量子通信理論與技術（簡體書）

序言

量子技術基於量子力學等基礎物理理論，具有突破傳統技術“經典極限”的能力。發展至今，有人將量子技術帶來的影響歸納為兩次“量子革命”。目前，人們所處的“第二次量子革命”以微觀量子態的觀測、製備和調控等為主要特徵，涉及的技術方向或領域包括量子計算、量子通信、量子成像、量子導航與測量等。近來，美國、歐盟、日本等加大了量子技術的推動力度，尤其是量子計算和量子通信得到重點支援和關注，相關機構和企業的研究也逐漸趨向具體應用。

參照現有成熟的經典保密通信，量子通信主要分為量子金鑰分發、量子直接通信和量子秘密共享，以及其他可發展的量子安全工具等。簡單來說，若能利用量子器件產生理想亂數，並且據此實現金鑰分發或秘密的直接發送，或結合一次一密“亂碼本”，則理論上可實現安全的通信過程，即使存在竊聽，竊聽者也無法破解。

就安全性而言： 量子通信的安全性已有豐富的理論支撐，但仍然面臨器件安全、通道安全和代理安全等問題，需要在方案創新的同時，進一步突破一批創新技術，以期達到設計的“初心”。就實用性而言： 一方面要考慮目標應用場景安全性指標的保障；另一方面還要提高傳輸距離和成碼率，以期早日將豐富的應用場景“生活化”和“市場化”。站在理論安全的基礎上，如果在安全性和實用性上能夠達到應用的要求，那麼量子通信將在未來的保密通信，甚至是信息安全領域發揮重要作用。

本書以信息安全技術發展和保密通信應用需求為牽引，開展全書的編撰工作。作者基於對國際上主要國家的相關戰略支持、技術發展進行了較為充分的調研，講解了量子通信中較為豐富的系列內容，對推進量子通信實用進程具有一定的價值。希望本書對相關領域科研工作人員、工程設計師和技術愛好者有一定的幫助。

北京大學教授安輝耀

2021年3月

前言

信息技術的不斷發展，給人們的生活帶來極大的便利，但也催生了日益豐富和突出的信息安全問題。前沿信息技術應用的不斷深化，將改變現有信息管理和系統應用的模式，可能使攻擊者採取更加多元的攻擊手段，從而導致人們對信息網絡結構安全、資料安全和信息內容安全的擔憂日益增加。更為嚴重的是，信息安全不僅關係信息自身的安全，更對國家的政治、軍事、經濟和文化等安全具有重大戰略價值。

保密通信作為信息安全的“骨灰級元老”，一直伴隨著人類的發展，自古至今都極具價值，在很多時候決定著戰爭的走勢，是信息安全領域的主要研究內容之一。保密通信要達到的目的無非有兩個： 其一是盡可能不被竊取；其二是即使被竊也不會被破解。而傳統的保密通信手段存在金鑰產生和金鑰分發兩個安全性問題。尤其是在面臨新的加密破解方法和量子計算等不對等計算優勢時，傳統保密通信或將形同虛設。

克勞德·艾爾伍德·香農在信息理論中認為： 如果產生的金鑰沒有規律可言，並且只用一次，那麼相同長度的金鑰可以絕對安全地加密信息。怎麼才能實現一次一密呢？量子通信給出了答案。量子通信基於量子力學基本原理，產生量子隨機金鑰，並利用量子通道實現金鑰分發，從而可實現理論上絕對安全的一次一密。隨著信息安全產業的發展，量子通信的重要價值不言而喻，世界各國從政府部門到研究機構，都給予其非同一般的關注： 政府部門出臺政策支持，科研機構推動技術研發。迄今為止包括我國在內的世界主要國家，都在角逐量子通信技術和量子通信系統網絡發展的主導地位。

近來，量子通信的發展愈加豐富，但一般可將具有一定特點的理論協議或者方案大致區分為量子金鑰分發（QKD）、量子安全直接通信（QSDC）、量子隱形傳態（QT）和量子秘密共享（QSS）等。當然有不少學者的分類方法更為細緻，又或者略有不同，但是如果從諸多種類協議或方案中選擇出最為成熟的，那麼非BB84量子金鑰分發協議莫屬。中國、美國和日本等國家都在構建或已實現了量子通信幹線及網絡。

