浅谈量子保密通信技术应用与发展

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摘要：量子保密通信结合了现代通信技术和量子信息技术，利用量子态具有特殊的叠加状态特性和不可复制性，实现量子密钥分发而建立的安全通信密码，采取一次一密的加密体制从而达到无条件安全的数据传输。在当今信息化时代中，量子通信技术作为一种全新的加密通信技术，为新一代信息网络安全提供了保障，成为未来信息社会通信的关键技术。针对量子密钥分发技术的应用、量子保密通信技术在实用化、产业化发展中开展建设规划，并与现有通信系统相融合，以实现量子保密通信的未来发展前景。

关键词：量子保密；通信技术；应用；未来发展

引言

随着信息化时代的到来，人们无时无刻都在接发文字信息、视频信息、电子信息等，给人们的生活、工作、学习和社会各个领域带来了新的改变。为了保障信息通信的安全，防止信息传递过程中存在的泄露风险，采取量子保密通信技术，有效避免信息被攻击破译，保障了信息传递的绝对安全[1]。量子保密通信改变了传统加密通信的局限性和不安全性，解决了存在的安全隐患问题，根据量子力学原理与科学信息技术的有效结合，采用高精度量子测量技术和高精准量子计算技术进行计算、编码和信息传输，发挥了高效安全的通信性能。量子计算利用量子力学规律来调控量子信息单元进行计算，能够进行大规模、多线程地数据处理，具有超强的计算能力和精密的逻辑性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、纠缠性和叠加性，量子算法在进行问题处理时就能够做出传统计算无法比拟的超强处理能力，实现超高精度、超高速度的工作效率[3]。随着国内外量子信息技术科技的发展，针对现有公钥体系在单向计算时存在的易被攻击威胁，造成信息发生泄漏的严重后果，开展量子密钥分发技术的保密通信的创新研发，满足了当前信息化社会和数字化经济时代的需求。通过量子保密通信技术的研究与应用，推动了量子保密通信标准化工作的进行和未来的无限发展。

1量子保密通信技术应用

1.1量子密钥分发技术应用

量子密钥分发是根据量子测不准原理、量子不可分割和量子态不可复制的特性来实现，量子生成的通信密码校验绝对的安全性，不会被任何方式破解。通信双方建立量子密码分享协议，发送方和接受方以单光子的状态作为信息载体来建立密钥，保证密钥分发的安全性，密钥分发采取一次一密的加密体制建立安全通信密码。密钥分发完成后需要进行信息协同和隐私保密增强，纠正密钥中存在的错误，使密钥保持一致性，进一步增强信息隐私的保密安全。根据协议随机选择调制每一个光子的基矢，随机的基矢可以对接收端进行监测，在偏振编码过程中采用单光子的水平偏振态（0°）、垂直偏振态（90°）、偏振态（+45°）和偏振态（-45°）的4个量子态，来进行不同自由度的编码，可以选择垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作为量子信息的载体。发送方随机使用2组基矢，按照事先约定的单光子水平偏振态通过量子信道发送给协议用户，当用户接收到光子后也随机地使用2组基矢进行偏振态的测量，如果制备基矢和检测基矢兼容，则表示收发随机数完全一致，如果存在不同，发送方和用户在从新进行比对制备基和测量基基矢，直到收发双方拥有完全一致的随机数序列密钥。密钥分发、生成后不会被破译或计算破解，即使在密钥生成过程中被窃听也会被通信方发现，仍然不会泄密，保证了绝对的安全性[4]。

1.2量子保密通信与后量子安全加密应用

近年来，我国在量子信息技术领域发展迅速，在量子保密通信的研发中获得突破性进展，利用量子保密通信技术克服了传统通信技术存在的安全隐患问题，保证了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具备巨大的信息存储与携带性能，量子计算机可以面对各种复杂难度的计算，并能进行高时速、高精准的并行计算处理能力。量子保密通信是在原有的公钥体系进行创新改进，采取量子密钥分发和加密的量子保密通信方案，以应对原有量子计算体系内存在的安全威胁，并对现有加密体制进行升级，应用计算破解能力的后量子加密技术提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信与后量子加密的应用，为未来量子安全信息加密技术的创新发展具有重要的意义[6]。

1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子态的叠加性和量子不可克隆原理，采取密钥分发的密码技术，对传输的信息进行一次一密的加密方法，完善了加密体制，实现了信息传输的安全性。

