīng)的理論。人們開始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的兩種性質(zhì)。在光子具有波粒二象性的啟發(fā)下，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意在1924年提出假說，波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都具有波粒二象性。
在經(jīng)典力學(xué)中，波和粒子是兩種不同的研究對(duì)象，而在量子力學(xué)中，他們具有了統(tǒng)一性。以及在后續(xù)著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)以及其衍生實(shí)驗(yàn)更加充分的證實(shí)了光子的波粒二象性。
2015年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家成功拍攝出光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。這一突破性成果發(fā)表在當(dāng)年的《自然·通訊》雜志上。
照片中，底部的切片狀景象展示了光線的粒子特性，頂部的景象展示了光線的波特性。
19世紀(jì)末，舊有的經(jīng)典理論仍無法解釋微觀系統(tǒng)，通過物理學(xué)家的努力，在20世紀(jì)初創(chuàng)立量子力學(xué)，能夠解釋了這些現(xiàn)象。量子力學(xué)從根本上改變?nèi)祟悓?duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解。除了廣義相對(duì)論描寫的引力以外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力學(xué)的框架內(nèi)描述。
量子極其重要的三大特性，分別是測(cè)量、疊加、糾纏。
1.測(cè)量：
即量子測(cè)不準(zhǔn)，也稱為不確定性原理，觀察者不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和它的速度，粒子位置的總是以一定的概率存在某一個(gè)不同的地方，而對(duì)未知狀態(tài)系統(tǒng)的每一次測(cè)量都必將改變系統(tǒng)原來的狀態(tài)。也就是說，測(cè)量后的微粒相比于測(cè)量之前，必然會(huì)產(chǎn)生變化。
2.疊加：
量子狀態(tài)可以疊加，因此量子信息也可以疊加。這是量子計(jì)算中的可以實(shí)現(xiàn)并行性的重要基礎(chǔ)，即可以同時(shí)輸入和操作個(gè)量子比特的疊加態(tài)。
3.糾纏：
兩個(gè)及以上的量子在特定的(溫度、磁場(chǎng))環(huán)境下可以處于較穩(wěn)定的量子糾纏狀態(tài)。處于量子糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，狀態(tài)會(huì)保持相反。愛因斯坦稱其為“幽靈般的超距作用”。
隨著量子技術(shù)的發(fā)展，基于量子特性的量子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景也越來越廣泛，例如量子計(jì)算機(jī)、量子通信、量子加密、量子時(shí)鐘等。
二、量子加密技術(shù)簡(jiǎn)介
了解量子加密技術(shù)，先復(fù)習(xí)一下傳統(tǒng)加密技術(shù)，傳統(tǒng)加密技術(shù)主要的使用對(duì)稱和非對(duì)稱兩種加密算法。
1.對(duì)稱密碼算法
在加密和解密時(shí)使用相同密鑰的密碼算法。
1)常見對(duì)稱密碼算法：
DES（Data Encryption Standard）
3DES（Triple DES）
AES（Advanced Encryption Standard）
例如：Alice向Bob發(fā)送消息
2)優(yōu)勢(shì)：
執(zhí)行速度和加密效率非常高
3)存在的問題：
密鑰配送問題
2.非對(duì)稱密碼算法
在加密和解密時(shí)使用不同密鑰的密碼算法。一對(duì)非對(duì)稱密鑰由公鑰和私鑰組成，加密使用公鑰，解密使用私鑰。
1)常見非對(duì)稱密碼算法
RSA
Elgamal
ECC（橢圓曲線加密算法）
2)優(yōu)勢(shì)
相比對(duì)稱密碼安全性很高，并且解決了對(duì)稱密碼密鑰配送問題
3)存在的問題：
