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量子密码

2018-03-04

现行的基于计算复杂度的密码体系在强大的量子计算机面前显得不堪一击,必须要有一种不依赖于计算复杂度的密码体系来抵御量子计算机的威胁。依据时代发展的需求和量子信息的新特点,量子密码应运而生。


1 安全性保障

量子密码的安全性由量子力学的物理原理保障:

(1) 测量塌缩理论: 倘若量子态不是处在测量算符的本征态上,则对该量子态实施测量时会发生“波包塌缩”,即测量使得最初的量子态发生了改变。这一定律即为测量塌缩理论。

(2) 量子不确定原理: 量子力学基本原理指出不能同时精确测量两个非对易物理量。

(3) 不可克隆定理: 量子力学中不可能对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制,这从原理上保证了量子通信的绝对安全性


一次一密的加密方案由Shannon 在理论上证明无条件安全。这种无条件安全要求密钥真随机且只

使用一次; 与明文等长,且按位进行二进制异或操作。一次一密的不可破译性加之量子密钥的安全分发便构成了无条件安全的保密通信。


2 实用量子密码网络

图 1 所示的是中国科学技术大学于 2004 年完成的从北京到天津的商用光纤量子密码实验。该实验在国际上第一次实现了城际间的量子密码现场实验,所用量子线路的长度达到125 km,创下了当时的世界最长纪录。


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图 1 北京—天津量子密码实验


2007 年,中国科学技术大学又使用商用光纤在北京成功实现了四用户量子密码网络。该网络是国际上第一个全时全通型的量子密码网络,也属于国际上第二个现场实验网络,比欧洲团队在维也纳所做的实验网在时间上提前一年半。该网络首次在实际线路中使用了“诱骗态”技术,保证了量子密码的安全性。 网络中最长的单条量子线路达42 km。


2009 年,中国科学技术大学在芜湖成功搭建了“量子政务网”,首次将量子密码与实际应用结合,以量子物理提高电子政务平台的安全性,在量子密码的实用化道路上建立了第一个里程碑。该政务网连接科技局、招商局等 5 个政务机关,共包含 7 个节点。


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图 2 合肥—芜湖广域量子密码网络


2012 年,从合肥到芜湖的广域量子密码网络( 见图 2)也被成功实现。此网络在世界上首次实现了量子密码通信的远距离传输,此网络中光纤干线长度超过 150 km,传输所经过的光纤总长度超过 200 km,总共包含 12 个节点。该网络目前仍是所有公开报道过的现场部署的量子密码通信网络中,规模最大、距离最长、稳定运行时间最长的实用化网络。


3 全球量子保密通信网络

全球量子保密通信网络由量子卫星、量子干线、城域量子网络和城际量子网络构成,如图 22所示。针对城域( 百公里量级) 网,实际量子密码系统安全性分析需制定“标准化”; 城际网的关键问题在于研制可实用的量子中继,核心器件还是量子存储器; 对于地空量子干线,如何有效地实现全天候量子密钥的高速分配才是实现全球量子保密通信网络的关键问题。有针对性解决上述问题是构建全球量子保密通信网络的保证。


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图 3 全球量子保密通信网络示意图



参考文献:

1. 段开敏,郭光灿. 百年光子——纪念爱因斯坦“光量子论”诞生 110 周年. 物理,2015,44( 8) : 489 - 496.

2. MO X F,ZHU B,HAN Z F,et al. Faraday-Michelson system for quantum cryptography.Optics Letters,

2005,30( 19) : 2632 - 2634.

3. 郭光灿,张昊,王琴,“量子信息技术发展概况”,南京邮电大学学报(自然科学版),03,1673(2017)

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