王懷勝， 楊杰

(中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

現(xiàn)代社會對信息資源、信息技術、信息產業(yè)的依賴程度越來越大，信息安全問題日益突出。信息安全問題是關系國防安全的戰(zhàn)略問題，關系著國家和民族的根本利益，單純依靠現(xiàn)有經典技術很難從根本上解決這一難題。量子保密通信，即量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution，QKD)，是目前科學界公認的無條件安全(unconditional secure)保密通信方式，具有極高的軍用和民用意義，是當前國際高科技競爭的前沿熱點問題。

QKD技術主要分為離散變量(即單光子)和連續(xù)變量兩大技術途徑。經過近三十年的發(fā)展，單光子QKD技術發(fā)展已經較為成熟，卻依然存在如下局限性。第一，單光子量子信號產生困難。實際系統(tǒng)中一般采用微弱激光脈沖來代替單光子，該方法效率較低，而且有一定幾率產生多光子，產生潛在的安全漏洞，必須結合誘騙協(xié)議才能抵御光子數分離攻擊。第二，通信波段單光子檢測成本高、速率低、效率低，技術相對不成熟，未達到商用水平。第三，成本高昂。與單光子技術相比，連續(xù)變量技術一般以高斯態(tài)變量作為信號載波，利用光場的振幅和相位分量作為信號載體，采用平衡零差探測技術對經強度和相位調制后的光信號進行檢測從而獲得信息，無需單光子源和單光子探測器，大部分器件與經典相干光通信通用，具有高重復頻率和高密鑰速率的發(fā)展?jié)撃?，在成本和性能方面具有突出?yōu)勢，發(fā)展前景光明。2013年之前，連續(xù)變量量子保密通信的無條件安全性證明和數據后處理存在較大難度，其受重視程度和發(fā)展成熟度遠不如單光子技術。

2013年以來，連續(xù)變量量子保密通信(CVQKD)在理論研究和實驗技術上有了巨大的飛躍:利用相空間上的旋轉不變性，連續(xù)變量相干態(tài)CVQKD協(xié)議的無條件安全性首次被嚴格證明;高性能連續(xù)變量糾錯碼方案被提出并實時實驗實現(xiàn)。上述兩項工作為CVQKD的實際應用掃清了障礙。2013年，法國高等光學所法布里實驗室的研究人員實現(xiàn)了80km傳輸距離的光纖CVQKD系統(tǒng)，將之前的最遠傳輸距離世界紀錄提升三倍，大大提升了CVQKD技術的實用性。CVQKD技術是未來量子保密通信技術的重要發(fā)展方向，雖然當前的CVQKD技術相關成果仍然主要停留在實驗室階段，但在關鍵基礎理論和實驗技術已基本解決的情況下，相信CVQKD技術將在不遠的將來迎來快速發(fā)展，實用化進程得到極大促進。推進CVQKD技術的實用化與產品化、關注CVQKD的實際安全性正當其時。

本文將綜述CVQKD的技術發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，分析技術發(fā)展趨勢，探討未來重點突破方向，提出發(fā)展建議。

1 連續(xù)變量量子保密通信技術的發(fā)展里現(xiàn)狀

1.1 澳大利亞

CVQKD技術研究起源于澳大利亞。1999年，澳大利亞國立大學的T.Ralph首次提出CVQKD協(xié)議，并簡要分析了其安全性［1，2］。隨后，昆士蘭大學的M.Reid提出了一個基于連續(xù)連續(xù)變量糾纏態(tài)的離散調制CVQKD協(xié)議［3］。2004年，澳大利亞國立大學的C.Weedbrook提出了基于高斯調制相干態(tài)和外差檢測的無開關協(xié)議(no－switching protocol)［4］，該協(xié)議可在保證無條件安全性的前提下提高安全密鑰產生速率，是主流CVQKD協(xié)議之一。次年，國立大學的A.Lance等首次實驗驗證了無開關協(xié)議［5］。2013年，昆士蘭大學的N.Walk等完成了高斯后選擇條件下CVQKD協(xié)議無條件安全性證明［6］。