計(jì)算資源需求大，加解密效率低
隨著信息安全問題日益嚴(yán)峻，密碼加密算法重要性也凸顯出來。以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力對(duì)現(xiàn)代密碼的破解難度已經(jīng)非常高，且破解密碼的時(shí)間還在有效時(shí)間外。例如用超級(jí)計(jì)算機(jī)太湖之光破解RSA加密的密鑰，加上目前最優(yōu)的算法，大概還需要50年以上。但未來具規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)問世將會(huì)打破這項(xiàng)困難，量子計(jì)算機(jī)算力將指數(shù)級(jí)提升，公鑰加密、簽章（如RSA和橢圓曲線）也會(huì)被量子計(jì)算機(jī)所破解，量子計(jì)算機(jī)將會(huì)對(duì)由傳統(tǒng)密碼體系保護(hù)的信息安全構(gòu)成致命的打擊。想要預(yù)防這種打擊，唯有以量子對(duì)抗量子，例如采取量子的方式加密。
量子加密技術(shù)是利用量子特性及原理，進(jìn)行密鑰的生成、明文的混淆加密、密文的還原解密、密文的通信、反竊聽等一系列加密技術(shù)。量子加密利用量子力學(xué)中測(cè)量對(duì)粒子物理狀態(tài)產(chǎn)生不可逆影響的屬性，也就是量子不可測(cè)量的特性，來確保通訊密鑰的安全傳遞。所以它不僅可以解決一次一密的密碼本傳輸問題，還能確保在傳輸密鑰時(shí)不會(huì)被第三方（Eve）竊聽和復(fù)制。竊聽會(huì)影響量子狀態(tài)，從而暴露竊聽行為。復(fù)制行為無法進(jìn)行是因?yàn)?ldquo;量子不可克隆定理”。量子加密的密鑰是在通信時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的，而且無法被竊聽和破解。
目前量子加密技術(shù)在通信傳輸上應(yīng)用比較廣泛的是量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，簡(jiǎn)稱QKD）技術(shù)。它使通信的雙方能夠產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的、安全的密鑰，來對(duì)信息進(jìn)行加解密。通信雙方只需共享一次一密的密鑰，他們就可以在公開信道傳輸加密后的報(bào)文。當(dāng)然第三方直接切斷通訊也可以，切斷發(fā)送端或者接收端通信媒介即可，但是通信也因此中斷，從而無法獲取任何有價(jià)值的信息。而只要第三方以各種手段介入通信過程，他的竊聽行為就會(huì)導(dǎo)致通信雙方感知和預(yù)警。
QKD技術(shù)具有代表性的為BB84協(xié)議（1984年物理學(xué)家Bennett和密碼學(xué)家Brassard提出），從根本上保證了密鑰的安全性。下面我們就來簡(jiǎn)單介紹下光纖系統(tǒng)中量子加密密鑰的分配過程。
傳統(tǒng)光纖通訊過程，信息bit流中的1和0通過光脈沖的高低或有無來代表，收發(fā)端通過同步時(shí)鐘來獲取準(zhǔn)確的bit信息。當(dāng)?shù)谌紼ve想截獲密鑰且不被發(fā)現(xiàn)，只需要在傳輸信道中放入波分復(fù)用器，將分離出來光脈沖信號(hào)收集測(cè)量，同時(shí)將另一部分光脈沖信號(hào)增益放大到入射狀態(tài)。竊聽者Eve就可以截獲Alice與Bob的通訊密鑰。在后續(xù)通信過程中，只要Eve能截獲加密后的報(bào)文，就能利用密鑰破解報(bào)文。例如美國(guó)“吉米·卡特”號(hào)多任務(wù)核潛艇對(duì)別國(guó)敷設(shè)在海底的光纜進(jìn)行竊聽。
QKD技術(shù)中的BB84協(xié)議利用光子的偏振態(tài)來傳輸消息，發(fā)送者（Alice）和接收者（Bob）通過量子信道來傳輸量子態(tài)。如果用光子作為量子態(tài)載體，對(duì)應(yīng)的量子信道可以是光纖。另外還需要一條公共經(jīng)典信道，例如無線電或因特網(wǎng)。公共信道的安全性無需考慮，BB84協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到了兩種信道都被第三方（Eve）竊聽的可能。
借助于光纖信道，利用光子的偏振態(tài)進(jìn)行密鑰傳輸。偏振態(tài)的應(yīng)用如下圖：
