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量子加密通信

量子加密通信，是指在多個通信節點間，利用量子密鑰分發進行安全通信的網絡。各節點間產生的量子密鑰可以對傳統的語音、圖像以及數字多媒體等通信數據進行加密和解密。由於量子通訊線路無法通過掛接旁路竊聽或攔截竊聽，只要被竊聽就會讓量子態發生變化從而改變通訊內容，防止原文被偵知，以此實現安全的通信。

歐洲日內瓦大學和康寧玻璃公司合作建造的量子通信光纖網絡全長為307公里。中國於2017年9月底開通的京滬幹線長達2000公里。

原理

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主條目：量子信息

量子通信融合了現代物理學和光通信技術研究的成果，由物理學基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性[1][2]。量子密鑰分發根據所利用量子狀態特性的不同，可以分為基於測量和基於糾纏態兩種。基於糾纏態的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應，即兩個經過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態被測量時，同時會得到另一個粒子的狀態。

發展

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世界上已有美國、歐洲、中國、俄羅斯等多個研究小組和機構致力於量子通信網的研發。

2004年，中國科學技術大學潘建偉教授的科研團隊首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸。

2005年，美國建成了DARPA量子網絡[3][4]。其連接節點有3個，分別為美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學，目前延伸長度為10公里。

 
 
合肥
 
興隆
 
南山
 
德令哈
 
麗江
 
阿里
 
維也納
中國量子衛星地面站分佈：
密鑰分發：興隆-南山／興隆-維也納
糾纏分發：南山-德令哈／德令哈-麗江
隱形傳態：阿里

2008年8月，潘建偉團隊研製20km級3方量子電話網絡[5][6][7]。

來自12個歐盟國家的41個科研小組經過四年半時間，建立了SECOQC量子通信網絡[8][9]，並於2008年10月在維也納現場演示了一個基於商業網絡的安全量子通信系統。該系統集成了多種量子密碼手段，包含6個節點。其組網方式為在每個節點使用多個不同類型量子密鑰分發的收發系統並利用可信中繼進行聯網。

2009年，潘建偉團隊在合肥構建和演示了一個4節點全通型量子通信網絡。[10]其中任意兩個節點都可以互聯互通、實時地產生不落地量子密鑰，進而用來進行各種加密的數據、語音和多媒體通信等應用。此網絡基於誘騙態量子通信方案，大大提高了安全通信的距離和密鑰產生速率，同時保證了絕對安全性[11][12][13] 。其最近的兩個通信節點超過16km。每個節點可工作在全雙工模式，即同時作為量子信號發射和接收方進行量子通信。[14]

截止2009年，點對點的兩方量子通信技術已經比較成熟, 科學家和技術人員利用光量子態已經能夠實現幾十公里到百公里級的兩方量子密鑰分發系統[15] [16][17]。 為了拓展應用，需對點對點的通信方式進行組網，滿足多用戶的通信需要。為了與現有通信系統兼容以及大量減少成本，量子通信網還將充分利用經典通信設施，如現有光纖網絡。

2014年11月15日，中國研發的遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200公里，刷新世界紀錄。[18]

2016年8月16日，中國發射全世界首顆量子科學實驗衛星。截至2017年8月，已完成了包括千公里級的量子糾纏分發、星地的高速量子秘鑰分發，以及地球的量子隱形傳態等預定的科學目標。[19]

2017年9月29日，世界首條量子保密通信幹線「京滬幹線」正式開通。當日結合京滬幹線與「墨子號」量子衛星，成功實現人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信。[20]幹線連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000餘公里，全線路密鑰率大於20千比特/秒可同時供上萬用戶密鑰分發。

2020年5月，大陸媒體《參考消息》報道，俄羅斯聖彼得堡國立信息技術、機械與光學研究大學與俄羅斯風險投資公司合作，將利用俄羅斯鐵路公司的基礎設施打造量子互聯網平台。該項目將耗資3億盧布（約合410萬美元）。

應用

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參見：京滬幹線

中國「金融信息量子通信驗證網」在北京開通，計劃依託於京滬幹線執行兩大金融重鎮間的保密，在世界上首次將量子通信技術應用於金融信息安全傳輸。[21]

另有「濟南黨政機關量子通信專網」是第一個黨政機關網，可供百平方公里的近200個終端進行保密通信，用戶之間的通信實現了每秒產生4000多個密碼。濟南量子科學研究院院長助理周飛參與了整個濟南專網的建設，並世界上首次應用於公檢法部門，例如在檢察院系統，對一些貪腐案件調查進行資訊溝通時，通過量子通信電話可以保證資訊安全性，不存在洩露或竊聽；能夠實務應用的關鍵是室溫下通信波段單光子探測器的研發成功。[22][23]

