35、量子物理助力通信网络安全：QKD 协议与量子随机数生成器解析

量子物理助力通信网络安全：QKD 协议与量子随机数生成器解析

1. QKD 协议概述

量子密钥分发（QKD）协议主要分为离散变量 QKD 协议（DVQKD）和连续变量 QKD 协议（CVQKD）两大类，它们在保障通信网络安全方面发挥着重要作用。

2. 离散变量 QKD 协议（DVQKD）

DVQKD 协议基于单光子的量子态，如垂直和水平偏振，使用单光子探测器（SPD）进行光子检测和状态测量。以下是几种常见的 DVQKD 协议：
- BB84 及其变体 ：BB84 协议是应用最广泛的 QKD 协议，利用了量子比特的叠加特性。其物理实现包括基于光纤的 QKD 网络（如 DARPA QKD 网络、SECOQC QKD 网络、东京 QKD 网络）以及基于卫星的无线 QKD 网络。B92 协议是 BB84 的变体，传输两个非正交量子比特而非四个；六态协议使用三个正交基上的六个离散量子态，实现更复杂，但能提高密钥数据传输速率。
- SARG04 协议 ：该协议源于 BB84 协议，通过修改编码/解码方案，增强了对光子数分裂（PNS）攻击的鲁棒性，已在东京 QKD 网络中得到验证。
- Ekert（E91）协议及其变体 ：E91 协议是首个利用量子比特纠缠特性的 QKD 协议。通过对 Bob 接收到的量子比特进行贝尔不等式测试来检测窃听，若违反测试则重新传输原始量子比特。BBM92 协议也是 BB84 的变体，使用纠缠而非叠加原理，同样通过贝尔不等式分析检测窃听，在 SECOQC QKD 网络和东京 QKD 网络测试设施中有应用。
- COW 协议 ：信息比特通过连续激光发出的一串弱相干光脉冲编码在时间间隔中。该协议在 TUBITAK BILGEM 和 SECOQC QKD 测试平台上有演示。
- DPS 协议 ：使用一串相干光子脉冲，将信息比特编码在相邻脉冲的相对相位中。与 COW 协议类似，易于实现且抗 PNS 攻击。
- MDI - QKD 协议 ：旨在消除测量设备带来的安全问题，防止 Eve 篡改或破坏 Bob 的接收器。

协议名称	特点	应用案例
BB84 及其变体	利用叠加特性，广泛应用	DARPA QKD 网络、SECOQC QKD 网络等
SARG04 协议	抗 PNS 攻击	东京 QKD 网络
Ekert（E91）协议及其变体	利用纠缠特性，贝尔不等式检测窃听	SECOQC QKD 网络、东京 QKD 网络
COW 协议	信息编码在时间间隔	TUBITAK BILGEM、SECOQC QKD 测试平台
DPS 协议	信息编码在相对相位，抗 PNS 攻击	东京 QKD 网络
MDI - QKD 协议	消除测量设备安全问题	无现有实现

3. DVQKD 协议的商业化现状

许多 DVQKD 协议已实现商业化，例如 BB84 及其变体的商业化案例包括中国的 QuantumCtek 和 Qasky、韩国的 KT Corp.、日本的 NEC、NTT 和东芝、俄罗斯的 QRate、英国和日本的东芝、美国的 MagiQ 和 BBN Raytheon 等。基于光子纠缠的 E91 QKD 由奥地利技术研究院实现，还有 ID Quantique、QUBITEKK（美国）、S - Fifteen Instruments 等也有相关商业化产品。SpeQtral 将在卫星密钥分发中应用 BBM92 协议。

4. 连续变量 QKD 协议（CVQKD）

在量子场论中，光子是电磁场的量子化激发，电磁场具有正交分量。CVQKD 中，信息由 Alice 编码在电磁场辐射的 X 和 P 正交分量中，Bob 使用零差或外差检测来解码接收到的激光信息。以下是几种常见的 CVQKD 协议：
- 基于光子相干态的 CVQKD（GG02） ：Alice 将信息编码在激光光的相干光子态的正交分量上，Bob 使用零差检测解码。该协议可使用广泛的光通信设备和部件实现，通过反向和解和后选择方法减少损耗并延长传输距离。其无切换的 GMCS 版本使用外差检测，可同时测量位置和动量正交分量，简化了设备。GG02 是最常见的 CVQKD 协议，可在传统光纤网络中实现长达 100 公里的传输。
- 一维 CVQKD（UD CVQKD） ：Alice 使用单正交调制，Bob 使用随机切换的零差检测。该协议易于实现，仅需一个调制器用于单正交调制，其安全性已得到分析。
- MDI - CVQKD ：减少了 QKD 系统测量设备的侧信道攻击漏洞，测量在无安全监督的中间站进行，目前尚无现有实现，适用于大城市的长距离通信。
- 离散调制相干态（DMCS） ：使用两个相干态编码二进制字符串，最近还提出了多相干态调制版本。其理论安全性已得到研究。