另外需要直面的是，儘管量子通信在保密通信中體現了其突出的理論優勢，但是在實際系統實現過程中仍然存在安全性和可靠性等問題，給原本晴空萬裡的藍天籠罩上了一層陰霾。人們在研究保密通信的時候，一定會假定竊聽者總是能夠抓住系統存在的任何漏洞，所以針對實際量子通信安全隱患的各種攻擊手段一定會撲面而來。未來隨著器件工藝和技術瓶頸的突破，研製滿足量子通信理論安全要求的器件是必不可少的，但當下，相關研究人員也已從器件選用和協議構建的角度去防禦攻擊。

從量子通信誕生之初，褒揚和質疑便不絕於耳，新生的事物向來需要經歷社會的歷練，具有顛覆性價值的技術更是如此。量子通信從20世紀80年代誕生的第一個協議以來，已經形成了較為完善的技術領域體系和技術發展生態環境，未來仍然需要在此基礎上進一步取得突破性進展，從而開發出人們日常生活中看得見、摸得著的保密通信應用。

本書較為系統全面地闡述了量子通信的理論基礎、關鍵技術和典型系統設計內容，可為相關領域工作者和興趣愛好者提供理論知識、實踐方法和參考樣例。從通信的發展入手，介紹保密通信的困境，以及量子通信的重要意義；對量子通信的主要協議和方案進行了歸納講解，並針對量子通信系統實現過程中的關鍵技術、攻擊和防禦，以及量子通信網絡的建設情況進行了分析；尤以典型量子金鑰分發系統設計和實現為例，闡述了量子通信系統的構建。

全書共10章。第1章量子通信技術發展，介紹量子通信的發展起源和價值，以及目前的研究形勢；第2章量子力學基礎，提供相關研究的部分預備知識；第3～6章量子通信理論原理和協議方案，具體涵蓋量子金鑰分發、量子安全直接通信、量子隱形傳態和量子秘密共享；第7、8章分別介紹量子通信中部分關鍵技術和量子通信中一些安全問題；第9、10章簡述量子通信網絡和典型量子金鑰 分發系統案例。本書的符號遵循本領域書籍的習慣，為方便讀者閱讀，矩陣和向量統一用白斜體。

中國航太科工集團二院未來實驗室的張國萬、霍娟、朱雲亮、程學彬和薑來對手稿進行了全面仔細的審核，毛磊、王智斌、劉笑華為本書的出版提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝！全書的編寫工作得到了中國航太科工集團二院未來實驗室領導和同仁的大力支持，在此一併表示感謝！最後感謝北京航空航太大學出版社各位老師認真而全面的校對和對本書付出的精心指導！

量子通信領域每隔一段時間就會有大量成果湧出，本書不能以偏概全。另外由於作者水準有限，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。

