全球量子保密通信网络发展研究
Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2018, 8(10), 1628-1641
Published Online October 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/6617482272.html,/journal/csa
https://https://www.360docs.net/doc/6617482272.html,/10.12677/csa.2018.810179
Development Analysis on Global Quantum
Secure Communication Network
Feifan Chen1, Xinyu Hu1, Yinghao Zhao1, Yongzhan Hu2, Zhengzheng Yan1, Hongxin Li1,3
1PLA Strategic Support Force Information Engineering University, Luoyang Henan
2Zhengzhou Audit Center, Zhengzhou Henan
3State Key Laboratory of Cryptology, Beijing
Received: Oct. 7th, 2018; accepted: Oct. 22nd, 2018; published: Oct. 30th, 2018
Abstract
With the popularization of international Internet technology and the rapid development of quantum information technology, the construction of quantum secure communication networks (QSCN) has received extensive attention and the strategic significance of developing quantum secure commu-nication technologies is becoming more and more important. This paper introduces and analyzes the construction of QSCN in major quantum R & D countries and regions such as the United States, the European Union, Japan and China around the world over the past decade in details. It re-searches and compares the pivotal technology used in the construction of typical QSCN. And the development trends and characteristics of future QSCN are summarized and forecasted.
Keywords
Quantum Cryptography, Quantum Private Communication, Quantum Communication Network,
Quantum Key Distribution
全球量子保密通信网络发展研究
陈非凡1，胡鑫煜1，赵英浩1，胡勇战2，闫争争1，李宏欣1,3
1中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，河南洛阳
2郑州审计中心，河南郑州
3密码科学技术国家重点实验室，北京
收稿日期：2018年10月7日；录用日期：2018年10月22日；发布日期：2018年10月30日
摘要
随着国际互联网技术的普及和量子信息技术的飞速发展，量子保密通信网络建设受到了广泛关注，发展
陈非凡等
量子保密通信技术的战略意义越来越重要。本文对近十年来美国、欧盟、日本和中国等全球主要量子研发国家和地区的量子保密通信网络发展建设情况进行详细的介绍和分析，研究对比了典型量子保密通信网络建设采用的关键技术，总结和展望了未来量子保密通信网络的发展趋势和特点。
关键词
量子密码，量子保密通信，量子通信网络，量子密钥分发
Copyright ? 2018 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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1. 引言
随着经济全球化的发展和国际互联网的普及，互联网信息安全受到世界的高度关注与重视。密码技术作为信息安全领域最重要的内容之一，为确保一个国家的政治、经济、军事、社会等各方面的信息安全做出了突出的贡献。量子密码学作为密码技术领域的新星，在近二十多年里发展迅速，是公认的未来最可能成为主流密码技术的代表之一。量子保密通信技术则是基于量子力学原理，利用量子纠缠效应进行通讯的新型安全通信技术，其运用了大量的量子密码学相关知识原理。量子通信的最大优点是具有理论上的无条件安全性。因此，量子通信技术以其无比的优越性，在国家安全、金融经济等信息安全领域具有重大的应用价值与前景。
针对不断发展的量子保密通信技术，上世纪80年代末开始，美国、日本、欧盟等主要西方国家和组织的政府、军方及主要大型公司均制定了相应的量子保密通信发展计划、同时投入大量人力和资金进行研究，在实现百公里级点对点量子密钥分发的基础上建立了各国的量子保密通信网络，大量研究成果居于世界领先地位。
本世纪初，量子保密通信技术的实地网络相继出现，以美国研发的一系列量子通信网络最为突出，首先是美国DARPA量子密钥分发网络，随后，美国国家标准技术局(NIST)量子网络、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室量子网络和美国伯特利(Battelle)量子网络相继诞生，其中伯特利量子网络作为商业公司研发的量子网络代表，有着巨大的商业价值与应用前景。欧盟在量子通信网络方面的研究紧随其后，从2004年开始，欧盟组织及各成员国先后建立了欧洲SECOQC量子保密通信网络、瑞士日内瓦量子网络、西班牙马德里量子通信网络等。日本方面，规划多年的东京量子通信网络(Tokyo Network)于2010年10月正式建成，标志着日本也步入了量子通信领域发展的快车道。中国方面，2016年8月16日1时40分，全球首颗量子通信卫星“墨子号”在酒泉成功发射升空，这标志着量子密码的实用化进程迈出重要一步。
本文将从区域角度，对全球主要国家和地区的量子保密通信网络建设发展现状进行总结性介绍，对比典型量子保密通信网络特点，有利于研究人员掌握关键技术、找到差距、提供建议，加强人们对量子保密前沿技术的掌控的同时，培育面对世界领先科技时的广阔视野和全球思维，这对于量子保密通信发展建设的宏观研究具有重要的参考价值。
2. 美国量子保密通信网络发展
2.1. 美国DARPA量子通信网络
DARPA即“Defense Advanced Research Projects Agency” (美国国防部高级研究计划局)，该局研发的DARPA量子密钥分发网络是世界上第一个实地建设的量子保密通信网络。
DARPA量子密钥分发网络于2002年开始架构设计，2003年10月23日在BBN技术公司的实验室
陈非凡等
正式开始全面运作。2004年6月，该网络在连接BBN、哈佛大学和波士顿大学的剑桥街地下光纤中进行了连续运行，此次连续运行的DARPA网络是一个六节点量子网络，如图1所示。2004年12月，该网络成为了国际上首个可应用于互联网的量子密码网络系统[1]。此次运行的网络同样包含了六个节点，其中四个节点在BBN公司内部，另外两个节点由美国国家标准技术局和QinetiQ公司提供。2006年，DARPA 成功建设8节点的量子密钥分发网络。2007年，这个网络成功建设到10个节点。
DARPA量子密钥分发网络支持多种量子密钥分发技术，其中包括光纤信道的相位调制量子密钥分发、光纤信道的纠缠光源量子密钥分发和自由空间量子密钥分发技术。该网络包含的量子密钥分发系统有四种，其中两种是BNN技术公司团队研制的利用弱相干光源的量子密钥分发系统和基于纠缠光源的量子密钥分发系统，另外两种是由美国国家标准技术局(NIST)的利用了衰减激光脉冲原理的量子分配系统和QinetiQ公司的自由空间量子密钥分发系统。
2.2. 美国国家标准技术局(NIST)量子通信网络
2006年，美国国家标准技术局(NIST)演示了一个“三用户有源量子网络”，包括一个发射端(Alice)和两个接收端(Bob1, Bob2)，发射端与接收端使用有源光开关相连接，每个接收端与发射端相距约1公里并通过光纤联通，其筛选之后的密钥速率超过1 Mb/s。
如图2所示，该通信网络在Alice发射端有两个用来改变通信波长的光开关。经典通信使用1550 nm 波段，量子通信使用850 nm波段。在发射端(Alice)和一号接收端(Bob1)之间可以使用850 nm单模光纤的量子信道(HI780)或标准电信光纤的经典信道(SMF28)，它们的长度均为1公里。在发射端(Alice)和二号接收端(Bob2)之间，经典信道和量子信道均为标准电信光纤(SMF28)，长度也均为1公里。在量子信道末端，有一小段具有空间滤波器功能的HI780纤维，用来消除混杂在1550 nm纤维中的850 nm高模式成分。整个网络系统采用编程可控的偏振控制器补偿偏振在光纤中的传输变化，其中一号接收端(Bob1)采用液晶型偏振控制器，二号接收端(Bob2)采用压电型偏振控制器。
Figure 1. DARPA Quantum key distribution network structure