5. CVQKD 中的经典后处理

在通过量子通信传输量子比特后，需要对原始密钥数据进行经典后处理，以获得 Alice 和 Bob 共享的相同最终密钥。主要步骤包括身份验证和信息交换：
- 身份验证 ：
1. Alice 和 Bob 有预定的共享密钥，Alice 发送消息、哈希值和密钥索引，然后等待 Bob 的确认。
2. Bob 验证 Alice 发送的认证信息，并发送确认和标识。
3. 当 Alice 收到 Bob 的确认后，向 Bob 发送最终确认。
- 信息交换 ：Alice 和 Bob 使用协议指定的帧和数据格式，通过哈希算法检查数据帧的完整性。若密钥和解成功，Alice 向 Bob 发送成功标志。

6. CVQKD 协议的商业化现状

CVQKD 也有多个商业化实现案例。2012 年，SeQureNet 推出首个使用 GG02 的 CVQKD 产品，原始数据速率为 1 MHz，最大传输距离达 80 公里。2018 年，XT Quantech Co. 推出无切换的 CV - QKD 版本，原始数据速率为 10 MHz。Quintessence Labs 和华为（德国）推出了基于离散调制协议的 CVQKD 产品。

7. 量子随机数生成器（QRNG）

随机数在信息和通信技术的众多应用中至关重要，如统计、游戏、银行和密码学。常见的随机数生成器包括伪随机数生成器（PRNG）、真随机数生成器（TRNG）和量子随机数生成器（QRNG）。
- PRNG ：基于确定性算法，生成速度快，但对于某些应用来说安全性不足。
- TRNG ：利用自然现象（如大气噪声、热噪声）生成随机数。
- QRNG ：其随机数的统计独立性由物理定律保证，提供高质量的熵和随机性来源，可产生独立同分布的随机数序列，增强了密码学安全性。例如，放射性同位素的衰变时间间隔、弱激光源中单个光子的时间差等都可作为 QRNG 的来源。

8. QRNG 的类型

• 可信 QRNG ：假设包括熵源和测量设备在内的子部件都经过良好表征且可信。分为可信非光学 QRNG 和可信光学 QRNG：
  • 可信非光学 QRNG ：
    • 放射性衰变 ：粒子的放射性衰变是一种量子现象，可用于生成随机数，其衰变符合独立同分布的泊松过程，衰变间隔时间呈指数分布。
    • 热噪声和散粒噪声 ：电子电路中的热噪声和散粒噪声可作为熵源提取随机性。
  • 可信光学 QRNG ：
    • 单光子检测 ：通过测量处于叠加态的量子比特或光子的到达时间来生成随机数。
    • 宏观光检测 ：测量经典量（如振幅或相位）来生成随机数，如真空噪声和放大自发辐射的相位噪声都可作为随机源。
• 自测试 QRNG ：不依赖设备细节，仅关注输入 - 输出统计，通过将输出分布与物理定律规定的分布进行比较来测试。在基于纠缠的系统中，通过观察贝尔不等式的违反来测量统计相关性，表明存在纠缠和量子随机性。包括随机数扩展和随机性放大等类型。
• 半自测试 QRNG ：设备的某些部分经过良好表征，安全性介于可信和完全自测试设备之间，是两者之间的折衷方案。

9. 量子随机数生成步骤

生成量子随机数序列可分为四个步骤：

graph LR
    A[量子态制备] --> B[量子态测量]
    B --> C[原始数据采集]
    C --> D[后处理]
    D --> E[随机比特序列]

1. 量子态制备 ：产生量子叠加或纠缠态，如弱激光源产生的光子。量子源可以是光学或非光学的。
2. 量子态测量 ：将测量基应用于从量子态熵制备中得到的状态，这两步共同构成量子随机性或熵源。
3. 原始数据采集 ：从量子态测量结果中生成原始数据，若测量结果为模拟量，则需要进行数字化处理。
4. 后处理 ：应用后处理算法（如随机数提取器），使数据在某些应用中具有均匀分布。为了抵御量子计算机攻击，随机数提取器需要是量子安全的，目前只有 Trevisan 提取器和二通用哈希提取器两种量子安全的随机数提取器。

10. 基于真空涨落的 QRNG 示例

以基于真空涨落的 QRNG 为例，该 QRNG 主要由两部分组成：
- 光学部分（量子熵源） ：相干激光通过分束器（BS）分成两条路径，两个探测器 PD1 和 PD2 检测光输入信号并转换为电流 i1 和 i2，两者相减可消除共模经典噪声，形成基于散粒噪声的量子熵源。
- 后处理部分 ：对采集到的差分信号进行采样和存储，然后应用后处理算法提取随机比特。

