中國實現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)，對未來量子通信有何意義？

最近（2023年3月），新聞報道，潘建偉教授領銜的中國科學家團隊，成功實現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)。這個成果對于未來量子通信有何意義？量子密鑰是如何起作用的呢？

量子密鑰分發(fā)是通過對光量子態(tài)的傳輸和測量，產(chǎn)生不可截獲不可篡改，完全具備量子隨機性的量子密鑰。密鑰的呈現(xiàn)形式為二進制比特，可以為各類數(shù)據(jù)通信建立牢不可破的加密，即量子加密通信。

最早的量子密鑰分發(fā)技術(shù)來源于美國物理學家本內(nèi)特和加拿大密碼學家布拉薩德在1984年提出的BB84協(xié)議。BB84協(xié)議利用“對微觀粒子量子態(tài)的測量會產(chǎn)生隨機結(jié)果”這個量子力學原理，在收發(fā)兩端生成完全相同的隨機的二進制密鑰。同時量子力學中的量子不可分割原理和不可克隆定理保證了該密鑰在分發(fā)過程中不會被任何第三方無感知地截獲，就是說任何竊聽都會被通信的雙方馬上發(fā)現(xiàn)，只需丟棄被竊聽部分的密鑰，剩余的密鑰只有收發(fā)兩端可以知道，可以真正做到“天不知地不知，只有你知我知”。

量子密鑰分發(fā)生成的密鑰是一組真隨機的二進制數(shù)，可自由選擇任意長度，靈活用于不同長度的二進制信息的加密。由于密鑰本身絕對隨機，用最簡單的異或算法加密就能實現(xiàn)無法破解的密文，幾乎不耗費任何計算資源。根據(jù)信息論，這種真隨機的密鑰通過“一次一密”的加密方式可以抵抗任何算法的破解，包括量子計算，達到“無條件安全性”。這就是“量子加密通信”。已經(jīng)開始保護我們的信息安全。

目前產(chǎn)業(yè)化的量子密鑰分發(fā)技術(shù)都是建立在BB84協(xié)議基礎上做的升級。例如誘騙態(tài)協(xié)議，在光纖中可以把量子密鑰分發(fā)的安全距離提高到一百公里以上，在墨子號衛(wèi)星與地面之間的量子密鑰分發(fā)安全距離甚至可以超過一千公里。還有一個比較新的雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在光纖中可以把量子密鑰分發(fā)的安全距離提高到八百公里以上。

解決了安全距離問題，那么量子密鑰分發(fā)另一個問題是密鑰產(chǎn)生率的問題。一方面，光源產(chǎn)生有效光子的速度會限制最終密鑰產(chǎn)生速率。另一方面，探測器效率也會限制最終密鑰產(chǎn)生速率。同時因為光子會在光纖中隨著距離增加不斷地損耗掉，導致走到終點用來產(chǎn)生密鑰的光子越來越少，也會限制最終密鑰產(chǎn)生速率。以上的原因?qū)е铝藢嶋H場景的量子密鑰分發(fā)生成的密鑰量難以做無條件安全的一次一密，而是退而求其次采用AES或者國密SM4等算法，重復使用密鑰。

2023年3月，《自然··光子學》發(fā)表了潘建偉領銜的中國科學家團隊的成果，首先在光源上，采用光芯片技術(shù)，讓光子的產(chǎn)生速率提高到每秒鐘25億個，同時在探測端采用國產(chǎn)最新的超導納米線單光子探測器，在每秒鐘輸入幾億個光子是，仍然保持百分之六十以上的探測效率。這使得在同樣十公里的距離下，量子密鑰分發(fā)的密鑰產(chǎn)生效率從原來的每秒鐘最多一千萬個比特，直接提升了十倍以上，超過每秒鐘一億個比特。

這個成果使得一個城市范圍內(nèi)做高速量子密鑰分發(fā)成為可能。這代表著量子加密通信有能力匹配一個城市內(nèi)所有需要數(shù)據(jù)保密通信的業(yè)務。

當然這個成果還要解決的商業(yè)化的難題，因為光源調(diào)制芯片和單光子探測器的成本太高，尤其是這個超導納米線單光子探測器，需要持續(xù)不斷的努力去降低它的成本，做到可以量產(chǎn)，從而讓這個技術(shù)真正大規(guī)模應用。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：張文卓

審核：羅會仟

出品：中國科協(xié)科普部

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