量子通信,怎样保障信息安全?

日前,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列2015年度国际物理学领域的十项重大突破榜首。

而北京到上海的2000公里量子通信干线也在紧锣密鼓的建设中。其实,潘建伟院士、陆朝阳教授完成的“多自由度量子隐形传态”和北京到上海的2000公里量子通信干线都被归入量子通信范畴,但其实是两种不同的技术。

量子密钥分配和量子隐形传态

量子通信在定义上存在争议,目前,量子密钥分配和量子隐形传态都被称为量子通信。

量子密钥分配可以建立安全的通信密码,通过一次一密的加密方式可以实现点对点方式的安全经典通信。

具体做法是用弱相干光源发射光子,因为弱相干光源弱到一定程度,光子是一个一个往外蹦的,以此代替单光子源。把一个信息编码在一个光子上,一个光子有着不同的量子态,代表着0和1,把光子通过光纤发射过去,接收方接到密钥后进行解码。

本质上说,量子密钥分配其实依旧依托于光纤通信,而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础。因而量子密钥分配并非颠覆经典通信,更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。

现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信,再辅以光开关等技术,还可以实现量子密钥分发网络。目前,开始产业化的就是量子密钥分配,而不是量子隐形传态,比如之前提到的北京到上海的2000公里量子通信干线,以及沪杭量子通信干线,陆家嘴量子通信金融网等。

量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量(量子纠缠是指两个量子态具有相干性或处于关联状态,量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对,将不同的粒子对发往不同的地方),在经典通信的辅助下实现量子态的空间转移而又不移动量子态的物理载体。

今年2月,潘建伟院士、陆朝阳教授搭建了6光子的自旋-轨道角动量纠缠实验平台,实现了自旋和轨道角动量的同时传输,在量子隐形传态方面取得重大突破。虽然在量子隐形传态技术上中国走在美国的前列,但现在仅仅是技术突破,离产业化还非常遥远。

(陆朝阳教授)

背景介绍:陆朝阳,英国剑桥大学博士,中国科学技术大学教授。在国际上首次实现六光子纠缠、八光子纠缠和十比特超纠缠,三次刷新了多光子纠缠和光学量子计算领域的两项世界记录,两次入选了两院院士评选和年度中国科技十大进展新闻。

目前,国内主攻量子通信技术的有潘建伟院士带领的团队和郭光灿院士带领的团队,两个团队在研究量子通信方面呈现你追我赶的架势——潘建伟院士在实现实验室状态下200公里的量子密钥分配;郭光灿院士实现了实验室状态下260公里的量子密钥分配;在今年2月潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”......

(潘建伟院士)

背景介绍:最年轻的院士、27岁时科研成果就入选“年度全球十大科技进展”、31岁毅然回国组建自己的实验室、帮助中国在量子通信的前沿科技领域处于世界领先……近年来,在合肥工作的潘建伟是中国最耀眼的科技明星之一,也被认为是距离下一个科技诺贝尔奖最近的中国人之一。

量子密钥分配如何保障安全性?

由于量子隐形传态技术还非常遥远,接下来只介绍已经产业化的量子密钥分配。

因为光子具有不可分割性。在单光子发射的情况下,窃听者不可能将光子切成两半,拿走一半获得密钥,一半传输给接收方。因为光子不可能被准确的复制,所以窃听者无法通过复制光子获取信息——

因为光子无法准确的测量,所以窃听者无法通过准确测量光子,制备出一个一模一样的光子。

总而言之,窃听者无法将一个光子变成一模一样的两个光子,或者无法将光子信息读取出来后将光子再发出去。一个未知的量子态是唯一的,接收者如果接收到了了准确的光子,那么窃听者就拿不到任何信息。

但弱相干光源发射出去的是单光子与多光子脉冲的概率混合,在所发出的非真空脉冲中,有些是单光子的,有些是多光子,比如2 光子、3 光子......多光子脉冲即包含了多个全同偏振光子。而多光子脉冲不再拥有不可分割性,在这种情况下,窃听者可将其分离,自己留下一个,将剩余光子送到远程合法用户,更要命的是窃听者的行为不会被合法用户察觉。

为了应对光子数分离攻击,可以用诱骗信号量子密码方案应对。用弱光替代单光子,有可能存在多个光子概率,有可能存在1个光子的概率。诱骗态方法是指发射2或3种不同强度的全同偏振光子,经过信道衰减后,强度高的光子到达的概率高,强度低的光子达到的概率低,在正常状态下,这个概率是成正比的。

如果窃听者采取从多个全同偏振光子中拿走一个的方法获取信息,那么光子的接收概率会和正常状态下不一样,这样就可以监测出是否被窃听。

量子密钥分配的远程通信

目前,采用诱骗态方法的量子密钥分配最远实验距离是260—300km。尽管随着检测技术的提高,该距离还会进一步提高。但由于成码率随着距离呈指数衰减,而单量子态信号又不能在中途放大,因而基于经典相干态光源的诱骗态方法很难直接完成远程量子通信任务。

远程量子通信的实现将依赖于中继站。目前,中继分为量子中继和可信中继两种。

量子中继以量子纠缠分发技术先在各相邻站点间建立共享纠缠对,以量子存储技术将纠缠对储存,采用远距离自由空间传输技术实现量子纠缠转换。

(郭光灿院士)

背景介绍:郭光灿院士,国家科技部973项目“量子通信和量子信息技术”的首席科学家。郭光灿及中科院量子信息重点实验室李传锋研究组,在固态系统中首次实现对三维量子纠缠态的量子存储,保真度高达99.1%。

比如将量子纠缠对布置在各相邻站点,纠缠转换操作后便可实现次近邻站点间的共享纠缠,理论上可以实现远程量子通信。但量子中继技术难度非常大,目前还做不到。

可信中继类似与量子密钥接力赛,是A把密钥传输给B,B再把密钥传输给C,中途密钥要落地,B是知道密钥的所有信息的,因此要求中继必须可信,如果一个中继站被窃听者控制,那么就无法保障量子通信的安全性。

相比较而言,量子中继在中途密钥是不落地的,拥有更好的安全性,但目前的技术达不到这方面的技术要求,已经产业化的是可信中继。

结语

虽然量子密钥分配相对于量子隐形传态的科幻程度和技术难度都要低不少,但其更具产业化前景,技术更成熟的优势也是显而易见的。相信在“十三五”期间,国家会推动量子通信产业化进程,在推动量子通信技术发展的同时,更好的保障国家信息安全。

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2015-12-25

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