9、量子密码学：原理、实现与应用

量子密码学：原理、实现与应用

1. 引言

信息保护自古以来就是人类生活的重要组成部分。在计算机社会，信息安全对人类愈发重要，新技术也层出不穷。密码学是将信息从可读状态转换为无意义状态，或进行相反转换的技术，能有效保护信息的传输和存储。

现代密码学自二战后随着电子学和计算机科学的快速发展而迅速崛起，主要分为对称密钥密码学和公钥密码学。其中，一次性密码本（OTP）被证明无论计算能力多强都无法破解，但生成和分发与明文大小相同的真随机密钥流是一项严格要求。

量子密码学为合法用户之间的密钥交换提供了安全途径，可与OTP结合实现安全通信会话。其概念最早由Wiesner在20世纪60年代提出，而真正的发展始于1984年Bennett和Brassard提出的第一个量子密钥分发（QKD）协议。QKD的安全性由量子力学保障，而非计算复杂性，其最重要的特性是能够检测非法拦截密钥信息的行为。

2. 量子密码学研究现状

• QKD实验开端 ：1989年，Bennett和Smolin实施了首个QKD实验，开启了现实QKD的大门。
• 编码方式多样 ：根据实现方案，QKD协议有离散变量、连续变量和分布式相位参考编码；按量子信息的物理载体分，有偏振编码、相位编码、频率编码、幅度编码等。
• 量子通道选择 ：基于光子的QKD可采用自由空间QKD和光纤QKD作为量子通道。光纤是最常用的量子通道，偏振和相位编码QKD方案均可应用，但由于光纤的固有双折射效应，偏振编码QKD系统中的光子偏振态易受干扰，相比之下，相位