量子通信與網絡信息安全

劉慶元

摘要：當代社會，網絡通信已成為一日不可缺少的重要人類活動，網絡信息安全是網絡通信中最受關注的焦點，是國家安全的重要組成部分，正受愈來愈多的關注。當前的電子計算機體系和互聯網信息傳輸加密方法存在缺陷，無法保障網絡信息的絕對安全。近年來，量子科技和量子通信迅速發展，有望從原理和技術上保障網絡信息傳輸的絕對安全，是未來通信和信息安全領域的重要發展方向。該文對量子通信及其與網絡信息安全的內在關系進行了分析，目的在于為未來利用量子通信技術保障網絡安全提供指導。

關鍵詞：量子通信;量子計算機;量子密鑰分發;網絡信息安全

中圖分類號：TN918;TP309? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0050-03

Quantum Communication and Internet Information Safety

LIU Qing-yuan

（School of Economics and Management， Xidian University， Xian 710126， China）

Abstract： The safety of internet， the important part for national safety， has become the most highlighted aspect during information communication in modern society， and information communication through internet is absolutely necessary for human activity. However， the information transport in absolute safety manner can not be certificated by the present computer and internet system due to their defect in principle and technique. Fortunately， it is hopeful to transport the information in absolute safe manner depend on quantum science and technology and quantum communication technique. They are regarded as the important research and development direction in the field of communication and information safety. In order to give some advice for safe internet information communication， we analyze the inner relationship between quantum communication and information safety through internet in this paper.

Key words： quantum communication; quantum computer; quantum key distribution; internet information safety

1 背景

通信是最古老的人類活動之一，始終滲透在政治、經濟、軍事、外交和日常生活的各個方面，社會化程度越高，科技和文化越發達，越需要頻繁的信息交流與傳輸。在信息傳輸交流中，通信的可靠性、及時性和保密性是最受關注的特征。古代社會傳輸信息的方式主要有烽火臺、信鴿、役使等，近代則使用電報和電話等手段來傳遞溝通信息。20世紀的后半部分后以來，因為電子計算機技術的發明及應用，特別是互聯網技術的突飛猛進，現代社會進入網絡時代，萬物互聯和移動通信給現代人的信息內容交流及生產生活帶去了極大便捷，與此同時信息內容保密及網絡安全還面臨嚴峻挑戰，社會機構及大眾也對于網絡安全提出了更新的要求[1]。2013年發生的著名的“棱鏡門”事件，引起人們對于網絡安全和隱私泄露的巨大擔憂，大家意識到網絡信息安全面臨前所未有的巨大挑戰，給國家安全和公眾利益構成巨大威脅，尋求新的網絡安全保障途徑成為現實迫切的需要。如何實現保密通信和網絡信息傳輸安全，既是一個科學問題，也是一個社會問題和經濟問題。2016年8月16號，我國墨子號量子科學實驗衛星成功發射，在全世界引起巨大反響，“量子”這個神秘的概念，在我國公眾面前開始掀起面紗。隨著量子科學技術的發展，量子計算機技術和量子通信被認為是有望解決信息內容傳輸過程中絕對安全的最佳路徑[2-3]，本文對量子通信以及網絡安全之間的關系以及進展展開了分析以及討論，希望今后可以充分利用量子科學技術以及量子計算機實現絕對安全的信息內容傳輸以及通信。

2 量子通信與量子計算機

2.1 量子與量子通信技術

德國物理學家普朗克最早在1900年提出了量子的概念，用于描述微觀世界的不連續現象，后來愛因斯坦等科學家相繼提出了一系列理論，建立了量子力學學科，使人類對于客觀世界的認識提升到前所未有的水平。量子力學是專門研究微觀粒子運動規律的學科，是近代物理的基礎理論之一。利用量子來進行通信的思想主要由Bennett 等人于20世紀80～90 年代陸續提出， 重點內容涵蓋量子密鑰分發（QKD） 和量子態隱形傳輸[2-3]。量子通信技術的核心概念是量子糾纏效應與量子狀態信息化，其中量子糾纏效應是指兩個以上的量子系統之間存在的非局域經典關聯，一個量子的狀態變化總會引起另一個量子的狀態變化，并且不受量子距離大小的限制，而量子狀態信息化是指量子通信中的信息狀態，一般用相位狀態對量子狀態信息進行描述[4]。量子通信技術的形式主要有量子隱形傳輸和量子密碼通信，目前量子密碼通信已經在進入實用化階段，正受到密切關注，量子隱形傳輸仍有待突破。量子密碼通信不需要傳輸介質參與，而是以量子的狀態化信息作為密鑰， 通過“一次一密”的動態加密方式可以實現點對點方式的安全通信，這是經典通信所做不到的[5]。量子密鑰分發技術是實現量子保密通信的關鍵環節，配合光開關等技術， 可以實現量子密鑰分發網絡化[6]。量子態隱形傳輸是利用量子糾纏態的分發與量子聯合測量去促成量子信息內容的空間轉移而且不需要移動該類量子態的實際載體，與經典通信中必須依靠物質指標體系的變動傳輸信息內容有根本的區別。利用量子態隱形傳輸技術及量子計算技術的量子中繼器器件可以促成任意長距離的量子密鑰分發及網絡平臺實現[7]。量子通信可以利用量子態作為信息載體進行信息交流和傳輸，能夠保障信息傳輸的絕對安全，非授權方不能復制與竊取量子信道內傳遞的信息。人們之所以對量子通信給予極大關注，主要是由于量子通信產業的應用前景十分廣泛，主要涉及網絡信息安全、量子通信干線、量子城域網、金融、國防軍事等方面，其中網絡信息安全最受關注。量子通信是現階段國際物理學界及計算機網絡與信息科學領域的研討熱點問題，我們已經把新一代量子通信與網絡、腦科學、人工智能等當作前沿科學領域展開規劃和戰略布局[3-4]，利用量子通信技術及裝備保證信息內容傳輸安全及網絡安全是將來大有可為的高科技領域。