中國實(shí)現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)，對(duì)未來量子通信有何意義？

最近（2023年3月），新聞報(bào)道，潘建偉教授領(lǐng)銜的中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)。這個(gè)成果對(duì)于未來量子通信有何意義？量子密鑰是如何起作用的呢？

量子密鑰分發(fā)是通過對(duì)光量子態(tài)的傳輸和測(cè)量，產(chǎn)生不可截獲不可篡改，完全具備量子隨機(jī)性的量子密鑰。密鑰的呈現(xiàn)形式為二進(jìn)制比特，可以為各類數(shù)據(jù)通信建立牢不可破的加密，即量子加密通信。

最早的量子密鑰分發(fā)技術(shù)來源于美國物理學(xué)家本內(nèi)特和加拿大密碼學(xué)家布拉薩德在1984年提出的BB84協(xié)議。BB84協(xié)議利用“對(duì)微觀粒子量子態(tài)的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)果”這個(gè)量子力學(xué)原理，在收發(fā)兩端生成完全相同的隨機(jī)的二進(jìn)制密鑰。同時(shí)量子力學(xué)中的量子不可分割原理和不可克隆定理保證了該密鑰在分發(fā)過程中不會(huì)被任何第三方無感知地截獲，就是說任何竊聽都會(huì)被通信的雙方馬上發(fā)現(xiàn)，只需丟棄被竊聽部分的密鑰，剩余的密鑰只有收發(fā)兩端可以知道，可以真正做到“天不知地不知，只有你知我知”。

量子密鑰分發(fā)生成的密鑰是一組真隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)，可自由選擇任意長(zhǎng)度，靈活用于不同長(zhǎng)度的二進(jìn)制信息的加密。由于密鑰本身絕對(duì)隨機(jī)，用最簡(jiǎn)單的異或算法加密就能實(shí)現(xiàn)無法破解的密文，幾乎不耗費(fèi)任何計(jì)算資源。根據(jù)信息論，這種真隨機(jī)的密鑰通過“一次一密”的加密方式可以抵抗任何算法的破解，包括量子計(jì)算，達(dá)到“無條件安全性”。這就是“量子加密通信”。已經(jīng)開始保護(hù)我們的信息安全。

目前產(chǎn)業(yè)化的量子密鑰分發(fā)技術(shù)都是建立在BB84協(xié)議基礎(chǔ)上做的升級(jí)。例如誘騙態(tài)協(xié)議，在光纖中可以把量子密鑰分發(fā)的安全距離提高到一百公里以上，在墨子號(hào)衛(wèi)星與地面之間的量子密鑰分發(fā)安全距離甚至可以超過一千公里。還有一個(gè)比較新的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在光纖中可以把量子密鑰分發(fā)的安全距離提高到八百公里以上。

解決了安全距離問題，那么量子密鑰分發(fā)另一個(gè)問題是密鑰產(chǎn)生率的問題。一方面，光源產(chǎn)生有效光子的速度會(huì)限制最終密鑰產(chǎn)生速率。另一方面，探測(cè)器效率也會(huì)限制最終密鑰產(chǎn)生速率。同時(shí)因?yàn)楣庾訒?huì)在光纖中隨著距離增加不斷地?fù)p耗掉，導(dǎo)致走到終點(diǎn)用來產(chǎn)生密鑰的光子越來越少，也會(huì)限制最終密鑰產(chǎn)生速率。以上的原因?qū)е铝藢?shí)際場(chǎng)景的量子密鑰分發(fā)生成的密鑰量難以做無條件安全的一次一密，而是退而求其次采用AES或者國密SM4等算法，重復(fù)使用密鑰。

2023年3月，《自然··光子學(xué)》發(fā)表了潘建偉領(lǐng)銜的中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的成果，首先在光源上，采用光芯片技術(shù)，讓光子的產(chǎn)生速率提高到每秒鐘25億個(gè)，同時(shí)在探測(cè)端采用國產(chǎn)最新的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，在每秒鐘輸入幾億個(gè)光子是，仍然保持百分之六十以上的探測(cè)效率。這使得在同樣十公里的距離下，量子密鑰分發(fā)的密鑰產(chǎn)生效率從原來的每秒鐘最多一千萬個(gè)比特，直接提升了十倍以上，超過每秒鐘一億個(gè)比特。

這個(gè)成果使得一個(gè)城市范圍內(nèi)做高速量子密鑰分發(fā)成為可能。這代表著量子加密通信有能力匹配一個(gè)城市內(nèi)所有需要數(shù)據(jù)保密通信的業(yè)務(wù)。

當(dāng)然這個(gè)成果還要解決的商業(yè)化的難題，因?yàn)楣庠凑{(diào)制芯片和單光子探測(cè)器的成本太高，尤其是這個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，需要持續(xù)不斷的努力去降低它的成本，做到可以量產(chǎn)，從而讓這個(gè)技術(shù)真正大規(guī)模應(yīng)用。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者：張文卓

審核：羅會(huì)仟

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