1.2.2后量子加密后量子加密技术是一种新的加密方法，通过运用许多先进的技术对现有的加密体制算法进行升级改进，例如网格编码算法和椭圆曲线算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的计算破解，后量子新型信息加密技术能够与现有的信息安全系统实现兼容和平滑升级演进。

1.3量子保密通信应用

量子保密通信为未来信息安全提供了保障，是信息领域的重要技术手段，在量子保密通信中量子密钥分发作为关键技术，与典型网络组织和现有通信系统结构相融合，建立了网络管控、安全服务、密钥生成层、密钥分发层、密钥应用层等组织结构，实现了通信网络的可用性和安全可靠性，并应具备灵活高效、可扩展的未来发展的建设需求。系统分为发送装置和接受装置，利用公共信道对密钥分发协议合法的通信双方发送共享的随机密钥。其中，密钥生成层将生成制备的量子密钥提供給上层，在密钥中继、密钥转发、密钥存储、密钥输出过程中，密钥应用层为量子密钥的保密通信服务提供服务，网络管控平台负责网络运营管理，安全服务平台则负责密码服务和安全管理。量子密钥分发是以量子物理与信息学为基础，利用量子态纠缠重叠的力学特性，在通讯双方之间产生并分享一个随机的安全的密钥，运用一次一密的加密方法，通过量子信道完成信息的安全传送。由于传统量子信道在传送数据进行量子密钥服务的加密业务时，量子信道存在传输损耗，量子密钥分发距离会被限制距离，需设置中继节点来完成长距离的接力传送，导致安全防护存在困难，存在安全隐患。因此在现有较大规模的量子保密通信网络中，都采用可信中继技术是异或后的中继技术，量子密钥只会在节点处暂存经过异或后，不会对中继节点造成影响，具有信息传输的安全性和高效率。

2量子保密通信目前发展状况

随着量子保密通信的发展，世界各国试用点呈现逐步成熟趋势，但在应用推广方面暴露出一些问题。主要包括三个方面：（1）应用场景受到限制当前，量子保密通信主要面向金融、政府等长期安全性较高的特定场景之中，市场规模较为分散，传统通信业界对于量子保密通信应用目前仍然处于热情度较低的状态。此外，由于量子态信号与传统信号混合传输时，将引入劣化性能，导致量子保密通信组网需要借助额外独立光纤链路才能获取所需资源。（2）技术瓶颈待解决在百公里长距离传输情况下，量子保密通信可用安全码率大约为15kbit/s量级，相比于当前光传达网技术实现的量级信息传输差距较大，无法实现对信号的一一加密。此外，在量子保密通信组网方面，由于量子态存储技术尚不成熟，因此，有关量子存储方面难以实现，其中涉及的关键技术仍需进一步验证分析。（3）安全性存在一定风险在实际通信过程中，信道节点不理想特性使其难以满足安全性标准，成为不法分子利用的安全漏洞，所以针对通信安全性升级将是运营维护所面临的一个难题，现阶段，由于通信密钥生成码率也相对较低，很难满足一次一密要求。现阶段，我国量子保密通信技术在业务、市场、商用的应用都处于推广初期阶段，在量子密钥分发技术组网理念和技术研究中，仍然面临一些问题有待研究和探讨。

3量子保密通信标准化工作策略与未来发展

3.1量子保密通信标准化工作策略

在未来量子保密通信技术研发中，应保证量子保密通信设备系统的功能与性能的一致性和可靠性，增加设备系统和网络层面的兼容性、灵活性和安全性，在设备和系统技术、安全性能、组网以及加密等各个方面，逐步完善应用体制，在未来发展中形成完整的标准规范体系。首先，在国家政策支持的基础上，应加强量子密钥分发技术前沿技术领域的研究工作，创新开发新型协议技术、系统器件和架构方案，加快提升量子密钥分发技术和系统设备成熟度、实用化水平和性价比，不断提高量子密钥分发和后量子加密的技术水平，完善加密体制。然后，应加强量子保密通信的商业化应用和市场开拓规划的工作策略和未来发展方向，积极推进产业合作，开展多样化的商业部署模式，制定标准化工作策略，为应用发展做好引导和培育市场需求。最后，应加快我国量子保密通信网络项目工程的建设，升级设备完善标准，提高量子密钥分发系统的网管和运维能力，使量子保密通信系统和网络在完善的密钥管理设备与加密通信设备进行安全可靠的通信，以商业化应用推广和市场化发展为未来建设目标，增加网络建设的实际可用性和安全性等标准的建设规模。目前，我国量子保密通信技术已经实现了实用化、产业化的发展水平，在国家政策的大力支持下在社会各领域得到了广泛的应用。随着国家实施创新驱动发展战略规划，量子信息技术作为我国科技创新的重要发展技术，应加快发展量子信息产业，推动量子技术与社会经济领域的深度融合，增加产业经济的发展，为国家安全、国防军事提供强大的技术支持，新兴的量子信息产业推动了我国战略性发展方向。

