量子通信：“絕對安全”的希望

“絕對安全”的夢想與困境

在人類社會里，人們總是不斷地相互交換信息。古代的烽火臺告警、金鼓、旌旗和驛馬傳令，近現代的電話、電報、傳真、電視、數據傳輸，甚至人工智能等，都是信息傳遞的不同方式。

什么是通信？概括地說，就是用某種方法，通過某種媒質，將消息從一地傳到另一地?，F在所指的通信，主要是指“電氣通信”，即利用“電”來傳送消息。自十九世紀三十年代莫爾斯發(fā)明電報以來，“電”通信獲得了非常廣泛的發(fā)展，相繼出現了模擬通信和數字通信。

信息安全的歷史發(fā)展

古希臘的斯巴達人將一張皮革包裹在特定尺徑的棍子上，再寫上傳遞給他人的信息。而信息的接收者只需要有根同等尺徑的棍子，收到皮革后再將皮革裹到棍子上就可以讀出原始信息。即便這張皮革中途被截走，只要對方不知道棍子的尺徑，所看到的也只是一些零亂而無用的信息。這就是歷史上記載的人類最早對信息進行加密的方法之一。

信息的保密性對于人們是十分重要的，20世紀初期，通信安全主要涉及電話、電報、傳真等，而在此過程中存在的安全問題主要是在信息交換階段，因此，對安全理論和技術的研究更側重于密碼學。

20世紀60年代，半導體和集成電路技術得到了飛速發(fā)展，這些技術的飛速發(fā)展推動了計算機軟硬件的發(fā)展，單純靠復雜的密碼已經無法滿足保密的要求，而且計算機和網絡技術的應用進入了實用化和規(guī)?；A段，人們對安全的關注已經逐漸擴展為以保密性、完整性和可用性為目標的信息安全階段。

20世紀80年代，由于互聯(lián)網技術飛速發(fā)展，信息無論是對內還是對外都得到極大開放，而由互聯(lián)網產生的信息安全問題跨越了時間和空間，因此信息安全的焦點已經不僅僅是傳統(tǒng)的保密性、完整性和可用性三個原則了，它還由此衍生出了諸如可控性、抗抵賴性、真實性等其他的原則和目標，信息安全也轉化為從整體角度考慮其體系建設的信息保障階段。

21世紀，信息安全由主機的安全技術發(fā)展到了網絡的安全，從單層次的安全發(fā)展到了多層次立體的安全，從個人信息安全發(fā)展到了國家信息安全。美國戰(zhàn)略和國際問題研究中心發(fā)布的數據顯示，網絡犯罪每年給全球帶來高達4450億美元的經濟損失。

通信安全的隱患

安全通信是人類的夙愿。從摩斯電碼到電報、傳真，從移動電話到網絡通信，通信技術的發(fā)展也帶來了通信安全的隱患。

傳統(tǒng)的有線通信存在的安全隱患有網絡監(jiān)聽、數據篡改、欺騙、中間人攻擊、密碼破解、緩沖區(qū)溢出等。當前大部分信息安全系統(tǒng)主要是由防火墻、入侵監(jiān)測、病毒防范等組成，這些常規(guī)的安全手段只能是在網絡層（IP）以共享信息資源為中心，在外圍對非法用戶和越權訪問進行封堵，以達到防止外部攻擊的目的，對共享資源的訪問者源端不加控制。操作系統(tǒng)的不安全導致應用系統(tǒng)的各種漏洞層出不窮，且惡意用戶的攻擊手段越來越高明，防護者只能將防火墻越“砌”越高、入侵檢測越做越復雜、惡意代碼庫越做越大，從而導致誤報率增多、安全投入不斷增加，維護與管理變得更加復雜和難以實施，信息系統(tǒng)的使用效率大大降低。

隨著科技發(fā)展的不斷推進，無線傳輸漸漸替代了有線傳輸。無線通信帶來了更大的便捷性，但隨之產生的安全隱患也更為顯著。區(qū)別于有線通信，無線通信存在的安全隱患有：首先，由于無線連接網絡的開放性與共享性，用戶在通信過程中傳遞的數據信息有被不法者竊聽竊取的危險；其次，不法分子利用其手段，偽裝為合法者，順利進入網絡資源中心，擅自破壞與操控網絡系統(tǒng)，或者非法入侵及竊取隱藏資源，導致運營者的資源外泄；再次，不法者可攻入無線通信系統(tǒng)，截獲用戶數據信息，篡改數據，并散布虛假信息對用戶進行詐騙；最后，由于不法者對用戶隱私的侵犯，導致用戶個人信息以及用戶行蹤或消費等個人隱私不斷泄露。

相對的通信安全

有兩種方法可以提供安全的通信：第一種是保證傳輸介質的物理安全，就是使任何人都不可能在傳輸介質上接上自己的竊密線或進行竊聽。例如，用一種簡單的（但很昂貴）高技術加壓電纜，可以獲得通信線路上的物理安全。第二種是加密重要數據。加密也可提高終端和網絡通信的物理安全。通信數據加密常常不同于文件加密，加密所用的方法不應降低數據的傳送速度。