1.2 歐洲

法國在CVQKD技術的理論研究與實驗技術上代表了當前世界最高水平。2002年，法國高等光學研究所法布里實驗室的F.Grosshans和P.Grangier首次提出基于高斯調制相干態(tài)和平衡零差檢測的CVQKD協(xié)議——GG02協(xié)議［7］。GG02協(xié)議是首個現(xiàn)有技術條件下切實可行的CVQKD協(xié)議，是當前最主流的CVQKD協(xié)議。2002年，F(xiàn).Grosshans等改進了CVQKD協(xié)議數據協(xié)調算法，首次提出了反向協(xié)調思想，解決了正向協(xié)調算法的3dB極限問題［8］。2003年，F(xiàn).Grosshans等提出了CVQKD協(xié)議的糾纏等價模型(見圖1)，建立了CVQKD協(xié)議安全分析理論框架［9］。

圖1 GG02協(xié)議的自由空間演示實驗和糾纏等價模型

2003年，法國法布里實驗室與比利時布魯塞爾自由大學合作，首次實驗實現(xiàn)自由空間信道GG02協(xié)議CVQKD系統(tǒng)(見圖1)［10］，該成果發(fā)表于《Nature》。2005 年，法布里實驗室的 J.Lodewyck等設計了基于光纖信道的CVQKD系統(tǒng)方案，為實現(xiàn)CVQKD技術的光纖網絡化做出了大膽嘗試［11］。2007年，J.Lodewyck等實驗演示了25公里全光纖GG02協(xié)議CVQKD系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了時分復用的方式將本振光和信號光在同一光纖信道中傳輸，并利用高效LDPC碼來實現(xiàn)實時的數據反向協(xié)調，系統(tǒng)的重復頻率為500 KHz，安全碼率 2.2kbit/s［12］。2009 年，法布里實驗室的S.Fossier等進行了CVQKD系統(tǒng)外場測試，該系統(tǒng)采取時分復用和偏振復用并用技術，利用LDPC碼實現(xiàn)反向協(xié)調，并通過自動反饋控制技術調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性，在15公里的光纖信道中生成8kbit/s的量子密鑰，穩(wěn)定運行時間達57小時［13］。

2011年，巴黎高等電信研究院的A.Leverrier等針對低效率連續(xù)變量密鑰協(xié)商算法嚴重影響CVQKD安全傳輸距離的問題，首次提出高效多維協(xié)商算法［14］。隨后，A.Leverrier等又提出基于離散調制的CVQKD協(xié)議——四態(tài)協(xié)議，大大緩解了協(xié)調效率對CVQKD系統(tǒng)的限制［15］。2012年，巴黎高等電信研究院的P.Jouguet等分析了非理想高斯調制，探測器校準誤差、激光器相位噪聲等實際非理想因素對系統(tǒng)性能的影響［16］，并設計實現(xiàn)了基于CVQKD技術的點對點對稱加密鏈路，在17.7公里的光纖信道中穩(wěn)定運行時間長達六個月［17］。同年，法布里實驗室的R.Blandino等指出，在反向協(xié)調下，新型線性無噪光放大器(NLA)可提升基于高斯調制相干態(tài)的CVQKD協(xié)議的安全距離和噪聲抗性，這無疑對CVQKD技術的推廣具有重要意義［18］(見圖2)。

圖2 線性無噪光放大器及其對CVQKD的改善作用

2013年，P.Jouguet等大幅度改善了GG02協(xié)議CVQKD系統(tǒng)(見圖3)，利用多維協(xié)商算法和GPU技術將CVQKD系統(tǒng)的數據協(xié)調效率提高到95%左右，進而將光纖CVQKD系統(tǒng)實驗傳輸距離大幅提升至80公里，在此傳輸距離下安全碼率接近1kbit/s［19］。

