量子密鑰分發技術是什么原理,英國電信5G網絡將使用QKD技術

量子的到來將會是一種技術性的變革，量子的世界里有著這三大科技領域：量子計算、量子通信、量子測量；這里我們講什么是量子密鑰分發、量子密碼是量子通信嗎？

量子密鑰分發是什么，基本原理是？

量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD），是一種密鑰的安全傳輸方式，可以在兩個相距遙遠的通信端之間進行密鑰的發送。在保密通信的過程中，需要用密鑰加密解密信息，密鑰的安全性保證了信息的安全性。

與傳統方式不同，量子密鑰分發理論上是無條件安全的，其安全性由量子力學的基本原理保證。量子不可克隆定理說明，無法完美克隆任意量子態。因此，任何對量子密鑰分發過程的竊聽，都有可能改變量子態本身，造成高誤碼率，從而使竊聽被發現。一般來說，QKD過程中對量子態的傳輸，是依靠對光子進行編碼、傳輸、測量實現的。

QKD技術自1984年被提出至今，研究已超過30年，取得了豐厚的成果。從最初離散變量中對光子偏振或相位進行編碼的BB84協議，到基于糾纏光源的E91協議，相位分布式參考協議中的DPS協議和COW協議，乃至連續變量QKD協議，測量設備無關（MDI-QKD）協議，都不斷地在理論和實驗上取得進展。同時，世界各地QKD商用系統的生產、QKD網絡的搭建以及QKD應用的研究，也標志著QKD技術向實用化邁進。

CREAM小組已經搭建出一套“即插即用”的QKD系統。這套系統是第一套將光源的不完美性納入考量的系統，并且實現了實時后處理。我們同時也對QKD進行理論研究，探究了離散變量協議中不可置信光源的波動問題，以及對連續變量協議進行了安全性分析。如今，我們的研究包括離散變量協議、連續變量協議的理論和實驗研究，以及測量設備無關協議的相關研究。

量子密鑰分配的過程大致如下：單個光子通常作為偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲傳遞的0，1 隨機數編碼到這個量子疊加態上，比如，事先約定，光子的圓偏振代表1，線偏振代表0。光源發出一個光子，甲方隨機地將每個光子分別制備成圓偏振態或線偏振態，然后發給合法用戶乙方，乙方接收到光子，為確認它的偏振態(即0 或1)，便隨機地采用圓偏光或線偏光的檢偏器測量。如果檢偏器的類型恰好與被測的光子偏振態一致，則測出的隨機數與甲所編碼的隨機數必然相同，否則，乙所測得的隨機數就與甲方發射的不同。乙方把甲方發射來的光子逐一測量，記錄下測量的結果。然后乙方經由公開信道告訴甲方他所采用的檢偏器類型。這時甲方便能知道乙方檢測時哪些光子被正確地檢測，哪些未被正確地檢測，可能出錯，于是他告訴乙方僅留下正確檢測的結果作為密鑰，這樣雙方就擁有完全一致的0，1隨機數序列。

如果有竊聽者在此過程中企圖騙取這個密鑰，他有兩種策略：

一是將甲發來的量子比特進行克隆，然后再發給乙方。但量子不可克隆性確保竊聽者無法克隆出正確的量子比特序列，因而也無法獲得最終的密鑰；另一種是竊聽者隨機地選擇檢偏器，測量每個量子比特所編碼的隨機數，然后將測量后的量子比特冒充甲方的量子比特發送給乙方。按照量子力學的假定，測量必然會干擾量子態，因此這個“冒充”的量子比特與原始的量子比特可能不一樣，這將導致甲乙雙方最終形成的隨機數序列出現誤差，他們經由隨機比對，只要發現誤碼率異常得高，便知有竊聽者存在，這樣的密鑰不安全，棄之不用。只有當他們確認無竊聽者存在，其密鑰才是安全的。接下來便可用此安全密鑰進行“一次一密”的經典保密通信。