絕對的通信安全

從理論上來說，傳統(tǒng)的數學計算加密方法都是可以破譯的，再復雜的數學密鑰也可以找到規(guī)律。傳統(tǒng)上，第一臺電子計算機被認為是美國的E-NIAC，但它并不是用于破譯密碼的。本文所說的第一臺現代計算機指的是英國的“Colossus”，是專用于破譯恩格瑪密碼機的，也就是說，第一臺現代計算機是為破解復雜的數學密碼而誕生的。隨著計算機的飛速發(fā)展，破譯數學密碼的難度也逐漸降低，信息安全面臨的挑戰(zhàn)隨之上升。幸運的是，量子理論為人類追求信息的絕對安全打開了一扇窗。

物理上，量子通信可以被理解為在物理極限下，利用量子效應實現的高性能通信。而量子通信是量子信息學的一個重要分支，是量子信息中研究較早的領域。量子通信具有絕對保密、通信容量大、傳輸速度快等優(yōu)點，可以完成經典通信所不能完成的特殊任務。量子通信可以用來構建無法破譯的密鑰系統(tǒng)，因此量子通信成為當今世界關注的科技前沿。量子通信是以量子態(tài)作為信息元實現對信息的有效傳送。它是繼電話和光通信之后通信史上的又一次革命。

量子通信系統(tǒng)的問世，重新點燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。通向“絕對安全通信”這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新進入公眾的視野之中。

量子通信：從線路到網絡

量子通信技術的實用化，要求如同現在的經典通信一樣，在一定的范圍構建通信網絡，滿足大量用戶的通信需求?；诔墒斓墓饫w量子通信技術，目前已經可以建造簡單的量子通信網絡。國內外已經建設了為數甚多的量子通信技術驗證網絡。

美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學從2002年開始聯(lián)合建造DARPA網絡。根據2005年公布的信息，該網絡實際實現的最好技術指標是在BBN至Harvard這條長10.2公里的線路上達到了大約1kbps的安全成碼率，誤碼率在3%左右。根據2012年度DARPA發(fā)布的報告，2009年DARPA已經完成了“國防部感興趣的”城域量子保密通信實驗網絡的建設（Quantum Information Science項目），并且在該項目里演示了遠距離量子通信所必須的量子中繼器。2010年起，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室秘密構建了城域量子通信網絡，直到2013年才公布。有資料顯示，美國航空航天局（NASA）正計劃在其總部與噴氣推進實驗室（JPL）之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長1000公里左右的包含10個骨干節(jié)點的遠距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地量子通信。

2008年，歐洲聯(lián)合實驗組在維也納演示了SECOQC網絡（Development of a Global Network for Secure Communication based on Quantum Cryptography），該網絡是基于商業(yè)網絡的包含6個節(jié)點的量子通信系統(tǒng)，集成了單光子、糾纏光子、連續(xù)變量光子等多種量子密鑰收發(fā)系統(tǒng)，建立了西門子公司總部與位于不同地點的子公司之間的量子通信連接，包括電話、視頻會議等，集中展示了當時量子密碼技術的狀況。需要指出的是，SECOQC網絡中某些通信協(xié)議的安全性沒有得到徹底證明，其通信過程中也并沒有完全使用“一次一密”的加密方式，因此網絡的整體安全性并不嚴格。

由日本國家情報通信研究機構（NICT）主導，聯(lián)合日本電信電話株式會社（NTT）、NEC和三菱電機，并邀請東芝歐洲有限公司、瑞士ID Quantique公司和奧地利的All Vienna共同協(xié)作，在東京建成了6節(jié)點城域量子通信網絡“Tokyo QKD Network”。該網絡于2010年建成，集中了當時歐洲和日本在量子通信技術上開發(fā)水平最高的公司和研究機構的最新技術，最遠通信距離為90公里，45公里點對點通信速率可達60kbps，并在全網絡上演示了視頻通話。但該網絡仍然是一個多種量子通信協(xié)議的混合展示，其中某些協(xié)議的安全性并未得到嚴格證明。此網絡隨后進一步升級，以建立新的試驗床環(huán)境。該試驗床在2011年9月開始投入研發(fā)，由NICT負責主導實施。

2008年，潘建偉小組在合肥演示的“量子電話網”在世界上首次實現了實時網絡通話和三方對講功能。該成果很快被Science以“量子電話呼叫（Quantum Phone Calls）”為題進行了報道。接著英國Physics World又以“中國建立了量子網絡（China creates quantum network）”為題做了專題報道。這一成果在通信速率和安全距離方面都有了本質上的飛躍，標志著無條件安全的量子通信已真正步入實用化階段。

不久，該研究組再接再厲，利用自主研發(fā)的光量子程控開關，于2009年8月在合肥成功實現了5個節(jié)點的星型量子通信網絡。這是國際上首個全通型的量子通信網絡，展示和檢驗了系統(tǒng)組網的能力。實用量子通信系統(tǒng)的有效通信距離和覆蓋面積已達到城市范圍。