圖3 長距離CVQKD傳輸實驗原理圖

1.3 加拿大

2007年，加拿大多倫多大學Bing Qi等實驗實現(xiàn)了全光纖信道GG02協(xié)議 QKD 系統(tǒng)［26］。2011年，該團隊 Y.Chi等對CVQKD系統(tǒng)的平衡零差探測器的噪聲分析與設計實現(xiàn)做出了詳盡的論述［27］。2012年，C.Weedbrook等設計了基于熱場態(tài)的CVQKD協(xié)議，分析了微波頻段CVQKD技術的可行性［28］。隨后，C.Weedbrook證明了當糾纏源不受合法通信方控制時，CVQKD協(xié)議的安全性依然可以保持［29］。

1.4 美國

美國的CVQKD成果報道主要集中于2010年之前。近年來，美國對包括單光子技術在內的所有QKD技術都極少報道。據分析，美國很可能已經開展了QKD技術的實際應用。

2000年，美國紐約城市大學亨特學院的M.Hillery首次提出了一個基于壓縮態(tài)的連續(xù)載波離散調制的保密通信方案［30］。次年，加州理工的D.Gottesman和微軟公司的J.Preskill提出了一種基于壓縮態(tài)的CVQKD協(xié)議，并利用量子糾錯碼首次證明了CVQKD協(xié)議的無條件安全性［31］。

在協(xié)議優(yōu)化方面，麻省理工的S.Pirandola等于2008年首次提出了雙路CVQKD協(xié)議［34］，大大提高了CVQKD協(xié)議可容忍噪聲閾值。2009年，喬治亞理工的Q.Xuan等實驗實現(xiàn)了光纖信道四態(tài) CVQKD協(xié)議，傳輸距離為24.2公里時安全碼率達3.45kbit/s［35］。

1.5 中國

在國內，基于光纖的對連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的研究也在逐漸展開，并在一些理論問題上取得了重要成果，這些成果主要集中在光源噪聲的建模、雙路量子密鑰分發(fā)協(xié)議、連續(xù)變量協(xié)議安全性等一些方面。主要研究單位有北京大學、北京郵電大學、上海交通大學和中國科技大學等。

2 連續(xù)變量量子保密通信技術發(fā)展趨勢

受限于發(fā)展時間短，當前CVQKD系統(tǒng)的技術成熟度不高，但其在量子態(tài)制備、探測以及和經典光纖通訊網絡融合方面有更大的發(fā)展?jié)摿Α?013年，法國的P.Jouguet等人在連續(xù)變量系統(tǒng)后處理糾錯技術上取得突破，完成了80km的CVQKD實驗，充分驗證了CVQKD技術的發(fā)展?jié)撃?，具備了構建城域網能力。同年，CVQKD協(xié)議理論安全性證明取得巨大飛躍，F(xiàn)urrer和Leverrier等人嚴格證明了有限碼長條件下高斯CVQKD協(xié)議的無條件安全性，為CVQKD技術的應用掃清了障礙。

然而，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)技術要真正走向實際應用，當前面臨的主要問題如下:第一、技術成熟度相對較低，性能指標有待提升。尤其是，CVQKD系統(tǒng)的安全碼率和傳輸距離有待提高，與實際應用要求有差距。要真正提升CVQKD系統(tǒng)的實際性能，可從兩方面著手——實驗技術方面提升光源、調制、探測、穩(wěn)定控制、后處理等關鍵器件模塊的性能指標，理論研究方面改進協(xié)議、數據后處理方法以提升協(xié)議性能。CVQKD系統(tǒng)性能在很大程度上取決于協(xié)議優(yōu)化和數據后處理理論的進展，如采用后選擇技術或提升數據協(xié)調的效率和速率等都可有效提升系統(tǒng)性能?，F(xiàn)階段從協(xié)議層面、理論層面提出改進，優(yōu)化協(xié)議數據后處理方法等對提升CVQKD系統(tǒng)性能十分重要。第二、實際安全性有待進一步提升，針對量子黑客攻擊的防御手段不足。CVQKD協(xié)議在理論上被證明具備無條件安全性，但并不完全等價于實際CVQKD系統(tǒng)的安全性。研究實際CVQKD系統(tǒng)的安全漏洞及相應的量子黑客攻防，對保證CVQKD系統(tǒng)的實際安全性具有重要意義。上述兩點是現(xiàn)階段制約CVQKD發(fā)展的瓶頸問題，是當前CVQKD領域的學術研究熱點，也代表著CVQKD技術現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢。