图1. DARPA量子密钥分发网络结构
陈非凡等
Figure 2. NIST Three-node quantum secure communication network structure
图2. NIST三节点量子保密通信网络结构
2.3. 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室量子通信网络
2000年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的研究成果使量子通信在自由空间里进行的量子密钥分发的传输距离达到了1.6公里[2]；2006年，该实验室进一步实现了其提出的诱骗态方案，完成了超过100公里的量子保密通信实验，基本达到城际量子保密通信在距离上的要求。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的量子网络是一个以独立网络为核心的量子通信网。该实验室创建量子网络的方法是基于“轴–辐”式网络架构，所有传送的信息都经过“轴”，所有进入“轴”的信息都经过量子加密，当信息到达“轴”时，先转变成传统的信息形式，再转变成量子比特向外辐射状传送。所以，在该量子网络系统中只要“轴”安全，整个网络就安全。
2012年12月，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究小组在伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)演示了量子保密通信在政府能源电网可靠网络基础设施数据传输中的优势。在测试中，该小组使用了25公里的光纤链路，发现通信等待时间仅仅约为125微秒，与传统保密通信相比，有更高的安全性和更好的高效性。
2.4. 美国伯特利量子通信网络
2012年6月，美国伯特利公司和瑞士ID Quantique公司合作，开始着手建立美国首个商用量子加密通信网络——伯特利量子通信网络。
伯特利量子通信网络的具体建设主要分为以下四个步骤：
1) 在实验室内对30公里至100公里的盘卷光纤量子密钥分发系统进行测试；
2) 在俄亥俄州的哥伦布市，使用现有的商用通信设备及商用光纤，连接测试位于两个不同位置的量子密钥分发系统，测试距离为25公里至50公里；
3) 2015年中下旬，在哥伦布市内使用商用光纤以及可信的节点结构，建立一个城域环形拓扑结构量
子密钥分发网络，并使其连接多个用户；
陈非凡等
4) 2016年，使用可信的中继结构及商用光纤，在哥伦布市与华盛顿特区之间建立一个长距离量子通
信骨干网络连接两地，位于首都华盛顿特区的伯特利办公室也将加入这个网络，该骨干网络的拓扑网络如图3所示。
2013年10月，在ID Quantique公司的帮助下，伯特利公司成功在公司总部所在地哥伦布市和位于俄亥俄州都柏林市的第二办公室之间建立起了量子保密通信网络，全场约为12英里，伯特利公司在这两个地方之间的金融、知识产权、图纸、设计以及其他机要通信数据都受到量子网络的保护。2014年初，伯特利量子网络的第一阶段已经完成，其测试系统位于俄亥俄州哥伦布市的伯特利公司总部。
2.5. 美国NASA量子保密通信干线
2012年，美国国家航空航天局(NASA)联合澳大利亚Quintessence Labs公司提出建设量子保密通信干线，其光纤线路由洛杉矶喷气推进实验室到NASA的Amess研究中心，其规划包含星地量子通信、无人机及飞行器的量子通信链接。美国NASA建设的量子保密通信干线包括陆地CV-QKD (Continuous Variable Quantum Key Distribution)网络和自由空间CV-QKD网络。其中，陆地QKD网络部分在美国能源部能源科学网络(Energy Sciences Network)的暗光纤骨干网上运行。该陆地QKD网络由洛杉矶和加州湾区的杰尼维尔之间长达550公里的光纤进行连接，量子密钥分发与经典通信共享光纤流量，并且在量子通信中使用了密集波分复用技术。该保密干线主要使用短距离的量子中继器、长距离的量子转发器，以及光路由器。
自由空间CV-QKD网络建立了城市间的量子通信链路，包含与无人驾驶飞机和航天飞机之间的自由空间链路，以及与卫星之间的自由空间链路，同样也包括自由空间与光纤链路的光连接点。
3. 欧洲量子保密通信网络发展
3.1. 欧洲SECOQC量子通信网络
欧洲SECOQC量子通信网络(Secure Communication based on Quantum Cryptography)于2003年开始设
Figure 3. A long-distance metropolitan quantum communication network
based on trusted relay nodes
图3. 基于可信中继节点的长距离城域量子通信网络
陈非凡 等
计，2004年开始建设，2008年，由英国、法国、德国、意大利等欧洲国家在奥地利首都维也纳成功建成。该量子通信实验网络集成了单光子、纠缠光子和连续变量光子等多种量子密钥收发系统，使西门子公司总部和其子公司之间建立了量子通信连接。
图4为整个SECOQC 量子通信实验网络的结构示意图。其中，6个网络节点之间通过8条点对点量子密钥分发系统相互连接[3]。SECOQC 量子通信实验网络的8条链路中，有7条是光纤信道，最长为85 km ，平均链路长度为20~30 km ，可确保在25 km 光纤链路上安全密钥率每秒钟超过1 Kb 。
如图5所示，SECOQC 量子通信实验网络采用的是建立可信中继节点方式连接多个子网实现量子保密通信。基于可信中继网络及中间层的技术，SECOQC 量子保密通信网络可以做到应用层与底层密钥生成设备无关。只要密钥生成设备满足SECOQC 量子网络的接口规范，它可作为可信中继网络的节点进行接入。
SECOQC 量子通信实验网络建立之后经过了一个月的测试，能够稳定运行。在运行过程中该量子通信实验网络也成功演示了定时更新密钥的AES 加密算法(Advanced Encryption Standard)对VPN
Figure 4. SECOQC Schematic diagram of experimental network connection
图4. SECOQC 实验网络连接示意图
Figure 5. SECOQC Quantum secure communication network structure diagram
图5. SECOQC 量子保密通信网络结构图
陈非凡等
(Virtual Private Network)进行加密的实验，检验了IP电话机和基于IP的视频会议系统的可靠性，实现了现有条件下的远距离、高安全通信。
SECOQC量子通信实验网络的缺点是，不能应用于目前广泛存在的通信网络，该网络只能在所有中继节点均完全可信的情况下才可运行。
如表1，欧洲SECOQC量子通信网络和美国DARPA量子密钥分发网络，在量子密钥的分配手段上有所不同。
3.2. 瑞士日内瓦量子通信网络
2009年，瑞士日内瓦量子城域网开始运行。该网络以三个节点为主体，每个主节点又分为两个子节点，构成了三条端到端的链路，最长的为17.1公里，最短的为3.7公里。该网络的节点分别位于瑞士和法国，是世界上第一个国际量子通信网络。
该网络由虚拟局域网监控，每条端到端的链路均有一个虚拟局域网。此外，还有两个防火墙，分别用来阻止非法用户通过网络连接服务器和限制访问管理网络。每个端到端链路均包括一对商用量子密钥分发设备id5100，该设备基于Plug & Play结构，网络运行标准为BB84协议或者SARG协议，用于密钥提纯，每次筛选的密钥约为125万~175万比特。
3.3. 西班牙马德里量子通信网络
2008年11月，Computing学院量子计算与信息研究所开发出了马德里量子保密通信网络。2010年，该网络被部署在西班牙各城市之间的通讯网络中。
该网络包括骨干网与接入网。与美国国家标准技术局(NIST)量子通信网路相比较该网络骨干网的量子信道使用1550纳米波长，经典信道使用1470纳米和1510纳米波长(如表2)。而其接入网使用GPON (Gigabit Passive Optical Network)标准，通信过程使用诱骗态BB84协议，信道容忍的损耗为15 dB，每秒密钥生成率为几比特。在误码率为零的条件下，该网络传输速率最高为每秒100 Kb。在骨干网端到端的测试中，当距离为6公里时，密钥生成率为每秒500 b，距离为10公里时，密钥生成率为每秒100 b。各个信道之间的串扰比较严重，距离增加到4.5公里时，系统已不能生成安全密钥[1]。
Table 1. Comparison diagram of quantum network distribution mode
表1. 量子网络分配方式对比表
名称采用量子密钥分发手段
美国DARPA量子密钥分发网络光纤信道的相位调制量子密钥分发、光纤信道的纠缠光源量子密钥分发和自由空间量子密钥分发技术
欧洲SECOQC量子通信实验网络“即插即用”量子密钥分发；单向相位编码诱变态BB84协议系统；基于弱相干光的COW时间编码量子密钥分发；基于偏振纠缠光子对的系统(ENT)；基于高斯调制的相干态，采用RR协议的连续
变量量子密钥分发系统(CV)；短距离自由空间诱骗态BB84系统。
Table 2. Quantum network distribution diagram
表2. 量子网络对比表
名称经典信道量子信道特点
西班牙马德里量子通信网络1470 nm和1510 nm 1550 nm
1.各个信道之间的串扰比较严重
2.该网络能够满足256比特AES加密的密钥更新速率。
美国国家标准技术局(NIST) 量子通信网络1550 nm 850 nm
1.利用HI780纤维具有空间滤波器的功能，用来消除混杂在
1550 nm纤维中的850 nm高模式成分
2.采用编程可控的偏振控制器补偿偏振在光纤中的传输变化
陈非凡等
3.4. 法国巴黎量子通信网络
