量子保密通信與金融業(yè)信息傳輸安全

吳冰枝 解云彪

【摘?要】量子通信技術是一種利用量子糾纏效應進行消息傳遞的新型保密通信技術，與傳統(tǒng)保密通信技術相比，量子通信技術在信息安全方面優(yōu)勢明顯，在金融領域應用前景廣闊。然而，目前來看，量子保密通信技術短期內還無法實現在金融業(yè)中的大規(guī)模應用。下一步量子保密通信技術研發(fā)和推廣運用需要把握以下幾個關鍵點：一是推進量子保密通信“穩(wěn)定、高速、遠距離”是規(guī)模化應用的前提;二是加快量子中繼和存儲技術的發(fā)展是實用化應用的關鍵;三是建立規(guī)范、統(tǒng)一的量子通信標準是與金融業(yè)融合發(fā)展的基礎。為此，本文提出如下建議：一是加大科研投入，攻克量子保密通信核心技術難關，實現量子中繼使用和遠程傳輸;二是建立政、銀、校、企協(xié)同合作機制，共同推進量子保密通信發(fā)展，特別是要重視貨幣當局、金融監(jiān)管當局的參與，防范新技術應用中的操作風險;三是加強基礎設施建設，建立量子通信廣域網絡，滿足金融系統(tǒng)跨地區(qū)、跨領域、跨機構的信息保密傳輸需求。

【關鍵詞】量子通信;信息安全;密鑰分發(fā)

隨著金融領域信息化建設的推進，信息化條件下，金融信息網絡面臨的安全保密形勢越來越嚴峻，引入新的保密通信技術已迫在眉睫。基于加密、解密技術的信息安全保密方法通常用在傳統(tǒng)信息對抗中，隨著密碼破譯技術的大幅度提高，采用傳統(tǒng)手段加密的數據，在金融信息網絡信道中被傳輸時，存在被第三方破譯、監(jiān)聽、篡改、偽造等風險。量子通信技術是一種新型的保密通信技術，其利用量子糾纏效應傳遞信息，在通信原理角度，可絕對確保金融信息網絡中金融信息傳輸的安全性。

1 國內外研究現狀

1993年，Bennett等人研究了量子隱形傳態(tài)技術的保密通信方法。1997年，奧地利科學家驗證了量子隱形傳態(tài)技術在保密通信方面應用的可行性。2001年，瑞士科研人員設計出了一種基于量子密鑰分發(fā)技術的商用通信保密系統(tǒng)。2005年，中國科學家潘建偉等人證實了糾纏光通過大氣層后仍可保持良好的糾纏特性。2010年，日本研究人員基于量子密鑰分發(fā)技術建成了名為 Tokyo QKD Network 的6節(jié)點城域量子保密通信網絡。2016年，中國的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星通過量子密鑰分發(fā)技術，與地面站有效配合，成功實現了密鑰協(xié)商生成和密鑰安全分發(fā)。2017年，中國人民銀行在“人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)（RCPMIS）”中驗證了量子加密技術。工商銀行實現了異地數據千公里級量子加密傳輸技術應用。北京農商銀行打造了量子保密通信同城數據災備應用。交通銀行實施了企業(yè)網銀量子保密通信創(chuàng)新應用。以上研究為量子通信技術在金融領域的大規(guī)模應用奠定了良好的技術基礎。

2 量子通信技術原理

量子通信技術是利用光子等基本粒子的量子糾纏效應來進行保密通信的新型技術，其本質為量子態(tài)攜帶信息的通信技術。量子通信技術根據量子態(tài)不可克隆原理、海森堡測不準原理、量子糾纏等理論基礎，在原理上保證信息傳輸的“絕對安全”，任何非授權方均不可克隆和竊聽量子通道中傳輸的信息。根據實現原理不同，量子通信技術分為量子隱形傳態(tài)技術和量子密鑰分發(fā)技術。