上述這種保密通信，實質上是“一次一密”的經典通信，只是密鑰是由QKD生成的，通常也稱為量子保密通信。那么有兩個問題出現：一是， 如果竊聽者不停地竊聽，甲乙雙方就無法獲得安全的密鑰，于是保密通信便無法進行。確實如此，QKD對此無能為力！它唯一的優勢功能就是斷定是否有竊聽者存在，所分配的密鑰是否安全而已。這點在傳統密鑰分配原則上做不到。QKD只能用來確保傳遞信息的安全性，無法抗擊“破壞信息傳送”的行為。在這種場合只有借助于其他辦法進行保密通信，比如，采用網絡QKD，若某一路中段，尋找到不被竊聽的傳輸路徑可實現安全的密鑰分配。如果QKD網絡都處于被竊聽的狀態，那只好采用傳統的保密通信辦法了。

二是采用量子比特所生成的安全密鑰比起用傳統方法所得到的安全密鑰(假定存在這種辦法)有優越性嗎？回答是否定的。只要密鑰是安全的，不管是用何種辦法生成的，兩者性能完全一樣。特別是，如果達不到“一次一密”的加密程度，即使QKD 的密鑰是絕對安全的。這種密碼體系同樣可能被聰明的破譯者所攻破。

量子密鑰分發方法（QKD）在加密安全方面的優勢

QKD以量子態為信息載體，量子信道負責傳輸量子密鑰，經典信道負責傳輸測量基等額外信息。由于量子力學的測不準和量子不可克隆定理，量子密鑰以0和1的疊加態存在，直到被測量設備檢測，正確的測量基才能得到正確測量結果，錯誤的測量基將改變量子態。因此，攻擊者將無法復制量子密鑰，竊聽行為也將被發現。QKD較傳統加密方法可以改善軍事通信安全性，防止通過間諜活動獲取國家優勢信息。加快QKD研究一是為了防范對手對自身QKD系統的攻擊，二是可阻止對手安全使用QKD系統，驅使其使用安全性較低的通信方式，并對此加以利用。

“世界首創”-英國電信計劃在5G網絡中使用量子密鑰分發技術

據外媒報道，英國電信（BT）正與總部位于英國的量子技術初創公司、研究機構和教育機構共同合作，希望在5G和聯網汽車安全通信開發方面實現飛躍。該集團在一份聲明中指出，此舉是一項“世界首創”的端到端量子安全通信試驗的一部分，該試驗獲得了由英國研究與創新（UKRI）資助機構提供的770萬英鎊資助，為期36個月。  

英國電信正計劃使用量子密鑰分發（QKD）技術構建安全網絡，量子密鑰分發被認為是一項在位置之間共享加密密鑰的“本質上不可破解的、最先進的”技術。

英國電信指出，該試驗還將在5G基站與移動終端設備以及聯網汽車之間建立“超安全鏈接”。

此外，英國電信認為，此舉還將為開發各類需要“數據傳輸的超安全性”的量子安全用例奠定基礎。

據了解，該計劃的合作伙伴包括劍橋大學衍生公司Nu Quantum；物聯網網絡安全初創企業Angoka和ArQit；量子計算公司Duality Quantum Photonics。

文章認為：

推動美國與歐洲國家、韓國、澳大利亞、日本等其他國家政府、企業和學術機構間的量子信息合作，有利于美國量子信息科學的發展和減少戰略失誤。同時，考慮到中國在多個QKD技術領域的領先優勢、QKD系統無法被竊聽的安全特性，以及兩國未來在網路安全和太空活動等方面的合作空間，美國應繼續與中國在量子信息科學領域進行技術交流與專家合作

來源：

[1] Zhengyu Li, Yi-Chen Zhang, Feihu Xu, Xiang Peng, and Hong Guo, “Continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution,” Phys. Rev. A 89 (5), 052301 (2014).
[2]  Bingjie Xu, Xiang Peng, and Hong Guo, “Passive scheme with a photon-number-resolving detector for monitoring the untrusted source in a plug-and-play quantum-key-distribution system,” Phys. Rev. A 82 (4), 042301 (2010).
[3] Xiang Peng, Hao Jiang, Bingjie Xu, Xiongfeng Ma, Hong Guo, “Experimental quantum key distribution with an untrusted source,” Opt. Lett. 33 (18), 2077-2079 (2008).

[4]國務院發展研究中心國際技術經濟研究所戰略部，研究助理-賈舒喆

[5]郭光燦 (中國科學技術大學 中國科學院量子信息重點實驗室

[6] cnbeta.com