此外，相對于業(yè)界領先的法布里實驗室，國內研究單位基本具備了部分關鍵技術，但在后處理算法的協(xié)調效率、實時性及探測器性能上落后比較明顯，需要重點研究和開發(fā)，對連續(xù)變量量子密鑰通信系統(tǒng)的各關鍵技術進行整體協(xié)調和優(yōu)化、加強工程化研究很有必要。

3 連續(xù)變量量子保密通信技術建議

3.1 重視連續(xù)變量量子保密通信技術研究

第一，連續(xù)變量量子保密通信技術具有良好的發(fā)展?jié)撃?，是未來量子通信技術必不可少的重要分支。與單光子系統(tǒng)相比，連續(xù)變量系統(tǒng)無需單光子源和單光子探測器，大部分器件與經典相干光通信系統(tǒng)通用，具有高重復頻率和高密鑰速率的發(fā)展?jié)撃埽诔杀竞托阅芊矫婢哂型怀鰞?yōu)勢。第二，連續(xù)變量量子保密通信技術近年來發(fā)展迅速，可行性得到充分驗證，推進其實用化正當其時。第三，連續(xù)變量技術與單光子技術可形成優(yōu)勢互補，開展連續(xù)變量保密通信技術工程化研究很有必要。2013年，法國法布里實驗室將安全傳輸距離提升到了80公里，該距離雖然對于城際之間的保密通信還稍嫌不夠，但對于城市內部重要節(jié)點的保密通信來說已經足夠。而單光子技術傳輸距離遠，但成本高，適用于城際通信。第四，中國在連續(xù)變量量子保密通信系統(tǒng)研發(fā)上投入不足，研究水平落后于國外。相對于業(yè)界領先的法布里實驗室來說，國內研究單位初步具備了各關鍵技術，主要在后處理算法的協(xié)調效率、各關鍵技術工程化、各關鍵技術進行整體協(xié)調和優(yōu)化等方面落后。

基于上述原因，我國應抓住當前CVQKD技術的發(fā)展熱潮，大力開展CVQKD技術研究，占領技術高地。

3.2 加強連續(xù)變量量子保密通信系統(tǒng)關鍵技術研究、整體優(yōu)化、工程化

要真正做好CVQKD技術，其關鍵是突破如下關鍵技術:連續(xù)變量量子保密通信系統(tǒng)量子信號產生、傳輸控制(含偏振態(tài)保持、相位漂移補償、時鐘同步及時序對準等)、探測(接近量子極限的高靈敏平衡零差探測技術)以及高效率數據后處理等。

在突破上述關鍵技術基礎之上對系統(tǒng)進行整體協(xié)同優(yōu)化，加強相應工程化研究，將大大推進CVQKD技術的實用化進程。

3.3 加強連續(xù)變量量子保密通信實際安全性研究及量子黑客攻防技術研究

QKD的安全性可分為兩個層次:理想QKD協(xié)議安全性和實際QKD系統(tǒng)安全性。理想QKD協(xié)議的安全性是量子密碼理論研究的核心內容，是QKD安全性的基石。實際QKD系統(tǒng)是理想QKD協(xié)議的物理真實實現(xiàn)。理想QKD協(xié)議安全性證明建立在系統(tǒng)物理模塊(如光源，編碼器，探測器等)的簡化數理模型基礎之上。實際QKD系統(tǒng)的非理想物理器件往往不完全滿足理想模型假設，將導致安全隱患。竊聽者可以利用上述安全隱患(或稱之為側信道)竊取信息而不被發(fā)現(xiàn)，此即所謂量子黑客攻擊(Quantum Hacking Attacks)。如果通信雙方忽略系統(tǒng)側信道，則實際QKD系統(tǒng)的安全性不能得到完全保障。真實的QKD系統(tǒng)只有經過深入的量子黑客攻防研究后，才能確保實際安全性，此研究是QKD走向實用化的必由之路。設計現(xiàn)有技術條件下切實可行的量子黑客攻防技術，是當前的學術研究熱點。同時，此項研究是制定實際QKD系統(tǒng)安全標準的重要依據，歐盟已率先開展此項工作。