單光子被調(diào)制到指定偏振角度，接收端通過一個(gè)偏振分波器將光子分束到D1或D2任一探測(cè)器。入射光為單個(gè)光子，而不是光束，這是確保安全性的關(guān)鍵性。
發(fā)送端隨機(jī)選擇兩組偏振正交基的任意一種來調(diào)制單光子發(fā)送密鑰?；谄駲z測(cè)的量子加密傳輸，在接收端隨機(jī)選擇偏振正交基來接收/測(cè)量入射單光子，因?yàn)殡p方都是隨機(jī)選擇偏振基，所以收發(fā)雙方選擇相同的偏振基的概率為50%。
BB84協(xié)議密鑰傳輸示意圖：
1)Alice發(fā)送光子過程使用的不同偏振基（“十”或“X”）；
2)Bob隨機(jī)使用偏振基（“十”或“X”）將接收到的光子進(jìn)行逐一過濾；
3)密鑰的產(chǎn)生：Bob通過公開信道把自己使用的偏振基的序列告知Alice，Alice把Bob的偏振基序列與自己使用的序列逐一對(duì)照，然后告知Bob哪幾次用了正確的偏振基（標(biāo)記為Y）。對(duì)應(yīng)于這些用了正確濾色片后接收到的光子狀態(tài)的代碼是1001，收發(fā)雙方對(duì)此都已明了，這組代碼就是收發(fā)雙方共享的密鑰。
如果第三者Eve想要截取密鑰攔截這道光子流，但由于海森堡原理的關(guān)系，他無法對(duì)兩種偏振模式都進(jìn)行測(cè)量。如果他以錯(cuò)誤的模式進(jìn)行測(cè)量，即使將位元依照測(cè)到的結(jié)果重傳給Bob，都一定會(huì)有誤差。Alice和Bob可以選擇性地比較一些位元，并檢查錯(cuò)誤，從而偵測(cè)是否有竊聽者。如果Eve還是通過技術(shù)手段獲取自Alice的光子，根據(jù)測(cè)量結(jié)果偽造新的光子發(fā)送給Bob，并且在公開信道上獲取到了Bob使用的偏振基序列，也獲取到確認(rèn)的偏振基信息。在無竊聽的信道中，Bob能拿到的準(zhǔn)確bit是50%。在有Eve竊聽的信道中，Eve替代了Bob的位置，Eve能拿到的準(zhǔn)確bit也是50%。這一部分他能夠完美偽裝成Alice，將偽造的光子發(fā)送給Bob而不被發(fā)現(xiàn)。剩下的50%不能測(cè)出偏振態(tài)，隨機(jī)地把Alice發(fā)送的光子偏振角度改變后再發(fā)送給Bob，這就造成Bob能與Alice達(dá)成一致的準(zhǔn)確bit由50%降到25%。如此明顯的變化，讓竊聽者無法遁形。
通常通信雙方會(huì)交換很長(zhǎng)的光子序列，得到確認(rèn)的密鑰后分段使用奇偶校驗(yàn)核對(duì)，出錯(cuò)段被認(rèn)為是技術(shù)誤差或已被中間竊聽，整段刪除，剩余的序列即為絕對(duì)可靠的共享密鑰。
量子密鑰分發(fā)QKD除了BB84協(xié)議外還有B92協(xié)議，B92協(xié)議是1992年由Bennett在簡(jiǎn)化了BB84協(xié)議后得出的，B92協(xié)議不同于BB84協(xié)議中使用了四個(gè)非正交的量子態(tài)而是只利用兩個(gè)非正交量子態(tài)就能夠完成量子密鑰分發(fā)。
三、量子加密技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景
我國(guó)自主研制的全球首顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭于2016年8月16日1時(shí)40分發(fā)射升空。該量子衛(wèi)星一軌大概能夠產(chǎn)生4萬個(gè)密鑰，對(duì)于絕密或高密級(jí)加密需求已能夠滿足。“墨子號(hào)”也是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)于2011年首批確定的五顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，旨在建立衛(wèi)星與地面遠(yuǎn)距離量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此平臺(tái)上完成空間大尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并使量子通信技術(shù)的應(yīng)用突破距離的限制，向更深的層次發(fā)展，促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這也標(biāo)志著人類實(shí)現(xiàn)了自由空間的量子密鑰傳輸。