SECOQC项目结束后，夏尔·法布里实验室把CV QKD研究成果转移到巴黎高等电信学院的量子信息小组，该组同时成立SeQureNet公司。与巴黎高等电信学院的量子信息小组共同推动CV QKD的发展。理论方面，该组近年来给出了一系列的CV QKD理论安全方面最前沿的证明。实用化领域，该小组提出的多维协商后处理方案以及使用在低信噪比的纠错码已经在CV QKD研究领域被广泛使用。
2011年SeQureNet公司使用CV QKD设备配合传统AES加密设备在实际20 kM光纤链路上稳定运行长达6个月。
2013年SeQureNet公司实现了80公里范围内CV QKD传输距离的突破。期间，巴黎高等电信学院的量子信息小组还致力于CV QKD的研究，诸如CV QKD实际设备安全性和经典光网络融合。该小组将继续与巴黎高光所进行合作开展芯片集成和自由空间CV QKD的研究。
2014年法国政府在巴黎创立了巴黎量子计算中心(Paris Center for Quantum Computing，简称PCQC)，将法国国家科研中心(CNRS)，巴黎高等电信(Telecom ParisTech)，INRIA巴黎，巴黎六大，巴黎高光所(Institutd’ Optique)，法国原子能研究署(CEA)等法国顶尖研究机构联系起来，进行量子物理理论，量子通信，量子计算等方面的研究。
2016年5月中旬，欧盟宣布投资10亿欧元启动Quantum Flagship计划，促进量子通信技术的研发。
3.5. 英国量子通信网络
2014年，英国在Birmingham，Glasgow，Oxford and York四所大学设立量子中心用于量子保密通信的研究。同年，英国电信和东芝两家公司于东芝研究实验室，共同在常规光纤通信网络上整合量子保密技术，首次成功地将量子密码学搭载于10 Gbps数据传输信号的光纤上传输[4]。
2016年底，东芝研究实验室发现量子密钥分发以及100 Gbps数据亦可融进该光纤。
英国电信与东芝欧洲研发中心亦在合作打造英国量子网络。连接BT阿达斯特拉尔科技园和剑桥科技园的线路已于2017年上半年完工。
4. 日本量子保密通信网络发展
日本政府从2001年开始，先后制定了以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略和量子信息通信技术发展路线图，量子信息被确定为21世纪的国家战略项目，日本国家情报通信研究机构(National Institute of Information and Communications Technology，简称为NICT)为该项目的主要攻研机构。同年，该机构开始对量子信息通信项目中量子通信基础设施方面的研究。
而后，NICT建成东京量子密钥分发系统。该系统最远通信距离为90公里，最快的节点间通信速率达到了每秒304 kb，在全网络上可进行视频通话[5]。
2010年10月，日本在NICT的JGN2plus宽带网络上，开发出了安全性强的以量子保密为原理的多点电视会议系统。该系统用于国家级的保密通信，和重要基础设施的监控和通信，也可实际应用于金融领域的保密通信。
2010年，日本NITC与一些外国量子领域的研究机构合作，正式建成东京4节点城域量子通信网络并在该量子网络上开展了绝对安全的视频传输、窃听检测以及二次安全链路的重路由等关键技术的演示[6]。
2011年9月，日本在东京量子密钥分发网络建立了新的试验床环境“JGN-X(JGN-extreme)”。自此日本NITC有关量子领域的研究实验进入第三阶段中期。如图6所示。
2016年3月，NICT项目第三阶段完成，开展量子密码网络的实用化应用。
东京量子实验网络由四个节点构成，如图7所示，节点之间由商用光纤线缆连接，包括许多接续点
陈非凡 等
Figure 6. The research route of NICT
图6. NICT 研究路线
Figure 7. Tokyo quantum key distribution network node geographical distribution
图7. 东京量子密钥分发网络节点地理分布
和连接器，特点是网络损耗高且易受环境波动影响。该网络基于可信节点而建，并实验检测了电视会议和移动电话在该网络上的安全性。
东京量子实验网络融合了六套量子密钥分发系统，最远传输距离达到90公里，主要采用了包括诱骗态BB84协议、BBM92协议、SARG 协议和差分相位协议在内的四种协议。图8为该通信网络的逻辑拓扑结构示意图。该网络采实现了在长达45公里的距离内进行安全有效的视频会议[1]。除此之外，该网络还开启了包括一个量子通信手机的应用接口作为创新。
东京量子网络主要在量子密钥分发系统的稳定性、应用平台、小型化装置和长期运行等方面进行了研究，其研究包括了在不同环境下的量子密钥分发系统稳定性技术、供电技术以及系统自动恢复技术等重要项目。该网络还建立了以量子密钥分发网络器件为基础的主动反馈机制，完成了应用平台的安全性保障、特定的身份认证以及长期运行性能的测试。
5. 中国量子保密通信网络发展
5.1. 北京四节点波长路由量子网络
2007年，中国科学技术大学的郭光灿院士研究团队发明了基于波分复用器的多波长量子路由器，并基于此路由器建立了全时全通的量子密钥分发网络。随后，该小组又设计出了波长节约型量子路由器，与之前的全时全通型量子路由器相比，可节省一半的波长资源，有效地提高了波长资源的使用效率，降
陈非凡 等
低了量子密钥分发网络的建设成本。同年，郭光灿院士团队在北京市网通商业光纤上成功实现了4用户的城域量子光纤网络(如图9)。用户之间的距离最短约为32公里，最长约42.6公里。并在该网络上完成了加密的多媒体通信实验[7]。
5.2. 芜湖量子政务网
2009年，郭光灿院士团队在安徽省芜湖市建成了多层级的“量子政务网”，如图10所示，该网络采用了波长节约量子路由器。量子密钥分发网络骨干网四个节点分布在芜湖市科技局、市经委、总工会和电信机房，量子密钥分发子网的三个节点分布在质监局、招商局和电信机房，可信中继设置在电信机房，全时全通量子路由器和程控量子交换机均放在电信机房内该量子网络在同一系统中应用了3种组网技术[8]。
通过该网络可以完成任意两点之间的量子保密的通信过程，并可以满足视频保密会议和大量公文保密传输的需求，有很高的安全性。
5.3. 合肥三节点和五节点量子电话网络
2008年，潘建伟院士团队基于诱骗态建立了一个“三节点量子安全通信网络系统”，该系统是以商业光纤网络为基础建成的。在系统的三个节点中，任意两个相邻的节点均由长约20公里的商用光纤相连，
Figure 8. Tokyo quantum key distribution network logic topology
图8. 东京量子密钥分发网络逻辑拓扑结构
Figure 9. NIST Three-node quantum secure communication network structure
图9. NIST 三节点量子保密通信网络结构
陈非凡 等
实时进行全密钥交换与协议应用[9]。系统所生成的量子密钥在通信中可被立即使用，实现了三节点中任意两个通信节点之间的实时语音保密通信，以及从一个节点至另外两个节点的“一次一密”实时网络对讲。
图11为三节点量子电话网的体系结构，两套诱骗态量子密钥分发系统分别安置在滨湖–中科大线路与中科大–杏林线路上。其中滨湖–中科大线路上的最终成钥速率大于每秒1.6 Kb ，误码率约为1.6%；中科大–杏林线路上的最终成钥速率大于每秒1.5 Kb ，误码率约为1.4%。该系统为世界上首个三节点光量子电话网。
2009年9月，潘建伟院士团队以三节点量子电话网为基础，利用自主研发的光量子程控开关，成功组建了“五节点全通型量子通信网络”。五节点全通型量子通信网络包括四个全通节点以及一个中继附
Figure 10. Qiang hu quantum government network
图10. 羌胡量子政务网
Figure 11. Architecture of three-node quantum telephone network
图11. 三节点量子电话网的体系结构
陈非凡等
加节点。
中继附加节点位于中科大，四个全通节点分别位于中国科学技术大学、万安、美兰以及肥西。为了将位于中科大的节点模拟为远程独立节点，一条长为10公里的环形地下光缆从中科大发出，最终回到中科大。位于肥西县的节点与中科大节点大约相距60公里，在该节点移至桐城市后，其与中科大节点相距约130公里，最后经过进一步的连接实验，该系统的最终成钥速率大于每秒1.2 Kb，误码率低于2%，基本上实现了城际量子通信保密。
与三节点量子电话网相比，五节点全通型量子通信网络(如图12)的实用量子通信系统的有效通信距离与覆盖面积已达到城市范围。
5.4. 合肥46节点量子城域网
2012年2月，合肥市的城域量子通信实验示范网成功建成并投入试运行阶段，合肥市成为全国乃至全球首个拥有规模化量子通信网络的城市[10]。2012年3月，46个节点的城域量子通信网络搭建成功。该网络位于合肥市主城区，使用的光纤总长约1700公里，通过了6个接入交换和集控站，连接着40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。该网络能够提供量子安全下的实时语音通信、实时文本通信以及实时文件传输等功能[11]。
截至2015年底，合肥量子城域通信网络通信正确率达到99.6%，超过了当时的移动通信正确率水平。
5.5. 合肥–六安–舒城城际量子通信网
2012年5月，潘建伟院士团队实现了合肥–六安–舒城近170千米的城际量子通信。该量子通信网
Figure 12. Architecture of a five-node quantum telephone
network
图12. 五节点量子电话网的体系结构
陈非凡等
络使用的是上海微系统所研制的4通道SNSPD系统，其在1550纳米光纤通信波长和10赫兹暗技术条件下，系统的量子效率达到4% [12]。
5.6. 量子保密通信“京沪干线”
