随着电子商务、移动支付和互联网金融等新兴业务的蓬勃发展,通信与网络技术的触角已经深入到社会经济生活的各个角落,人们对网络的依赖越来越强,网络极大地改变了人们的生存模式,已成为人们日常生活中不可缺少的一部分;但是网络带给人们便利的同时,网络安全问题也日益凸显,尽管在网络中保障网络安全的各种设备和新技术已经层层部防,但是诸如12306网站包含用户身份证及密码信息的数据泄露、快递1400万信息外露、2014年的1·21我国互联网DNS大劫难等等网络安全问题频频出现,这些不断曝光的监控窃听丑闻和用户隐私泄露事件进一步加剧了人们对于网络信息安全的忧虑与关注,有没有一种技术可以有效解决网络安全问题?量子通信技术具有极高安全性、通信容量大、传输速度快等优点,可以完成传统通信不能完成的特殊任务,利用无法破译的秘钥技术,实现了真正意义上的安全保密通信,近年得到了世界各国科学家的密切关注和深入研究,是通信技术的又一次革命。
1、量子通信的基本原理
1.1基本概念
量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术,由量子论和信息论相结合而产生。从物理学角度看,量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信,从物理原理上确保通信的绝对安全,解决了通信技术无法解决的问题,是一种全新的通信方式。从信息学角度看,量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性,借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息,而是量子态携带的量子信息,是未来通信技术的重要发展方向。
1.2 量子通信的主要组成部分
量子通信主要由量子密钥分配( QKD,Quantum Key Distribution)、量子隐形传态(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC,Quantum Secure Direct Communication) 、量子机密共享( QSS,Quantum Secret Sharing) 等4个方面。
1.2.1量子密钥分配( QKD)
量子密钥分配以量子态为信息载体,基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理,通过量子信道使通信收发双方共享密钥,是密码学与量子力学相结合的产物。QKD 技术在通信中并不传输密文,只是利用量子信道传输密钥,将密钥分配到通信双方。基于QKD 技术的保密通信系统架构如下图
基于QKD的量子保密通信系统
目前,各国学者在理论上已经提出了几十种量子密钥分配方案,根据信号源的不同大概可分为三类:基于单量子的量子密钥分配方案;基于量子纠缠对的量子密钥分配方案;基于单量子与量子纠缠对的混合量子密钥分配方案。
1.2.2量子隐形传态
量子隐形传态(Quantum Teleportation)又称量子远程传态或量子离物传态,是利用量子纠缠的不确定特性,将某个量子的未知量子态传送到另一个地方,然后将另一个量子制备到该量子态上,而原来的量子仍留在原处。其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联,通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量,实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。量子态传送过程是隐形的,通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”,而并不传输作为信息载体的量子本身,通信没有经历空间与时间,不发送任何量子态,而是将未知量子态所包含的信息传送出去。
1.2.3量子安全直接通信(QSDC)
量子安全直接通信是指通信双方以量子态为信息载体,基于量子力学相关原理及量子特性,利用量子信道,在通信收发双方之间安全地、无泄漏地直接传输有效信息,特别是机密信息的通信技术。
QSDC是量子通信技术的一个重要分支,主要用于直接传输机密信息。通信的收发双方无需事先建立安全密钥,就可以直接通过量子通道进行信息传输。QSDC与量子密钥分发的根本区别在于在量子信道中直接传递秘密信息,安全性要求比量子密钥分配高,但总体而言,QSDC方案还存在非实时及其量子信道信息所需要的纠缠态、量子存储等技术还不成熟的问题。
1.2.4量子机密共享(QSS)
量子机密共享是传统的机密共享在量子通信中的运用和发展,传统的机密共享旨在对重要的密钥进行安全保护,使即便部分或全部密钥被第三方窃取也难以恢复出真实的密钥。其主要实现思路是,将原始密钥分割成多份,然后将多份密钥分别发给多个用户,每个用户都只能获取一份或多份密钥份额,只有在多个密钥分享者合作下,才能恢复出原始的密钥,不能满足上述条件的共享者将无法得到全部的密钥。通过使用机密共享方案,可以在分享机密信息的同时,防止不诚实用户的破坏企图。
量子机密共享是多个通信方之间通过多量子纠缠态实现的量子通信,但现实应用技术难度大,还基本处在理论研究阶段。1999年,Hillery,Buzek和Berthiaume提出了首个量子机密共享方案,随后,各国学者又相继提出了大约十几种理论方案,包括共享一个未知态的一些方案,并于2001年在实验上进行了演示。
1.3量子通信的体系架构
量子通信系统体系架构