量子技术在通信网络安全中的应用前景广阔，QKD 协议和 QRNG 为保障通信安全提供了强大的技术支持。随着研究的不断深入和技术的不断发展，这些技术有望在下一代通信网络中发挥更加重要的作用。未来，量子纠缠分布网络（量子互联网）的发展可能会带来更多的应用，如分布式量子计算、基于纠缠量子比特的量子通信、时钟同步、安全识别和量子传感器网络等。

量子物理助力通信网络安全：QKD 协议与量子随机数生成器解析

11. 量子随机数生成器的安全性考量

在安全的随机数生成和后处理过程中，必须考虑外部攻击，如侧信道攻击和使用量子计算机的攻击。例如，可以采用 Trevisan 提取器作为随机数提取器，它已被证明对量子攻击具有安全性。对于其他抗量子计算的提取器，也有相关的研究可供参考。

许多量子熵源基于散粒噪声，它由量子粒子流的粒度产生的量子效应生成，例如相干态中的光子、有限势中的粒子隧穿等。有多种类型的光学量子随机数生成器，如基于分束器分支路径的生成器、相干态中光子的到达时间、量子真空涨落、激光的相位噪声、自发光子发射等。

12. 不同类型 QRNG 的比较

为了更清晰地了解不同类型 QRNG 的特点，下面给出一个对比表格：
|类型|优点|缺点|适用场景|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|可信 QRNG|理论简单，易于实现，数据速率高，成本低|安全性相对较低，依赖设备信任|对安全性要求不极高的一般应用场景|
|自测试 QRNG|安全性高，不依赖设备细节|数据速率低|对安全性要求极高的场景，如军事、金融核心交易等|
|半自测试 QRNG|安全性介于两者之间，是一种折衷方案|无明显突出优势|对安全性和数据速率都有一定要求的场景|

13. 量子技术在通信安全中的应用现状与挑战

目前，量子技术在物理层安全的应用，如 QKDN 和 QRNG，已经有了标准化的努力，并且有商业产品可供使用。然而，仍然存在一些挑战需要克服。

一方面，需要进一步提高密钥分发的数据速率和安全级别，同时降低成本。例如，在 QKD 协议中，虽然已经有多种协议被提出和应用，但在实际应用中，如何在保证安全的前提下提高密钥分发的速度，仍然是一个需要解决的问题。

另一方面，量子设备的稳定性和可靠性也是一个挑战。例如，QRNG 设备可能存在缺陷或容易受到攻击，需要不断改进和优化。

14. 未来发展方向

在不久的将来，随着量子纠缠分布网络（量子互联网）的发展，尽管目前还处于起步阶段，但有望实现更多的应用。以下是一些可能的应用方向：
- 分布式量子计算 ：通过量子纠缠实现多个量子计算节点之间的协同工作，提高计算能力。
- 基于纠缠量子比特的量子通信 ：利用量子纠缠的特性，实现更安全、高效的通信。
- 时钟同步 ：利用量子特性实现高精度的时钟同步，提高通信系统的稳定性。
- 安全识别 ：基于量子技术的独特特性，实现更安全的身份识别。
- 量子传感器网络 ：构建基于量子传感器的网络，实现更精确的环境监测和数据采集。

15. 总结

量子物理在通信网络安全领域的应用，特别是 QKD 协议和 QRNG，为保障通信安全提供了新的思路和方法。通过对不同类型 QKD 协议和 QRNG 的研究和应用，可以根据具体的需求选择合适的技术方案。

同时，我们也应该看到，量子技术在实际应用中还面临着一些挑战，需要不断地进行研究和改进。随着技术的不断发展，相信量子技术将在未来的通信网络中发挥越来越重要的作用，为我们的信息安全保驾护航。

graph LR
    A[量子技术应用] --> B[QKD 协议]
    A --> C[QRNG]
    B --> B1[DVQKD]
    B --> B2[CVQKD]
    C --> C1[可信 QRNG]
    C --> C2[自测试 QRNG]
    C --> C3[半自测试 QRNG]
    B1 --> B11[BB84 及其变体]
    B1 --> B12[SARG04 协议]
    B1 --> B13[Ekert 协议及其变体]
    B1 --> B14[COW 协议]
    B1 --> B15[DPS 协议]
    B1 --> B16[MDI - QKD 协议]
    B2 --> B21[GG02]
    B2 --> B22[UD CVQKD]
    B2 --> B23[MDI - CVQKD]
    B2 --> B24[DMCS]
    C1 --> C11[可信非光学 QRNG]
    C1 --> C12[可信光学 QRNG]
    C11 --> C111[放射性衰变]
    C11 --> C112[热噪声和散粒噪声]
    C12 --> C121[单光子检测]
    C12 --> C122[宏观光检测]

这个流程图展示了量子技术在通信网络安全中的应用架构，包括 QKD 协议和 QRNG 的不同类型及其子类型，有助于更直观地理解整个体系结构。

总之，量子技术在通信网络安全领域具有巨大的潜力，我们期待着它在未来能够带来更多的突破和创新。