針對單光子技術，人們已經深入開展了實際安全性及量子黑客攻防技術研究，如光子數分離攻擊、相位重映射攻擊、非可信光源攻擊、多激光器側信道信息泄露、時移攻擊、偽態(tài)攻擊、探測致盲攻擊等量子黑客攻擊。而在CVQKD研究中，相應研究處于起步階段，應著重加強研究。

3.4 加強連續(xù)變量量子保密通信后處理技術研究

在CVQKD系統(tǒng)中，量子態(tài)傳輸結束后，發(fā)送方和接收方需要通過后處理來生成安全密鑰。后處理包括基選擇，參數估計，數據糾錯、私鑰放大四個步驟。其中，數據糾錯一直是技術難點和核心。高斯連續(xù)變量誤碼糾錯對系統(tǒng)性能影響體現(xiàn)在如下方面:第一，連續(xù)變量數據糾錯效率大大限制CVQKD系統(tǒng)的安全碼率和傳輸距離。隨著通信距離變長，接收方接收到的量子態(tài)幅度變弱，信噪比低(約0.1)，誤碼率增高(可達20%—30%)，數據協(xié)調的效率降低(僅約80%)，直接減小系統(tǒng)安全碼率。尤其是，通信雙方的互信息量與竊聽者所獲取的信息量大小比較接近，低糾錯效率將直接導致系統(tǒng)碼率為零。所以，研究低信噪比下高斯隨機變量糾錯技術是連續(xù)變量QKD系統(tǒng)的核心關鍵問題之一。第二，糾錯算法的方向對連續(xù)變量QKD系統(tǒng)性能影響重大。根據糾錯方向的不同，CVQKD系統(tǒng)的后處理過程可分為正向協(xié)調和反向協(xié)調。如果系統(tǒng)采用正向協(xié)調，則當量子信道的傳輸損耗大于3 dB時(即通信距離≧15 km時)，連續(xù)變量QKD系統(tǒng)的安全碼率為0，被稱為3 dB極限。正向糾錯使用范圍較窄，當通信距離較長時必須選用反向糾錯。第三，連續(xù)變量QKD系統(tǒng)數據糾錯速率是限制連續(xù)變量QKD系統(tǒng)工作頻率的最重要因素。經過長距離傳輸后，接收方接收到的量子態(tài)幅度很弱，信噪比降低，誤碼率增高，必須選取比較特殊和復雜的糾錯算法對其進行糾正，故糾錯所需計算資源增加，極大影響了后處理的實時性。

高效率、高速、實時的數據后處理模塊，是提升CVQKD系統(tǒng)性能的最有效手段之一，應著重研究。

4 結語

連續(xù)變量量子保密通信技術具有良好的發(fā)展?jié)撃埽俏磥砹孔颖Ｃ芡ㄐ偶夹g必不可少的重要分支。受限于發(fā)展時間較短，當前CVQKD技術成熟度相對較低，性能指標有待提升。通過進一步加強連續(xù)變量量子保密通信系統(tǒng)量子信號產生、傳輸控制(含偏振態(tài)保持、相位漂移補償、時鐘同步及時序對準等)、探測(接近量子極限的高靈敏平衡零差探測技術)以及高效率數據后處理等關鍵技術，并開展整體優(yōu)化和工程化研究，連續(xù)變量量子保密通信技術有望真正走向實用。

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