隨著“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的發(fā)射成功，以及“京滬干線”量子通信保密干線正式建成投運(yùn)。量子加密技術(shù)不僅在國(guó)家安全、金融、軍隊(duì)等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活，大大促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
量子加密技術(shù)具有絕對(duì)安全特性，基于量子的不可分割、不可克隆定理、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理是QKD技術(shù)的理論安全物理基礎(chǔ)。借助于QKD技術(shù)，通信雙方可以在安全性未知的信道上（如光纖、自由空間、水域等）建立安全的密鑰分發(fā)通道，從而在安全密鑰的生成過程不會(huì)被第三方竊取。目前QKD技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：
數(shù)據(jù)中心方面，在數(shù)據(jù)中心主站點(diǎn)和備份站點(diǎn)部署QKD終端，建立密鑰分發(fā)鏈路，使用共享的安全密鑰對(duì)主站與備份站之間的數(shù)據(jù)按照保密等級(jí)與安全需求進(jìn)行加密傳輸。
政企專網(wǎng)方面，在政府或企業(yè)有機(jī)密數(shù)據(jù)傳輸需求的各分支機(jī)構(gòu)部署QKD終端，使用安全密鑰對(duì)各分支機(jī)構(gòu)間的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保障信息交互的安全。
關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施方面，鐵路控制節(jié)點(diǎn)、發(fā)電與配電設(shè)施、油氣輸送管控節(jié)點(diǎn)以及通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等重要基礎(chǔ)設(shè)施通常存在高等級(jí)的數(shù)據(jù)保密交互需求，通過在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)處部署QKD終端，使用生成的安全密鑰可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)施與總控中心的數(shù)據(jù)加密交互。
移動(dòng)終端方面，對(duì)于具有高等級(jí)安全需求的移動(dòng)通信場(chǎng)景，如部隊(duì)外出、關(guān)鍵設(shè)施巡檢、移動(dòng)辦公等，可使用預(yù)存儲(chǔ)安全密鑰的移動(dòng)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與中心服務(wù)器間的數(shù)據(jù)安全交互。
遠(yuǎn)距離通信方面，對(duì)于光纖覆蓋困難、距離較遠(yuǎn)的通信節(jié)點(diǎn)，如海島、洲際通信等，可在各節(jié)點(diǎn)部署QKD終端，通過衛(wèi)星與各節(jié)點(diǎn)分別建立密鑰分發(fā)信道生成共享的安全密鑰，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全交互。
目前基于量子密鑰分發(fā)QKD的量子加密是量子通信進(jìn)入實(shí)用化階段的重要技術(shù)分支，近年來隨著量子科研領(lǐng)域的持續(xù)活躍，相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)，基于QKD的各類混合量子應(yīng)用場(chǎng)景層出不窮。量子加密技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化探索還需進(jìn)一步拓展。我國(guó)量子保密通信技術(shù)研究與應(yīng)用探索具備良好實(shí)踐基礎(chǔ)，面對(duì)相關(guān)問題瓶頸，產(chǎn)學(xué)研用各方進(jìn)一步凝聚共識(shí)，協(xié)同推動(dòng)探索突破之道，未來更有望提升工業(yè)化和實(shí)戰(zhàn)化能力水平，促進(jìn)量子加密技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