3.2未来发展前景

量子保密通信技术在未来发展进程中，量子保密通信网络建设和产业发展是未来量子技术发展的关键，需要加强技术成熟度、设备可靠性和投入产出性价比等各方面的研究，开展标准化工作策略以促进技术和产业的快速发展。近年来，随着量子保密通信技术的不断创新，世界各国在量子保密通信技术与产业的市场竞争日趋激烈，我国虽然处于世界领先地位，应需加强对量子技术研究机构、系统设备厂商和建设运营单位进行大力扶持，在政策支持优势下强化关键技术创新和可持续发展能力，以增强科技实力，提高市场竞争能力。积极推广大规模产业链发展，标准规范产业发展方向，促进量子保密通信商业化推广、产业链壮大和产业化得到健康发展。

3.2.1分发系统性能指标和实用化水平有提升空间量子密钥分发系统在现有光纤网络之中单跨传输距离在百公里以内，密钥成码率有待进一步提高。同时，量子密钥系统工程化也具有一定提升空间。此外，量子保密通信系统仍需要密钥管理，将其与信息通信行业紧密融合，加密通信设备。

3.2.2抗量子计算破解的安全加密面向未来量子计算对于现有加密体系存在的破解威胁，需设计抗量子计算破解安全加密方案，快速提升量子密钥分发技术和实用化水平，这是赢得加密技术体制的关键。

3.2.3量子保密通信商业化开拓仍需进一步探索量子保密通信是对现有通信技术的一种有效安全性提升技术，能够解决密钥分发安全性问题，提升通信安全性等级，具有长期性和高安全性。尤其在金融专网方面，其产业规模相对有限，因此，在后续研究进程中，逐渐完善量子通信保密技术，将其推广到投入产出性行业之中，从设备升级、标准完善、市场探索等方面进行逐一推广与应用。因此，在今后发展过程中，应凝聚各方形成合力，提升工程化实用水平，引导应用产业健康发展，重视标准化测试，引导产业健康发展。

4结束语

随着我国在量子信息技术领域的创新发展，开创了一场新的技术革命和产业革命的创新之路，促进了我国国民经济和综合国力的飞速增长。量子保密通信结合了现代通信技术与量子信息技术，利用量子态的叠加性、纠缠性和不可克隆原理，开展量子密钥分发的密码通信技术，通过随机生成的密钥具有较高的正确性和可靠性，在通讯双方协议下形成一致的密钥形式，量子信道对信息进行加密传送，实现了多地远程传输、保密性好、安全可靠的作用。量子密钥分发保密通信技术作为天然的保密通信手段，在金融、政务、国防军事等重要领域发挥了强大的保密传输功能，保证了信息传输的绝对安全性，是未来通信安全发展的重要技术手段之一。在量子通信技术的应用和创新发展中，我国已经把量子通信技术作为新一代信息基础设施建设工程，积极开展标准化工作策略和未来发展规划，量子技术在实际应用中逐渐进入产业化、大规模发展阶段，从而更好的为广大用户量子层面提供安全服务，满足我国量子创新技术新产业和市场发展的战略需求。

参考文献

[1]韩钰.浅谈通信工程传输技术的应用与未来发展[J].信息系统工程,2019,1(7):109-109.

[2]生云峰.分析现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势[J].通讯世界,2017,2(1):79-80.

[3]沈超.大数据金融信息传输安全与量子保密通信[J].新疆财经,2019,8(4):39-46.

[4]雷思.浅谈现代通信技术发展现状与未来应用趋势[J].数码世界,2019,2(4):25-26.

[5]王鑫鑫.刍议电子信息技术的主要应用及未来前景分析[J].文存阅刊,2018,1(4):180-180.

[6]丁毅.浅谈FTTH技术对互联网通信带来的影响及未来发展趋势[J].科学技术创新,2017,1(2):184-184.

作者：许伟 单位：安徽省专用通信局