“京沪干线”项目于2014年1月被正式提上日程，项目计划连接山东“济南量子通信试验网”和安徽“合肥城域量子通信试验示范网络”，从而建成连接北京到上海总长2000余公里的国际首个广域光纤量子保密通信网络并进行安全性测评2016年底，“京沪干线”完成全线贯通和星地一体化对接。2017年8月底，完成了全网技术验收。2017年9月，“京沪干线”正式开通，如图13所示。
目前，“京沪干线”全线路密钥率大于20 kbps。量子卫星兴隆地面站到北京接入站点全线密钥率大。
于5 kbps，运行效果良好[13]。
中国京沪干线与美国的量子保密干线不相同，这尤其体现在中继器的选取上。如表3。
5.7. 洲际量子保密通信
2017年9月，中国“墨子号”量子卫星与奥地利地面站的卫星进行了量子通信。中国通过“京沪干线”北京中继接入点，实现了北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐南山地面站和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议与地理地面站的量子通信，这是世界上第一次洲际量子通信。
6. 总结与展望
目前，量子保密技术正在稳步发展，量子通信技术的实用化进程正在加快。2018年，《物理学报》刊载介绍了基于光量子态避错及容错传输的量子通信，《电信科学》刊载提出了量子保密通信的国产密
Figure 13. Schematic diagram of “Beijing-Shanghai line” quantum communication
network
图13. “京沪干线”量子通信网络示意图
Table 3. Comparison table of Beijing-Shanghai line and American quantum secret line
表3. 京沪干线与美国量子保密干线对比表
开通年份总长度中继器全线秘钥率起止点中国京沪干线2017 大约2000 km 可信中继>20 kb/s 北京–上海
美国NASA量子保密干线2012 550 km 量子中继- 洛杉矶–杰尼维尔
陈非凡等
码服务云平台建设思路；《海洋科学》刊载介绍了量子无线通信技术在海洋环境监测中的应用。可见，量子通信技术已经成为当今时代的重要攻研领域，不得不引起世界各国的重视。
通过对量子保密通信网络和各国量子信息技术发展计划分析总结，可以预见，未来量子通信网络的发展大致有如下特点：
1) 以目前普遍应用的光纤网络为基础，创建可拓展的量子通信通道；
2) 将支持多种通信协议兼容，多种量子网络形式共同发展；
3) 将更加注重于量子通信的实际层面的研究，例如量子通信在金融，政务领域的应用；
4) 向移动通信领域发展，比如量子保密通信手机；
5) 逐步建立起连接多个城域网的量子城际网络和基于卫星的全球量子通信网络，例如中国的“京沪干线”的创建模式。
量子保密通信技术作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，在商业领域，国防建设，军事保障领域等方面都极具战略意义。量子保密通信技术多领域，多层面的发展特征越来越突出，未来，量子保密通信更将成为连接电子，通信技术，计算机科学，应用物理学等学科的关键中介点。不论是对于学科理论发展还是现实科技建设，都具有重要意义。
基金项目
国家自然科学基金项目(U1204602)，数学工程与先进计算国家重点实验室开放课题项目(2013A14)。
参考文献
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量子保密通信案例介绍
量子保密通信案例介绍 1、金融领域 通过与中国人民银行和中国银监会合作，开展了金融行业量子保密通信应用，包括同城数据备份和加密传输、网上银行加密、异地灾备、监管信息采集报送、人民币跨境收付系统应用等，并在银行、证券、期货、基金等行业成功开展了应用示范。特别是银行业，已经形成了一批典型示范用户，包括工商银行、中国银行、建设银行、交通银行等国有大型商业银行，民生银行、浦发银行等全国性股份制商业银行及北京农商行等其他商业银行。 中国银监会组织的京沪干线量子保密通信应用在同城数据备份和加密传输应用方面，工商银行、交通银行、北京农商行，浦发银行、民生银行、东方证券、国泰君安期货、华安基金等金融机构已经常态化应用。
在网上银行加密方面，交通银行、工商银行已经常态化应用。2017年2月，交通银行首次把量子保密通信技术应用于企业网银用户的实时交易，通过量子保密通信的高安全性保障客户对资金安全的高要求，标志着量子保密通信从服务银行内部数据安全向为第三方客户提供高等级安全服务跃迁。 在异地灾备方面，交通银行、中国银行、工商银行已常态化应用。2017年2月工商银行率先基于“两地三中心”的数据中心体系，利用量子保密通信技术，将工商银行网上银行业务数据从北京西三旗数据中心通过量子保密通信技术实时传输到上海嘉定和外高桥数据中心。 工商银行异地灾备量子保密通信应用 在监管信息采集报送方面，中国银监会将量子保密通信技术应用于银监会与各相关银监局、各相关银行之间的监管信息数据采集报送系统。2015年7月，银监会与民生银行、银监会与北京银监局之间的监管信息采集系统建设完成并投产。该系统每日进行一次报送，每
广州市电子政务量子保密通信服务(一期)项目
广州市电子政务量子保密通信服务（一期）项目 需求文件 一、项目概况 （一）采购项目编号：GZIT2019-B1-634 （二）采购项目名称：广州市电子政务量子保密通信服务（一期）项目 （三）采购项目预算金额：人民币10,000,000元/年，服务期三年。 最高限价：人民币10,000,000元/年。 （四）采购数量：1项 （五）采购内容：本期项目选取一家量子保密通信网络服务供应商，依托服务商建设的广州量子保密通信网络基础设施为广州市电子政务网提供量子城域网接入、量子密钥生成分发、量子密钥加解密等量子保密通信服务。租用量子保密通信网络服务3年，实现为广州市电子政务网不少于20 个（含20个）网络节点提供量子保密通信网络试点应用。 （六）项目工期要求： （1）中标人与采购人签订合同后，中标人应在180个自然日内完成量子保密通信网络系统建设，完成采购人指定的用户节点接入，具备提供服务的能力。 （2）项目服务期为3年，服务期由完成采购人指定的量子保密通信网络用户节点接入并开通运行正式提供服务（以书面确认为准）之日起计算。 二、项目需求描述 2.1项目背景概况 广州市信息安全测评中心(加挂广州市电子签名中心)，致力于推进我市网络信息安全治理体系建设，逐步完善我市信息安全基础设施和治理手段，为我市信息化发展提供可控可靠、集约化的信息安全公共服务。服务方向以电子政务公共信息安全保障为立足点，同时又面向智慧城市、工业控制、移动互联网、云计算、公众隐私保护以及其它涉及国计民生、社会稳定和国家安全等领域的网络和信息安全公共服务。 量子通信技术是量子信息科学技术的一个重要分支，经过30多年的发展，已经在量子密钥分发上形成了实用化落地。我国已将量子信息技术提升至国家战略高度，量子通信已
经典保密通信和量子保密通信区别
经典保密通信和量子保密通信区别 摘要：文章介绍了经典保密通信和量子保密通信区别，说明了两者的根本区别。经典保密通信安全性主要是依赖于完全依赖于密钥的秘密性，很难保证真正的安全。而量子密码通信是目前科学界公认唯一能实现绝对安全的通信方式，其主要依赖于基本量子力学效应和量子密钥分配协议。最后分析量子保密通信的前景和所要解决的问题。 关键词:量子通信、经典保密通信、量子保密通信、量子通信发展、量子通信前景 经典保密通信 一般而言，加密体系有两大类别，公钥加密体系与私钥加密体系。密码通信是依靠密钥、加密算法、密码传送、解密、解密算法的保密来保证其安全性. 它的基本目的使把机密信息变成只有自己或自己授权的人才能认得的乱码。具体操作时都要使用密码讲明文变为密文，称为加密，密码称为密钥。完成加密的规则称为加密算法。讲密文传送到收信方称为密码传送。把密文变为明文称为解密，完成解密的规则称为解密算法。如果使用对称密码算法，则K＝K’ , 如果使用公开密码算法，则K 与K’不同。整个通信系统得安全性寓于密钥之中。公钥加密体
系基于单向函数(one way function)。即给定x，很容易计算出F (x)，但其逆运算十分困难。这里的困难是指完成计算所需的时间对于输入的比特数而言呈指数增加。 另一种广泛使用的加密体系则基于公开算法和相对前者较短的私钥。例如DES (Data Encryption Standard, 1977)使用的便是56位密钥和相同的加密和解密算法。这种体系的安全性，同样取决于计算能力以及窃听者所需的计算时间。事实上，1917年由Vernam提出的“一次一密乱码本”(one time pad) 是唯一被证明的完善保密系统。这种密码需要一个与所传消息一样长度的密码本，并且这一密码本只能使用一次。然而在实际应用中，由于合法的通信双方(记做Alice和Bob)在获取共享密钥之前所进行的通信的安全不能得到保证，这一加密体系未能得以广泛应用。 传统的加密系统，不管是对密钥技术还是公钥技术，其密文的安全性完全依赖于密钥的秘密性。密钥必须是由足够长的随机二进制串组成，一旦密钥建立起来，通过密钥编码而成的密文就可以在公开信道上进行传送。然而为了建立密钥，发送方与接收方必须选择一条安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，从技术上来说，真正的安全很难保证，而且密钥的分发总是会在合法使用者无从察觉的情况下被消极监听。 量子保密通信 量子密码学的理论基础是量子力学，而以往密码学的理
量子保密通信系统及其关键技术的研究