2.1 量子隱形傳態(tài)技術

在量子隱形傳態(tài)技術中，信息的傳輸通常在經典通道與量子通道結合的通道中完成，量子態(tài)的傳輸則通過量子糾纏對（簡稱EPR對）的非定域特性實現。量子隱形傳態(tài)過程中，處于未知量子態(tài)的發(fā)送端粒子M，需要經由通道被傳輸到接收端。EPR對由粒子N1和粒子N2構成，且粒子N1和粒子N2之間存在一種與空間、距離無關的關聯(lián)關系，在這種關聯(lián)關系的作用下，任一粒子量子態(tài)的變化均將導致另一粒子量子態(tài)的變化。根據上述分析可知，當粒子M和粒子N1在發(fā)送端進行Bell基聯(lián)合測量時，粒子N2將會在接收端變換到另一量子態(tài)。當來自發(fā)送端的 Bell 基測量結果經由經典通道接被接收端收到后，接收端分析粒子B2的量子態(tài)，并進行幺正變換，即可得到發(fā)送端準確的信息。實際上，在量子隱形傳態(tài)過程中，信息載體為粒子的量子態(tài)，只有共享EPR對的通信雙方才可正確通信，其中經典通道傳輸Bell基測量結果，量子通道傳輸量子信息，微觀粒子并沒有被直接傳送到接收端。

2.2 量子密鑰分發(fā)技術

在量子密鑰分發(fā)技術中，信息的傳輸同樣也在經典通道與量子通道結合的通道中實現。實際上，經典通道被用來傳輸密鑰協(xié)商時的校驗信息（基矢比對信息）和協(xié)商后的加密信息。量子通道被用來傳輸量子態(tài)的微觀粒子（例如單光子）。假設在基于量子密鑰分發(fā)技術的安全保密通信中，單光子為信息載體，則量子密鑰分發(fā)技術的安全保密通信原理描述如下：由于從物理學角度來講，單個光子是不可再分的，因此竊聽者通過獲取少于1個光子的狀態(tài)，得到密鑰信息的方法不可行;假設單光子的狀態(tài)可以被竊聽者竊取后測量，并能依據測量結果可給接收方發(fā)送一個新光子，但由海森堡測不準原理可知，上述過程中，光子的狀態(tài)將會產生改變，因此，發(fā)送方和接收方只要分析基矢比對信息，就可發(fā)現竊聽者對光子進行過測量，從而采取應對措施;假設竊聽者在截取單光子后，嘗試通過復制單光子狀態(tài)的方式獲取信息，但由量子態(tài)不可克隆原理可知，未知量子態(tài)不可被準確復制;量子密鑰分發(fā)的安全性由量子密分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議）保障。

3 量子通信技術在金融信息系統(tǒng)應用關鍵技術

3.1 量子保密通信網絡設計技術

實際應用中的量子通信技術，其量子密鑰的生成和安全分發(fā)往往通過經典通道與量子通道的共同配合來實現，因此，采用量子通信技術必將對現有金融信息系統(tǒng)的網絡架構帶來改變，并在很大程度上增加現有通信網絡的復雜度。通過上述分析可知，量子通信技術在應用過程中，必須根據當前金融信息系統(tǒng)網絡架構現狀，深入考慮量子通信的技術特點，認真開展網絡架構、通信協(xié)議等的設計工作，并在盡量不增加現有網絡復雜度的前提下，有效發(fā)揮量子通信的技術優(yōu)勢，確保信息的安全傳輸。

3.2 高碼率量子密鑰生成技術

通過分析可知，量子密鑰生成速率是量子通信技術實現“一次一密”大容量安全保密通信的基礎，也是衡量量子安全保密系統(tǒng)性能的關鍵指標。但是，當前由于受到量子密鑰生成協(xié)議以及電子元器件性能等因素的制約，量子通信技術應用在工程實踐中時，量子密鑰生成速率最高僅為105 bit/s，該速率遠遠不能滿足應用需求，因此，提升量子通信技術中量子密鑰的生成速率，進而有效提高量子通信的速率，是未來量子通信技術研究的重要方向之一。

3.3 量子保密通信系統(tǒng)效能評估技術

在量子通信過程中，量子保密通信系統(tǒng)效能評估的重要手段是量子保密通信系統(tǒng)效能評估技術，該技術與傳統(tǒng)保密通信系統(tǒng)效能評估技術對比，可有效為量子保密通信系統(tǒng)的設計、論證與優(yōu)化提供技術支撐。量子保密通信系統(tǒng)效能評估技術同時也是檢驗量子保密通信系統(tǒng)保障信息有效傳輸能力的主要方法。

