9、量子密码学：原理、安全与网络实现

量子密码学：原理、安全与网络实现

1. 引言

信息保护自古就是人类生活的重要部分，在计算机社会，信息安全愈发重要，新技术不断涌现。密码学能将信息在可读与不可读状态间转换，有效保护信息传输与存储。现代密码学自二战后迅速发展，主要包括对称密钥密码学和公钥密码学，其中一次性密码本（OTP）被证明无法破解，但生成和分发与明文等长的真随机密钥流要求苛刻。

量子密码学为合法用户提供了安全的密钥交换方式，可与OTP结合实现安全通信。其概念由Wiesner于20世纪60年代提出，真正发展始于1984年Bennett和Brassard提出的首个量子密钥分发（QKD）协议。QKD是量子密码学的主要方面，其安全性由量子力学保障，而非计算复杂性，能检测非法拦截密钥信息的行为。

2. 量子密码学研究现状

2.1 实现方案与编码方式

根据QKD协议的实现方案，有离散变量、连续变量和分布式相位参考编码；根据量子信息的物理载体，有偏振编码、相位编码、频率编码、幅度编码等。光子QKD可使用自由空间QKD和光纤QKD作为量子信道，需根据信道特性、性能要求和操作条件等选择实现方案。

2.2 光纤与自由空间QKD

光纤是最常用的量子信道，可应用偏振和相位编码QKD方案。但由于光纤的双折射效应，偏振态易受干扰，相位编码QKD是光纤量子信道的主要方案。目前已有基于不同干涉仪结构的成熟相位编码系统，光纤QKD实验距离超100Km，脉冲重复率达10GHz，但信道衰减和实际设备性能限制了安全密钥分发距离。

自由空间QKD，特别是卫星到地面的QKD，是构建全球安全通信网络的可行方法，目前已实现144Km的自由空间QKD链