量子保密通信系统及其关键技术的研究 【摘要】：量子信息学的研究发现，如果能通过量子态编码来传送密码信息的话，那么依据量子力学不确定性原理，任何对量子载体的测量或复制行为都将改变原量子态。这为我们提供了一种主动发现窃听者的方法，即量子保密通信。与任何传统密码术都不同的是，它借助于自然法则的威力，从根本上杜绝了非法窃听的可能性，将为人们提供一种“无条件”的安全通信方法。本文工作致力于量子保密通信技术初步实用化的研究，目标是探索量子密钥分发的新方案与新技术，并完成长距离长期稳定的光纤型量子密钥分发系统。在量子密钥分发方案研究方面，我们主要着力于提高保密通信的稳定性和成码率。因而我们首先提出了基于Sagnac干涉仪的量子保密通信方案。该方案巧妙地使用了环形光路的结构，不借助任何主动或被动元件就可以自动补偿相位抖动；采用分时相位调制技术控制单光子干涉，密码交换方法简单可靠。是目前为数不多的利用双向自动补偿而实现稳定传输密钥的长距离保密通信方案之一。本论文还提出了法拉第反射镜与相位差分方案结合(“PhlgPlay”+DSP)的量子密钥分发方案。该方案通过相位调节伺服系统和往复光路补偿技术，能够有效地克服单光子单向传输过程中的相位抖动和偏振模式色散(PMD)等问题，具有高稳定性；并结合Yamamoto等人提出的相位差分编码方法，能够实现高达2／3的密钥成码率。该方案还具有很强的可扩展性。在不改变总体结构的情况下，仅仅通过增加部分光路元件的方法就可以使密钥成码效率提
高到(n-1)／n(n=3，4，5，…)，是一种有潜力的新方案。围绕量子保密通信系统的研究，我们发展了一系列关键性的技术。在单光子探测方面，我们提出了多种单光子探测的技术方案。解决了APD光纤耦合、低温制冷控温(-50℃--110℃)等技术难题，研制出实用化的单光子探测器，并成功应用于单光子干涉实验和量子保密通信系统中，为红外单光子信息处理等领域提供了高灵敏的探测手段。其核心指标，暗计数率与量子效率的{确要比值(Pd/几)超过商售同类产品一个数量级。为解决相位差分编码方案中时间信息检测的问题，找们提出了一种基于多重探测门(multi一gate)的单光子11寸序检测器(Timediseriminator)。一般认为，山于InGaAS雪崩光电二极管的后脉冲发生机率较大，不适于快速的时间探测。而实验中我们恰恰不lJ 用了发生在{i汀后相继的多个脉冲门中的后脉冲来帮助识别单光子时间信息，为近红外单光子时序检测提供了一种有效方法。在单光子十涉和单光子操控的研究中，我们提出并实现了华十光纤S雌11ac 干涉仪的长距离单光子干涉和单光子路山实验。在50公啾的光纤环路中获得的单光子干涉可见度达到95%;基于s雌11ac二卜涉仪的长距离单光子路山器有望应运于单光子量子信息研究。我们还发展了偏振量子随机源技术，首次将USBZ.O数据接口应用于高速光量子真随机信号发生器，实现了“即插即用”的功能。该系统使用简便，随机码的采样速率可达SMHZ，随机数的序列相关性达到10一“量级，单字节嫡值不小于7.99;将为量子保密通信的安全性提供有力保障。该随机信号发生器也适用于经典密码学和模拟计算等其它领域。最后，采
量子保密通信
量子保密通信实验 引言 自古以来,人们就希望各种保密的信息能安全地交流,于是便发明了各种密码术。但是随着加密方法的公开和科技的发展,各种加密方法都面临着被轻易破解的危险:如古老的凯撒密码就可以通过字频分析结合穷举法实现破解;而现在应用的最为广泛的RSA公钥密码体系理论上已被证明可以用Shor算法实现破解。迄今为止,只有一次一密的加密方案在理论上被证明是理想安全的。随着信息安全日趋重要,怎样保密通信已成为当今最为紧迫的问题之一。一次一密的加密方案安全性毋庸置疑,然而如何找到一条安全的途径,实现大量的密钥分发又成为一个关键的问题。于是基于量子不可克隆定理的量子密码学应运而生。量子密码学不仅是一门科学,而且是一门精巧的通信艺术。通过量子密码实验系统,不仅可以让我们直观的理解BB84协议和了解量子保密通信,并且可以进一步以此作为平台,进行一系列的科学研究。 实验目的 1. 学习使用BB84协议实验中常用的仪器设备 2. 理解量子保密通信实验中BB84协议理论 3. 观测量子保密通信实验中的成码率，误码率，加密解密效果 实验原理 BB84协议是Charles H. Bennett 与 Gilles Brassard 1984年提出的描述如何利用光子的偏振态来传输信息的量子密钥分发协议:发送方Alice和接收方Bob用量子信道(如果光子作为量子态载体,对应的量子信道就是传输光子的光纤)来传输量子态；同时双方通过一条公共经典信道(比如因特网)比较测量基矢和其他信息交流,进而两边同时安全地获得和共享一份相同的密钥。 BB84协议基本条件首先是拥有一个量子信号源，并可以随机地调制产生两套基矢总共四种不同的量子态信号；其次，调制后的量子信号可以通过一个量子信道如光纤或者自由空间来进行传输；再次，接受到的量子信号可以被有效地测量，其中测量所用的基矢也是随机选择的，同时需要一个辅助的经典公共信道可以传输经典的基矢对比等信息。另外该经典公共信道要求是认证过的，任何窃听者虽
全球量子保密通信网络发展研究
Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2018, 8(10), 1628-1641 Published Online October 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/6617482272.html,/journal/csa https://https://www.360docs.net/doc/6617482272.html,/10.12677/csa.2018.810179 Development Analysis on Global Quantum Secure Communication Network Feifan Chen1, Xinyu Hu1, Yinghao Zhao1, Yongzhan Hu2, Zhengzheng Yan1, Hongxin Li1,3 1PLA Strategic Support Force Information Engineering University, Luoyang Henan 2Zhengzhou Audit Center, Zhengzhou Henan 3State Key Laboratory of Cryptology, Beijing Received: Oct. 7th, 2018; accepted: Oct. 22nd, 2018; published: Oct. 30th, 2018 Abstract With the popularization of international Internet technology and the rapid development of quantum information technology, the construction of quantum secure communication networks (QSCN) has received extensive attention and the strategic significance of developing quantum secure commu-nication technologies is becoming more and more important. This paper introduces and analyzes the construction of QSCN in major quantum R & D countries and regions such as the United States, the European Union, Japan and China around the world over the past decade in details. It re-searches and compares the pivotal technology used in the construction of typical QSCN. And the development trends and characteristics of future QSCN are summarized and forecasted. Keywords Quantum Cryptography, Quantum Private Communication, Quantum Communication Network, Quantum Key Distribution 全球量子保密通信网络发展研究 陈非凡1，胡鑫煜1，赵英浩1，胡勇战2，闫争争1，李宏欣1,3 1中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，河南洛阳 2郑州审计中心，河南郑州 3密码科学技术国家重点实验室，北京 收稿日期：2018年10月7日；录用日期：2018年10月22日；发布日期：2018年10月30日 摘要 随着国际互联网技术的普及和量子信息技术的飞速发展，量子保密通信网络建设受到了广泛关注，发展
量子保密通信在电力通信中的应用