4 量子保密通信應用、提升金融業(yè)信息傳輸安全保障水平的若干建議

未來我國將通過5到10年努力，構建一個天地一體化的量子保密通信網絡，保護千家萬戶的信息安全。金融業(yè)作為國民經濟當中信息傳輸安全性要求最高的行業(yè)之一，也是目前量子保密通信實用化最前沿、最具前景的領域之一。在未來，金融業(yè)實現量子保密通信的規(guī)模化商用，需要包括政府部門、金融機構、科研院所、高等院校、科技企業(yè)等多方協(xié)同合作、共同推進。具體來說，提出以下建議：

4.1 加大科研投入，攻克量子保密通信核心技術難關

量子保密通信技術目前還有許多需要攻克的難關。以量子傳輸的指數衰減為例，盡管目前已經研發(fā)出具有225個存儲單元的量子存儲器，實現破解量子中繼難題的一大跨越，但這并不意味著遠距傳輸的難題得到徹底解決。量子中繼除了需要較大的存儲容量外，還要求量子態(tài)寫入和讀出效率與存儲時間最優(yōu)化，只有解決上述難題，才能實現量子中繼實用和遠程傳輸。要真正推動量子通信從試驗走向實用，需要持續(xù)加大科研投入。可以由高校和科研院所主導，多方共同參與，依托國家重大科技項目支持，加強各方交流與合作，共同攻克量子保密通信的技術難題。要重視基礎元件的自主研發(fā)，擺脫核心器件主要依賴進口的局面，提升我國量子保密通信的自主創(chuàng)新能力，實現量子保密通信廣域覆蓋，進而推動量子保密通信在金融業(yè)的規(guī)模化應用。

4.2 建立政、銀、校、企協(xié)同合作機制，共同推進量子保密通信發(fā)展和在金融領域的應用

現階段，我國量子保密通信的研發(fā)主要由科研院所與高等院校承擔，政府部門以及市場主體的參與度較低。量子保密通信是一項跨學科、跨領域的系統(tǒng)工程，其發(fā)展需要將量子物理學與經典傳輸、密碼學、網絡工程等領域充分融合，也需要市場主體的密切配合。這就意味著，量子保密通信的規(guī)模化發(fā)展，必須建立在包括政府部門、科研院所、高等院校、科技企業(yè)、金融機構等多方參與的系統(tǒng)化協(xié)同體系之上。此外，要實現量子保密通信在金融業(yè)的規(guī)模化商用，離不開貨幣當局、金融監(jiān)管當局的積極參與。貨幣當局、金融監(jiān)管當局要對新技術和新項目進行全程監(jiān)督，防范新技術應用中的操作風險，為量子保密通信高效、安全地應用于金融業(yè)提供指引。國內有實力的金融機構，可以考慮將量子保密通信應用納入總體戰(zhàn)略規(guī)劃，提前進行部署，為進一步應用量子保密通信技術打好基礎。

4.3 加強基礎設施建設，建立量子通信廣域網絡

實現金融業(yè)的量子通信規(guī)模化商用，必須要建成覆蓋范圍更廣的通信網絡，這樣才能滿足金融系統(tǒng)跨地區(qū)、跨領域、跨機構的保密傳輸需求。目前，我國已經完成多個實用量子通信網絡的搭建，下一步將不斷增加節(jié)點數，延長通信距離，形成廣域網絡。這就需要政府部門牽頭和斥資，聯(lián)合科研院校和量子信息技術企業(yè)，對國家整體的保密通信網絡進行系統(tǒng)規(guī)劃和建設，并且基于金融保密通信的實際需求，作出切實有效的針對性部署。量子保密通信廣域網絡在金融領域的穩(wěn)妥、有序應用，還需要由通信主管部門與人民銀行聯(lián)合制定相關的行業(yè)標準，為金融機構提供規(guī)范指引。

5 結語

隨著金融領域信息化建設的推進，信息化條件下的金融信息系統(tǒng)所面臨的安全保密形勢越來越嚴峻，量子通信技術在信息安全方面優(yōu)勢明顯，是未來保障信息安全傳輸的重要技術。有效探索量子通信技術在金融信息領域的工程化應用模式，促進量子通信技術與現有設備的良好融合，構建未來金融體系的量子保密通信網絡，完善量子通信技術在金融領域的應用標準，將量子通信技術成功應用于金融領域，能夠為未來金融信息系統(tǒng)的保密通信提供有力優(yōu)勢，從而大大提高金融信息系統(tǒng)的安全性。

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（作者單位：遼寧工業(yè)大學）