參考文獻

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  1. ^ （英文）N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, and H. Zbinden, 「Quantum cryptography」, Rev. Mod. Phys. 74, 145-195 (2002).
  2. ^ （英文）V. Scarani, N. J. Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus, and M. Peev, 「The security of practical quantum key distribution」, Rev. Mod. Phys. 81, 1301-1350 (2009).
  3. ^ （英文）C. Elliott, 「Building the quantum network」, New J. Phys. 4, 46 (2002).
  4. ^ （英文）C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J.Schlafer, and H. Yeh, Current status of the DARPA Quantum Network, Quantum Information and Computation III, E. J. Donkor, A. R. Pirich, and H. E. Brandt, eds., Proc. SPIE 5815, 138--149 (2005).
  5. ^ T.-Y. Chen, H. Liang, Y. Liu, W.-Q. Cai, L. Ju, W.-Y. Liu, J. Wang, H. Yin, K. Chen, Z.-B. Chen, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, 「Field test of a practical secure communication network with decoy-state quantum cryptography」, Opt. Exp. 17, 6540-6549 (2009). [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 於2010年4月1日查閱
  6. ^ China creates quantum network. Physics World June 2009 p.11 (2009)
  7. ^ Quantum Phone Calls, Science 324, 568 (2009)
  8. ^ SECOQC-Project. SECOQC官網. [2017-10-05]. （原始內容存檔於2017-09-24）. 
  9. ^ （英文）M. Peev et al., 「The SECOQC quantum key distribution network in Vienna」, New J. Phys. 11, 075001 (2002).
  10. ^ 潘建偉科研團隊。[2] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）於2010年4月1日查閱
  11. ^ （英文）W.-Y. Hwang, 「Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication」, Phys. Rev. Lett. 91, 057901 (2003).
  12. ^ （英文）X.-B. Wang, 「Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography」, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
  13. ^ （英文）H.-K. Lo, X. Ma, and K. Chen, 「Decoy state quantum key distribution」, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
  14. ^ 世界首個全通型量子通信網絡落戶中科大。《科技日報》，存档副本. [2016-06-27]. （原始內容存檔於2010-04-14）.  於2010年4月1日查閱
  15. ^ （英文）C.-Z. Peng, J. Zhang, D. Yang, W.-B. Gao, H.-X. Ma, H. Yin, H.-P. Zeng, T. Yang, X.-B. Wang, and J.-W. Pan, 「Experimental Long-Distance Decoy-State Quantum Key Distribution Based on Polarization Encoding」, Phys. Rev. Lett. 98, 010505 (2007).
  16. ^ （英文）D. Rosenberg, J. W. Harrington, P. R. Rice, P. A. Hiskett, C. G. Peterson, R. J. Hughes, A. E. Lita, S. W. Nam, and J. E. Nordholt, 「Long-Distance Decoy-State Quantum Key Distribution in Optical Fiber」, Phys. Rev. Lett. 98, 010503 (2007).
  17. ^ （英文）T. Schmitt-Manderbach, H. Weier, M. Fürst, R. Ursin, F. Tiefenbacher, T. Scheidl, J. Perdigues, Z. Sodnik, C. Kurtsiefer, J. G. Rarity, A. Zeilinger, and H. Weinfurter , 「Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km」, Phys. Rev. Lett. 98, 010504 (2007).
  18. ^ 中國量子密鑰分發安全距離創紀錄 http://news.ifeng.com/a/20141117/42487480_0.shtml （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  19. ^ 呂紅橋. 世界前沿的中国尖端通信：量子通信硕果累累. 央廣網. 新浪科技. 2017-10-05 [2017-10-05]. （原始內容存檔於2017-10-05）. 
  20. ^ 新華-我國開通全球首條量子通信幹線. [2017-10-02]. （原始內容存檔於2017-09-30）. 
  21. ^ 金融信息量子通信验证网开通. [2019-10-24]. （原始內容存檔於2020-05-19）. 
  22. ^ 東森-濟南黨政機關量子通信專網. [2019-10-24]. （原始內容存檔於2020-06-15）. 
  23. ^ 济南党政机关量子通信专网近日完成测试. [2019-10-24]. （原始內容存檔於2020-05-10）. 

參見

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外部連結

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