隨后，該研究組受托，按照國慶安保領導小組統(tǒng)一部署，在我國國慶60周年閱兵關鍵節(jié)點構建了“量子保密熱線”，經歷了重大應用的考驗，全面檢驗了技術水平。10月1日上午，時任中共中央總書記胡錦濤視察了天安門城樓警衛(wèi)組，聽取了中央警衛(wèi)局有關工作人員對國慶“量子保密熱線”的介紹，觀看了系統(tǒng)演示，并給予了高度評價。這次的實際應用，充分表明了量子通信系統(tǒng)在城域的距離上已經具備極高的可靠性、穩(wěn)定性和較強的實用性。

2009年5月，中國科技大學郭光燦小組在安徽蕪湖也演示了“量子政務網”，該網絡具有多層級結構，連接了城市中的7個節(jié)點，最遠距離為10公里，誤碼率穩(wěn)定在1.8%～2.4%。

2010年3月，合肥量子通信試驗示范網建設完成，網內節(jié)點用戶為40個，實現了密鑰層與用戶應用層的獨立運行，支持實時語音通話、文字實時交互及文件傳輸等功能。這是當時規(guī)模最大的量子通信試驗網絡，相比之前的試驗網絡，網絡節(jié)點數增大了近一個量級。它的建成和投入使用代表著城域量子通信網絡技術發(fā)展的一次飛躍。

2012年2月，在中國科學院量子技術與應用研究中心的主導下，由山東量子科學技術研究院有限公司與其他單位合作建設的“金融信息量子通信驗證網”在新華社金融信息交易所正式開通。這是世界上首次利用量子通信網絡實現金融信息的傳輸，是量子通信網絡技術保障金融信息傳輸安全的第一次技術驗證和典型應用示范。該驗證網實現了高保密性的視頻語音通信、實時文字交互和高速數據文件傳輸等應用。

2012年11月，在黨的“十八大”期間，根據會務組的安排，在部分核心部位部署量子通信系統(tǒng)，為會議提供基于量子技術的安全通信保障。中國科學院和山東省政府聯(lián)合成立了項目領導小組，山東量子科學技術研究院有限公司與合作單位在項目領導小組的指導下，成功部署了與會代表信息數據庫實時高速同步、音視頻密話指揮網絡系統(tǒng)。在會議期間，該系統(tǒng)成功實現了7×24小時零故障運行，為大會的安保工作做出了貢獻，并被安置在現場長期部署使用。

2013年11月，由山東信息通信技術研究院、濟南量子技術研究院建設，山東量子科學技術研究院有限公司承建的“濟南量子通信試驗網”投入使用。這是我國第一個以承載實際應用為目標的大型量子通信網，覆蓋濟南市主城區(qū)，包括三個集控站在內共56個節(jié)點，涵蓋政務、金融、政府、科研、教育五大領域，是目前世界上量子節(jié)點、用戶數量、業(yè)務種類和密鑰發(fā)放最多、規(guī)模最大的量子試驗網，可以提供語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸等量子通信業(yè)務。該網絡的建設使量子通信技術在山東開始步入實用化階段，為量子通信技術在山東的產業(yè)化奠定了基礎，有力推動了量子通信產業(yè)鏈的形成。

當然，城域通信網絡絕不是量子通信可以自滿的目標，量子通信最終的目標是全球量子通信網絡?；诂F在的技術水平，可以設想到未來全球量子通信網絡將具有三個層次—城域網絡、城際網絡和洲際網絡。城市范圍內利用現有的光纖網絡構建城域量子通信網絡；相隔距離不太遠（100公里量級）的城市間可以利用可信中繼連接各自的城域網，構成城際量子通信網絡；在更遠的距離上（如相隔遙遠的城市間，或者國際間以及洲際間），則需要通過衛(wèi)星的中轉實現星地量子密鑰分發(fā)，以建立通信網絡的連接，構成洲際量子通信網絡。

2013年7月，由中國科學技術大學牽頭，山東信息通信技術研究院、中國有線電視網絡有限公司、中國銀行業(yè)監(jiān)督管理委員會、新華社和中國科學技術大學先進技術研究院等單位共同承擔的量子保密通信“京滬干線”技術驗證及應用示范項目正式立項，搭建連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，建成國際上首個大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺。

在星地自由空間量子通信方面，由于潘建偉研究組前期取得的一系列技術突破，中國科學院于2011年底啟動了“量子科學實驗衛(wèi)星”戰(zhàn)略性先導科技專項。該專項準備在國際上率先實現高速星地量子通信，連接地面光纖網絡，初步構建我國廣域量子通信網絡。值得一提的是，國際量子通信研究的勁旅維也納大學Anton Zeilinger研究組主動提出合作進行星地自由空間量子通信研究的請求，目前中國科學院與奧地利科學院已簽訂合作協(xié)議，計劃在該專項的框架下實現北京與維也納之間的洲際量子密鑰分發(fā)。

（本文編輯自中國科普博覽網專題《安全通信的未來—量子信》）