量子保密通信在电力通信中的应用 发表时间：2020-03-16T15:25:20.777Z 来源：《电力设备》2019年第20期作者：陈冠晟 [导读] 摘要：量子保密通信作为新时代的产物，有着传统保密模式难以比拟的优势，若将量子保密通信应用在电力通信当中，电力通信将获得绝对性的信息安全保障。 （广东电网有限责任公司江门供电局广东江门 529000） 摘要：量子保密通信作为新时代的产物，有着传统保密模式难以比拟的优势，若将量子保密通信应用在电力通信当中，电力通信将获得绝对性的信息安全保障。对此，本文以量子保密通信为研究对象，简单介绍量子保密通信的相关内容，阐述国内外量子保密通信技术在电力通信中的应用现状，分析当前应用存有的不足之处，并提出相应优化策略，希望能够进一步提升量子保密通信在电力通信的应用力度，为我国电力通信领域的各类信息提供强有力的安全保障。 关键词：量子保密通信；电力通信；应用现状 一、量子保密通信的相关内容 （一）量子保密通信的简单介绍 量子保密通信是以量子密钥分发技术为基础，其最大优势在于安全性能佳、失真度较低，从上个世纪九十年代初第一个量子密钥问世以来，量子保密通信便风靡国际，在国内外都得到了迅猛发展。在量子保密通信发展的三十多年间，通过科研人员大量的实验，现在的量子保密通信技术已经逐步走向成熟，理论及实验等方面都较为完善，当下实用化最强的则是量子信息技术。 （二）量子保密通信与电网通信之间的关联 电网通信关系到国民经济的发展，是各行各业发展及人们日常生产的关键，因此，电网通信的安全性至关重要，将直接影响国家能源安全以及国民经济的发展。 随着国民经济发展进程的不断加快，我国电网通信的整体规模也随之不断扩大，过去电网通信的保密工作主要是依赖计算复杂程度，以来计算复杂程度的安全隐患也接踵而来：科技水平的不断发展促进了人们计算机水平的提高，由许多过去难以破解的计算难题都被逐一破解，当前尚未破解的计算难题在未来存在被破解的风险，一旦计算难题被破解，电网通信不再具有安全性与保密性，后果将不堪设想，例如2015年乌克兰电力部门的电网通信遭到了黑客恶意攻击导致乌克兰大面积停电，停电期间许多行业都被迫停业，造成了巨大的经济损失。 量子保密通信技术作为信息化时代的新兴产物，有“海森堡测不准原理”和“不可克隆原理”作安全保障，其安全性是传统以计算复杂程度为依托的保密工作无法比拟的；另一方面，电网通信对安全性有特殊的要求，且随着科技的发展，今后电网通信对安全性的要求只高不低，传统保密工作将很难适应电网通信的发展需要，综上所述，量子保密通信工作是当下最适合电网通信安全的保密技术。 二、量子保密通信在电网通信的应用现状 量子保密通信具有高效、安全等特点，广阔的应用领域及应用前景吸引了众多的眼光，国际上有许多国家都纷纷加入量子保密通信的实验队伍，国际上赫赫有名的上市公司也同样前仆后继，有部分国家甚至成立了相关的实验机构，从国际对待量子保密通信的态度不难看出其商业价值及应用空间。 （一）国外的应用现状 美国早在2012年便有相关团队研究出将量子保密通信系统应用在电网通信系统当中，随之展示出了加密成果及控制指令，成功的开发出了相关的保密系统，随后将该保密系统应用在某高校的可信网络基础设施的电网系统中；同年，M2M即“可实现不间断机器之间的”相关服务问世，并广泛应用在电网系统的安全通信当中；近些年来，国外许多著名公司都专注于量子保密通信的应用工作当中，投入了大量的研发成本与研发精力，还有许多知名公司如美国“OakRidge”实验室及“IDQ”公司共同联合展开相关实验项目。 （二）国内的应用现状 “十二五”以来，量子保密通信作为我国重点发展的前沿技术，已经被列入我国《中长期科学和技术发展规划纲要》当中，在电网通信方面的应用力度更是只多不少，“中国电科院”与“中科大”两大研究团队都相继开展了相关科研工作，在电网通信系统中安装相关量子保密通信系统，将最终成果与传统保密系统相比较，提出传统保密系统存在的不足之处，并制定相关的改善措施；在2015年，“中国电科院”与“中科大”共同致力于建设绝对安全、保密的电网通信，展开了“电力工业量子通信网”的研发工作，我国首次搭建电力工业量子通信网，这是极具意义的重大事件，相信在不久的将来我国一定能够突破当下的发展瓶颈，实现绝对安全、绝对保密的电网通信。 三、电网通信应用量子保密通信的相关内容 （一）量子保密通信的主要应用方向 第一，利用量子保密通信保障电力业务，建议在电网通信系统中布置相关的量子保密通信链路，保证业务数据、管理数据等信息的安全传输，为重要场合的用电安全提供极大的安全保障；第二，利用量子保密通信调度电力业务，建议在电网通信系统的相关防火墙外设置相关保密技术，对其展开加密保护，杜绝恶意代码入侵事件的风险；第三，利用量子保密通信提高配电业务的安全性与保密性，建议制定相关量子密钥管理方案及操作流程，要周期性更换量子密钥，确保量子密钥的随机性；第四，应用在容灾备份方面，利用量子保密通信加强数据与数据之间的共享力度，并进一步强化数据传输的安全性能。 （二）应用量子保密通信的优势及存有的不足之处 优势：量子保密通信的安全性能极高，在电网通信中应用量子保密通信便可以绝对性的杜绝窃听，且量子保密通信具备不可克隆原理，窃听者无法对未知量子展开克隆工作，为电网通信提供了极大的安全保障。 不足之处：虽然当下我国电网公司具有十分庞大的电网光线，同时具备十分强大的科研团队并且得到了国家的大力支持，但在量子保密通信应用方面，仍存在技术及管理方面的不足之处，这些不足之处严重束缚了量子保密通信的应用。 （三）优化建议 首先，建议电网公司务必要深入调研相关通信业务，要建立相应的信息系统安全生态表，根据不同效果划分安全等级，加强管理，明确不同程度的安全需要；其次，加大人才培养力度，可以加强与专业团队的合作力度，将有基础、有能力的人才送往学习，提高建设队伍各方面的软、硬实力；再次，建立相关的管理体系，确保量子保密通信系统应用具有一系列的标准规范。
揭秘量子保密通信一任何测量都无法穷尽量子信息XXXX0402.doc
揭秘量子保密通信一任何测量都无法穷尽量子信息20120402 2012年04月02日 12:38来源：大众科技报 E91量子通信协议示意图 林立 拿起电话，不用担心被窃听；通过网络传送一份保密文件，不用担心途中被窃取……随着社会的发展，人们对保密提出越来越多的需求，而各种保密通信体系也在不断地满足着这些需求。 近日，国家互联网应急中心相关负责人表示，我国已成为网络攻击最大的受害国。确保信息安全，成为摆在我们面前的严峻课题。 2009年，量子政务网、量子通信网相继在我国建成。这两个可投入实际使用的量子通信网络，标志着原本停留在纸面和实验室的量子保密通信，已经开始在人们的日常生活中一展身手。 什么是量子保密通信？ 保密通信分为加密、接收、解密3个过程：发送者将需要发送的内容通过某种加密规则（密钥）转化为密文；接收到密文后，接收者采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密，得到传输内容。 在整个通信过程中，如何保证密钥的保密性和不被破解是最为关键的问题。目前广泛用于网络、金融行业的密钥的安全性由数学计算来保证。 量子保密通信的过程与此类似，只是用微观粒子携带的状态信息作为加密和解密用的密钥。可不能小看这看似“微小”的变化，它使密钥的安全性发生了翻天覆地的变化。 因为量子密钥安全性不再由数学计算，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，窃听者只有逾越物理世界的法则才有可能盗取密钥。 而在当前看来，这几乎是不可能的任务。不仅如此，量子保密通信还使窃听者无处藏身。因为任何窃听行为都会扰乱传送密钥的量子状态，从而留下痕迹。
资料图：量子态隐形传输是一种全新通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。 如何实现量子保密通信？ 量子保密通信真正进入科学家的视野是在1984年。这一年，IBM华生实验室工程师本奈特（Charles Bennett）和布拉萨德（Gilles Brassard）提出了全新的BB84保密通信协议。量子的某些基本物理特性开始成为保密通信中的主角。 和其他的保密通信协议一样，本奈特和布拉萨德的方案中也有一个信息发送者爱丽丝和一个接收者鲍勃。不同的是，爱丽丝用光子的不同偏振态来传输密钥的键值。爱丽丝按照直线（上下或左右）或者对角线（与垂直呈45度夹角）偏振的方式发出携带着不同信息的光子。 鲍勃收到光子后，并不知道发送方式，只能随机选择测量方式。当他的测量方式与爱丽丝的相同时，就能得到正确的密钥值，如果测量方式错误，光子就有一半概率给出错误的密钥值。 最后，爱丽丝可以通过公开渠道告诉鲍勃正确的测量方式，从而筛选出正确的键值构成密钥。 如果有人企图窃听又会如何呢？按照海森堡测不准原理，任何测量都无法穷尽量子的所有信息。 因此，窃听者要复制一个完全相同的光子根本是不可能的事情。他只有在中途拦截光子进行测量，然后按照测量到的信息发送一个相同的粒子。
浅析量子保密通信技术及应用
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6617482272.html, 浅析量子保密通信技术及应用 作者：詹晓丹 来源：《科技信息·下旬刊》2018年第01期 摘要：量子保密通信相比传统通信拥有诸多优势，具有绝对安全和保密属性，是安全信息传输的终极解决方案，越来越受到国家、行业、企业的重视与关注，并逐步成为具有顶层战略意义的重要领域和发展方向。目前，我国量子保密通信技术和产业化已处于世界领先水平。本文将围绕量子保密通信技术原理、量子保密通信主要产品、组网和典型应用案例等几方面展开，进行阐述与介绍。 关键词：技术概述；主要产品；应用案例 引言 伴随着我国经济的飞速发展和综合国力的不断提高，高速、安全数据传输的需求正在不断增长。量子保密通信技术克服了传统信息安全技术内在的安全隐患，是目前唯一的安全性得到严格证明的通信安全技术，也是目前唯一实现了实用化、达到产业化水平的量子技术。 1量子保密通信技术概述 1.1 技术原理 量子保密通信是基于量子密钥分发的密码通信解决方案。其技术原理如下： （1）量子密钥分发采用单个量子（通常为单光子）作为信息载体。 （2）窃听者可以在截取单光子后测量其状态，根据测量结果发送一个新光子给接收方。但根据量子力学中的海森堡测不准原理，这个过程会引起光子状态的扰动，发送方和接收方可通过一定的方法检测到窃听者对光子的测量，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。 （3）量子力学的不可克隆原理，保证了未知的量子态不可能被精确复制。 （4）量子密钥分发方法自动地保证产生绝对随机的密钥，不需要第三方进行密钥的传送。 1.2 量子保密通信协议 目前最适合实用化的主流方案是基于诱骗态方案的BB84协议。诱骗态方案解决了分离光子数攻击问题，不需要单光子源，使用现有的激光源就能实现QKD，大大降低了系统的成
量子保密通信在电网业务应用的方案研究与设计