作者

2021年1月於北京五棵松

第1章量子通信技術發展1

1.1通信技術的發展1

1.2保密通信3

1.3密碼學3

1.3.1密碼學的發展4

1.3.2密碼學的分類6

1.4量子計算與量子通信8

1.4.1量子計算的優勢8

1.4.2傳統保密通信中的困難11

1.4.3量子通信的興起11

1.5國內外量子通信戰略12

1.5.1國外戰略佈局12

1.5.2國內戰略發展17

1.6國內外量子通信技術發展19

1.6.1國外發展現狀19

1.6.2國內發展現狀21

1.7注記22

參考文獻23

第2章量子力學基礎25

2.1常用概念及工具25

2.1.1希爾伯特空間25

2.1.2量子態26

2.1.3量子態疊加26

2.1.4量子比特27

2.1.5光子編碼28

2.1.6直積態和糾纏態29

2.1.7量子糾纏純化30

2.1.8量子門31

2.2量子力學基本理論32

2.2.1海森堡測不準原理33

2.2.2量子不可克隆定理34

2.2.3EPR悖論35

2.3注記37

參考文獻37

第3章量子金鑰分發39

3.1量子金鑰分發的原理與發展39

3.1.1量子金鑰分發原理39

3.1.2協議研究進展41

3.2部分典型量子金鑰分發協定43

3.2.1BB84協議43

3.2.2B92協議45

3.2.3E91協議46

3.2.4典型協議安全性分析48

3.3誘騙態MDIQKD協議49

3.4注記51

參考文獻52

第4章量子安全直接通信53

4.1量子安全直接通信的原理與發展53

4.1.1量子安全直接通信原理54

4.1.2量子安全直接通信與量子金鑰分發55

4.1.3量子安全直接通信協定發展55

4.2部分量子安全直接通信協定57

4.2.1高效量子安全直接通信協議57

4.2.2乒乓協議58

4.2.3LM05協議59

4.2.4兩步量子安全直接通信協議60

4.2.5改進兩步量子安全直接通信協議62

4.2.6一次一密量子安全直接通信協議66

4.2.7高維量子安全直接通信協議67

4.2.8其他GHZ量子安全直接通信協議68

4.2.9抗噪聲的量子安全直接通信協議69

4.3注記70

參考文獻70

第5章量子隱形傳態73

5.1量子隱形傳態的原理與發展73

5.1.1量子隱形傳態原理73

5.1.2量子隱形傳態協定發展75

5.2量子隱形傳態的主要類別76

5.2.1分離變數量子隱形傳態76

5.2.2連續變數量子隱形傳態77

5.2.3受控量子隱形傳態79

5.3注記80

參考文獻81

第6章量子秘密共享83

6.1量子秘密共享的產生83

6.2量子秘密共享協議研究84

6.2.1典型量子秘密共享84

6.2.2安全直接通信下的量子秘密共享85

6.2.3多方與多方的量子秘密共享85

6.2.4動態量子秘密共享86

6.2.5半量子秘密共享87

6.2.6局部操作和經典通信下的量子秘密共享87

6.3典型協議介紹88

6.3.1第一個量子秘密共享協議——HBB88

6.3.2雙光子三維Bell態量子秘密共享協議90

6.4注記92

參考文獻92

第7章量子通信中的關鍵技術95

7.1量子光源製備技術95

7.1.1單光子源96

7.1.2糾纏光源98

7.2量子亂數發生技術99

7.2.1量子亂數研究現狀概述100

7.2.2基於光子路徑選擇的量子亂數101

7.2.3設備無關的量子亂數103

7.2.4基於量子隧穿效應的量子亂數104

7.2.5基於庫侖阻塞效應的量子亂數106

7.3單光子探測技術107

7.3.1基於光電倍增管的單光子探測107

7.3.2基於雪崩二極管的單光子探測109

7.3.3超導單光子探測110

7.4量子中繼技術112

7.4.1量子中繼的原理112

7.4.2量子中繼方案113

7.5量子編碼技術114

7.5.1量子編碼的問題114

7.5.2量子編碼的發展115

7.6注記116

參考文獻116

第8章量子通信中的安全問題119

8.1側通道攻擊誘發的安全性研究119

8.2實用量子通信器件安全性分析概述120

8.2.1光源安全問題121

8.2.2有源光學器件安全問題122

8.2.3無源光學器件安全問題124

8.2.4探測器安全問題125

8.3波長攻擊128

8.3.1波長攻擊原理128

8.3.2BB84系統波長攻擊實驗分析131

8.3.3MDIQKD中波長攻擊下安全性分析134

8.3.4波長攻擊防禦策略136

8.4注記137

參考文獻137

第9章量子通信網絡139

9.1量子通信網絡的發展139

9.2量子通信網絡中間節點技術方案141

9.2.1基於量子中繼的方案141

9.2.2基於光開關的方案142

9.2.3基於可信中繼的方案143

9.2.4基於多工器的方案144

9.2.5基於集控站的方案145

9.3各國及地區的量子通信網絡146

9.3.1美國DARPA量子通信網絡146

9.3.2美國洛斯阿拉莫斯量子通信網絡147

9.3.3美國巴特爾量子通信網絡148

9.3.4歐洲SECOQC量子通信網絡148

9.3.5瑞士日內瓦量子通信網絡149

9.3.6西班牙馬德裡量子通信網絡150

9.3.7中國合肥3節點和5節點量子電話網150

9.3.8中國蕪湖量子政務網151

9.3.9日本量子通信網絡151

9.4量子衛星通信152

9.5量子網絡中的身份驗證和路由153

9.6注記154

參考文獻155

第10章典型量子金鑰分發系統案例157

10.1量子金鑰分發系統一般性模型157

10.1.1量子光源158

10.1.2量子態製備159

10.1.3量子通道和經典通道159

10.1.4量子態探測160

10.1.5後處理162

10.2“plug&play”量子金鑰分發系統162

10.2.1“plug&play”量子金鑰分發方案163

10.2.2“plug&play”系統主要組成和工作流程165

10.2.3結構層級劃分和模組功能167

10.3基於連續變數的量子金鑰分發系統169

10.3.1基於連續變數的量子金鑰分發方案169

10.3.2關鍵模組設計171

10.3.3模組化封裝及系統集成174

10.4星地量子金鑰分發系統174

10.4.1星地量子金鑰分發系統方案175

10.4.2星載ATP系統設計175

10.4.3粗精跟蹤系統設計178

10.5注記180

參考文獻180

附錄常見英文對照183