量子保密通信在电网业务应用的方案研究与设计 摘要：电力通信网作为与电网共生并存的第二张实体网络，其通信的安全性对电网的运行有着很大的影响。文章以量子保密通信技术在电力通信网中的应用为出发点，给出了相应的架构设计原则，并为量子保密通信技术在北京城域配电自动化业务中的应用设计了相应的部署方案。该方案满足了电网生产领域中不同的业务需求及高安全等级通信的需求，为类似应用场景提供了参考，并从电力业务应用的角度提出量子通信技术的发展方向。 0引言 近年来，陆续发生了乌克兰、以色列电网受攻击等重大安全事件，预示金融、电力、通信等涉及国家安全的信息基础设施面临着较大的风险隐患与安全威胁。目前，电力通信网络信息的传输安全主要使用经典保密通信模式或者专网专用、内外网隔离的策略，但各种加密方式的安全性仍然依托于密码算法的支撑，会话密钥被用在高级加密标准(Advanced Encryption Standard，AES）、数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）等加密算法中，以保证通信的机密性、完整性。但是这种安全性是有条件的，它的密钥预交换共享过程依赖于计算复杂度，随着计算机处理能力的提升，基于传统安全加密机制的网络传输设备也面临着被破解的风险，黑客攻击带来的风险巨大且与日俱增。而量子保密通信是在量子力学的基础上利用量子态的不确定性、不可分割性和偏振性等性质，可以实现无条件安全通信。如果在电网生产领域中建设量子保密通信网络，则可以提高电网中的通信信息安全。 本文首先对量子保密通信的原理进行了简单的介绍；然后就量子加密系统如何在电力通信网中进行应用给出了具体的架构设计方案；接着结合北京电力公司的业务特点，设计了北京城区某区域重要供电节点的配电自动化业务的设计部署方案，为量子保密通信技术在电网的实际应用提供参考；对量子保密通信技术未来的应用进行了展望。 1量子保密通信原理 量子保密通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单光子不可分割，窃听者无法将单光子分割成2部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。由于量子测不准原理和不可克隆定理，窃听者无论是对单光子状态进行测量或是试图复制之后再测量，都会对光子的状态产生扰动，从而使窃听行为暴露。数学上可以严格证明，若密钥是绝对保密的，且密钥长度与被传送的明文长度相等，那么通信双方的通信是绝对保密的。 量子保密通信是以量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）为核心，基于量子不可克隆原理，通过单光子信号的量子通信协议和“一次一密”的方式，实现用户间无条件的安全通信，极大提高通信传输网络的安全水平。BB84
关于量子保密通信的综述
关于量子保密通信的综述 前言 二十世纪科学的发展，给我们人类社会带来了丰硕的成果：我们的家中拥有了电视，电话，各种型号的飞机在天空飞行，不同用途的卫星日夜环绕地球，世界上平均每三个人就有一只手机……回顾人类走过的五千年，这些伟大的发明让我们惊叹不已。在众多精灵中，电脑当之无愧为最耀眼的一个：它联接了世界的每一个角落，不分种族，不分肤色，不分信仰…一它让每个人处于信息的海洋，各种文化，思想，宗教信仰，政治观点的传播再也不为高山，大河，海洋和沙漠所阻隔。世界正变得紧密。谁也不能怀疑，电脑给我们的生活带来了明媚的阳光，但是谁也不会否认，一团乌云，信息安全问题的乌云，已经从二十世纪飘过来了，如果不能解决，这团乌云必定会给我们二十一世纪投下深深的阴影。 信息安全问题已经让处于世纪晨曦的我们焦头烂额了：我们的邮箱竟然不知何时已经与他人共享；花费了几个月，搜集各种资料做成的计划书，正在被竞争对手阅览；银行卡中辛辛苦苦积攒的蒸发了；我们自认为绝对安全的商业机密，早已进入了别人的电脑；政府的国家机密，不知道什么时候飞到了另外一个国家…一群群长着猫头鹰眼睛的人，正在黑暗的角落里对着我们神秘的微笑。 这朵乌云，已经让你我对着电脑目瞪口呆，让公司老总咆哮如雷，更让国家政府人员寝食难安…，恐怖组织让西方世界心惊，经济发展让东方世界奔忙，而信息安全让全世界头疼，赶走它，已经迫在眉睫了。因为如果不在下暴雨以前解决它，那它就注定会给这个世界带来暴风雨…，上帝神秘的盒子里，总是拥有福音：七十年前，海森堡就为我们拿到了这首曲谱，但是那时候还不能演奏它。现在，演奏它的时候到了，各种技术已经有了突破性的进展…
量子保密通信中的数据隐藏【开题报告】
毕业论文开题报告 应用物理 量子保密通信中的数据隐藏 一、选题的背景与意义 保密通信自古以来就是关系国家安全的大事。到了信息和网络时代的今天，保密和安全就更加重要了。传统的保密通信已经发展的相当成熟，而且借助于计算机已经变得非常复杂。然而提高加密算法的复杂程度和破译速度的提高是同时发生的。没有理论能证明，常规的加密算法是可以绝对安全的。而物理加密技术则利用光量子的物理本质使密钥传送，量子保密通信安全性以量子力学的测不准原理和不可克隆原理为依据，理论上可以证明是绝对安全的。从1984年量子密钥协议的提出和1992年量子密钥分发演示试验的成功以来，量子保密通信有了长足的发展。 保密通信中的数据隐藏是指秘密资料分配给两方或多方，只有通过各方的合作才可能看到被隐藏的数据，这是当前保密通信的重要功能。可以运用特定的量子态实现两方之间的秘密分享。如果通过经典的方法只能获得隐藏数据中很少的一部分信息。只有通过共同的量子核对才可以打开被隐藏秘密文件，这要求各方具有分享量子纠缠的量子通道或者要求他们的直接配合。然而数据隐藏的安全性还没达到密钥分配的绝对安全性，这有待人们的进一步研究。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题 研究量子通信中的数据隐藏技术，了解量子数据隐藏的基本方式，掌握数据隐藏的原理与过程，拟解决的主要问题是各通信方之间共享量子纠缠由Bell态扩展到广义Bell 态的情况下如何实现数据隐藏。 三、研究的方法与技术路线 通过学习和查阅文献，以当前研究的成果入手，研究量子数据隐藏的过程，针对不同条件得到对应的数据隐藏方案。 四、研究的总体安排与进度： 2010-11～2010-12 文献调研,完成《文献综述》、《文献翻译》、《开题报告》。 2011-1～2011-3 完成量子数据隐藏研究内容。 2011-4-1～2011-4-20 撰写完成论文。 2011-5 毕业论文答辩。
揭秘量子保密通信
揭秘量子保密通信 E91量子通信协议示意图 拿起电话，不用担心被窃听；通过网络传送一份保密文件，不用担心途中被窃取……随着社会的发展，人们对保密提出越来越多的需求，而各种保密通信体系也在不断地满足着这些需求。 近日，国家互联网应急中心相关负责人表示，我国已成为网络攻击最大的受害国。确保信息安全，成为摆在我们面前的严峻课题。 2009年，量子政务网、量子通信网相继在我国建成。这两个可投入实际使用的量子通信网络，标志着原本停留在纸面和实验室的量子保密通信，已经开始在人们的日常生活中一展身手。 什么是量子保密通信？ 保密通信分为加密、接收、解密3个过程：发送者将需要发送的内容通过某种加密规则（密钥）转化为密文；接收到密文后，接收者采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密，得到传输内容。 在整个通信过程中，如何保证密钥的保密性和不被破解是最为关键的问题。目前广泛用于网络、金融行业的密钥的安全性由数学计算来保证。 量子保密通信的过程与此类似，只是用微观粒子携带的状态信息作为加密和解密用的密钥。可不能小看这看似“微小”的变化，它使密钥的安全性发生了翻天覆地的变化。 因为量子密钥安全性不再由数学计算，而是由微观粒子所遵循的物理规律来保证，窃听者只有逾越物理世界的法则才有可能盗取密钥。
而在当前看来，这几乎是不可能的任务。不仅如此，量子保密通信还使窃听者无处藏身。因为任何窃听行为都会扰乱传送密钥的量子状态，从而留下痕迹。 资料图：量子态隐形传输是一种全新通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。 如何实现量子保密通信？ 量子保密通信真正进入科学家的视野是在1984年。这一年，IBM华生实验室工程师本奈特（Charles Bennett）和布拉萨德（Gilles Brassard）提出了全新的BB84保密通信协议。量子的某些基本物理特性开始成为保密通信中的主角。 和其他的保密通信协议一样，本奈特和布拉萨德的方案中也有一个信息发送者爱丽丝和一个接收者鲍勃。不同的是，爱丽丝用光子的不同偏振态来传输密钥的键值。爱丽丝按照直线（上下或左右）或者对角线（与垂直呈45度夹角）偏振的方式发出携带着不同信息的光子。
量子保密通信
量子保密通信 目录 绪言 (2) 第一章 保密通信 (3) 1.1 引言 (3) 1.2 经典保密通信 (3) 1.3 量子保密通信 (4) 1.4 量子密钥分配原理 (5) (7) 第二章 量子密钥分配协议 2.1 引言 (7) 2.2 BB84 量子密钥分配协议 (7) 2.3 B92量子密钥分配协议 (10) 2.4 EPR量子密钥分配协议 (11) 2.5 4+2量子密钥分配协议 (13) 第三章 量子通信传输流程 (14) 3.1 引言 (14) 3.2 量子传输 (14) 3.3 筛选数据(Distill data) (15) 3.4 数据纠错(Error Correction) (15) 3.5 保密增强(Privacy Amplification) (16) 3.6身份认证(Identify Authentication) (16) 第四章 量子密钥分配系统 (17) 4.1 引言 (17) 4.2 双MZ干涉仪系统 (17) 4.3 即插即用系统 (18) 4.4 基于VPN网络的量子通信系统 (19) (21) 跋 参考文献 (21)
第一章保密通信 1.1 引言 传统的加密系统，不管是对密钥技术还是公钥技术，其密文的安全性完全依赖于密钥的秘密性。密钥必须是由足够长的随机二进制串组成，一旦密钥建立起来，通过密钥编码而成的密文就可以在公开信道上进行传送。然而为了建立密钥，发送方与接收方必须选择一条安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，从技术上来说，真正的安全很难保证，而且密钥的分发总是会在合法使用者无从察觉的情况下被消极监听。 近年来，由于量子力学和密码学的结合，诞生了量子密码学，它可完成仅仅由传统数学无法完成的完善保密系统。量子密码学是在量子理论基础上提出了一种全新的安全通信系统，它从根本上解决量子特性不可忽视，测量动作是量子力学的一个组成部分。在这些规律中，对量子密码学起关键作用的是Heisenberg测不准原理，即测量量子系统时通常会对该系统产生干扰，并产生出关于该系统测量前状态的不完整信息，因此任何对于量子信道进行监测的努力都会以某种检测的方式干扰在此信道中传输的信息。 1.2 经典保密通信 一般而言，加密体系有两大类别，公钥加密体系与私钥加密体系。经典保密通信原理如下图1一1所示: 密码通信是依靠密钥、加密算法、密码传送、解密、解密算法的保密来保证其安全性.它的基本目的使把机密信息变成只有自己或自己授权的人才能认得的乱码。具体操作时都要
量子保密术和保密通信
量子保密术和保密通信 陈志新[1]唐志列[1]廖常俊[2]刘景锋[1]魏正军[1] [1](华南师范大学物理系, 广州, 510631) [2](华南师范大学信息光电子科技学院, 广州, 510631) [摘要]基于量子物理原理的量子密码术已被证明是保密通信中密钥安全分配的有效手段本文介绍了 量子密码的基本原理,探讨了实现量子密码的几种方案,并研究了各自的密钥分配机制还讨论了量子密码通信的历史发展和指出现存在的问题以及未来的发展前景 [关键词]量子密码. 测不准原理. EPR关联. 量子纠缠. QUANTUM CRYPTOGRAPHY AND SECURITY COMMUNICATIONS CHEN Zhi-Xin TANG Zhi-Lie Liao Chang-Jun (Department of Physics South China Normal University Guangzhou 510631) (School for Information and Optoelectronic Science and Engineering, South China Normal University Guangzhou 510631) [Abstract]Quantum cryptography based on fundmental physical principles has been proved to be an effective technique for secure key distribution.The fundamental theory of quantum cryptography together with their main schemes and protocols has been discussed in this paper.Recent years quantum cryptographic communication’s history improvements are analyzed,and the existing problems and development prospective in future are also pointed out. [Key words] quantum cryptography uncertainy principle EPR pair quantum entanglement. 1引言 量子密码术是量子物理学和密码学相结合的一门新兴科学它成功地解决了传统密码学中单靠数学无法解决的问题并引起国际上高度重视它的思想最早由美国人Wiesne.S.J在1969年提出[1]1984年Bennett.C.H和Brassard.G首先提出第一个量子密码分配协议BB84协议[2]1989年IBM公司Thomas.J.Walson研究中心实现了第一次量子密钥传输演示实验[3] 1991年牛津大学Ekert.A.k.提出E91协议[4]1992年Bennett.C.H指出只用两个非正交态即可实现量子密码通信并提出B92协议[5]自此量子密码通信三大主流方案已基本形成20世纪90年代以来世界各国的科学家对量子密码通信的研究出现了迅猛发展并取得很大成 功, 瑞士University of Geneva在原有光纤系统中已建立22.8km量子保密通信线路并投入了实用[6];英国BT实验室已实现在常规光缆线路上量子密码通信传输距离达55km [7];美国Los Alamos实验室已成功实现48km量子密钥系统运行两年[8],2000年他们在自由空间中使用QKD系统成功实现传输距离为1.6公里[9]可以说量子通信已进入大规模实验研究阶段 现在,量子保密通信的距离已延伸到80km[10]而我国量子通信的研究才刚起步,1995年中科院物理研究所在国内首次用BB84协议做了演示实验[11]华东师范大学用B92方案作了实 验[12]2000年中科院物理研究所和中科院研究生院合作完成了国内第一个850nm波长全光纤量子密码通信实验通信距离达1.1km[13]近期山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室在国内外第一次完成了用明亮的EPR关联光束完成了以电磁场为信息载体的连续变量量子密集编码和量子保密通信的实验研究[14]随着量子密码术的不断发展必将给 通信领域带来新的突破下面介绍一下经典密码术的局限性和量子密码术的原理方案及近年来用分离变量系统(如用单光子实现)实现量子密码通信的发展状况 项目基金是广州市2001-2-095-01项目支持
量子通信的基本原理
量子通信的基本原理 量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置.按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类.前者主要用于量子密钥的传输,后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发.所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送.从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元,制造出原物完美的复制品.但是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的.因此长期以来,隐形传送不过是一种幻想而已.\x0d1993年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处.其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者.经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后,就可以制备出原物量子态的完全复制品.该过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身.发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上.在这个方案中,纠缠态的非定域性起着至关重要的作用.量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应.在量子力学中能够以这样的方式制备两个
粒子态,在它们之间的关联不能被经典地解释,这样的态称为纠缠态,量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联.量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义,而且可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信. 1997年,在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输.这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上.实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输.最近,潘建伟及其合作者在如何提纯高品质的量子纠缠态的研究中又取得了新突破.为了进行远距离的量子态隐形传输,往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态.但是,由于存在各种不可避免的环境噪声,量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差.因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题.近年,国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究,并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案,但是没有一个是能用现有技术实现的.最近潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案,原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题.这项研究成果受到国际科学界的高度评价,被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”.\x0d参考资料：《科技日报》\x0d 量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置.按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类.前者主要用于量子