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前言：

自从“量子计算”发展起来以后，借助“复杂数学算法及海量运算”的“传统加密”方法，在“安全性”方面变的危危可及，无论国家层面还是社会、个人层面，都亟需更先进更安全的“加密方法”为我们的“通信保密”进行加持。

量子力学是把“双刃剑”，攻破“传统加密”方法的同时，又为我们开了一扇窗，这就是依托“量子纠缠”理论建立起来的“量子密码”学。

“量子密码”涉及了“量子力学”和“密码学”领域的知识，是两者相融合的产物。

量子密码协议的研究意义：木桶的容水量代表信息系统的安全性强度

自1984年提出第一个量子密码协议——BB84协议之后（QKD），经过近40年的发展，技术人员提出了多种安全量子密码协议，其中“保密通信”类的量子密码协议发展迅速，并已进入实用阶段，其他种类密码现处于理论研究状态。

从应用需求来看，此状况并不能满足社会全部需求，对于需要“数字签名”和“两方安全计算”的领域，只能暂时借助“传统密码”进行保密。

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量子密码协议

一、“通信协议”定义及制定方法

“协议”就是方法、方案、规则的意思。

“量子通信协议”就是先提前预判“通信过程”中可能存在的各种“窃听、复制、截留”等现状，再制定一定的方法、规则，以达到杜绝信息泄露，保证传输通信安全的目的。

BB84协议协议详解

当然，协议的“理论设计”都是在实验室完成的，距离真正的“实现”都有很高的难度，因为协议在执行时，不仅“流程”繁琐，而且要求先达到一定的“基础条件”，但是“量子”在传输过程中非常不稳定，在光纤和大气中传输均有损耗。

如果“稳定传输”都达不到，就无法满足协议的“基础条件”，更无法进行“协议”中的流程，当然也无法保证通信的安全性。

所以我们能够看到，“协议制定”和“通信实现”是一个“相互促进、持续改进、螺旋上升”的过程。

量子传输过程概念图

“量子协议”制定后，技术人员先克服困难努力“实现”，再根据“实现过程”中发现的各种问题，比如“新漏洞”，“协议流程进一步简化”，“协议新方法”等，重新对“旧协议”进行修正、增删，就形成了新的协议。

然后技术人员又针对“新协议”开始了新的一轮“实现”。

二、密码种类及现状

自1984年第一个量子密码协议（QKD）BB84制定以来，出现了多种密码协议，每个协议都有自己的“加密重点”和不同的服务对象，各密码协议的研发及应用状态如下：

序号	密码种类	功 能	研发及应用状态
1	量子密钥分配（QKD）	通信双方通过传输“量子态”来创建密钥，并采用“一次一密”的方法。	应用成熟，不断在“传输距离”和“安全性”上出现新突破
2	量子直接通信（QSDC）	通信双方通过“量子信道”直接传输信息，不需传输“量子密钥”	已突破关键技术节点，并实现了模拟样机和局域网络通信，准备进入全面实用化阶段。
3	量子秘密共享（QSS）	将秘密分拆，分给n个人，只要其中k个人得到，就能还原整个秘密信息	正在研究中，但“（k，n）门限方案”和“纠错、隐私放大方案”的理论研究均不全面，不具备实际应用价值
4	量子身份认证（QIA）	对参与通信双方进行身份认证，防止有人假冒	基本被弃用，因为现有密码协议已经包括身份认证，不需额外再做一次。
5	量子数字签名（QDS）	完整具备信息安全的四要素：机密性、真实性、完整性、不可抵赖性,被称为“全功能保护密码”	理论研究中，2023年，中国科学家构造新范式，实现100公里量子数字签名
6	量子比特承诺（QBC）	用于传输、接收多方相互安全计算、验证	与“no-go定理”矛盾，无法进行实用
6	量子掷币	互不信任的双方通过随机比特来计算双方“欺骗成功”概率	概率太大，可达到0.707，不适用，基本弃用
7	量子不经意传输（QOT）	应用于传输、接收方的隐私保护	与“no-go定理”矛盾，无法进行实用
8	量子保密查询（QPQ）	应用于传输、接收方的隐私保护，“对称私有信息检索SPIR”中使用较多	对“no-go定理”进行了放宽，不追求具体概率数据，只追求“非零”，有实用化潜力

上表可以看出，主流密码协议有“量子密钥分配”、“量子直接通信”、“量子数字签名”，“量子保密查询”，前两者已进入实用阶段，后两者还在加紧研究中。

三、量子密钥分配协议

1、BB84协议

“量子密钥分配协议”是现阶段应用最成熟的技术，1984年的“BB84协议”就是这一类的加密技术，原理就是通信双方利用“量子态”来建立一串只有双方才知道的密码，再利用这串密码“接收、解密”传输文件。

自此，“量子密钥分配协议”开始不断发展，至今已进行了多轮增删与更新：

• 1984年，BB84协议
• 1992年，BBM92协议
• 2005年，诱骗态量子密钥分发协议(decoy-state QKD)
• 设备无关DI-QKD协议
• 2012年，测量设备无关协议MDI-QKD
• 2018年，双场量子密钥分发协议（TF-QKD）

BB84量子密钥分发协议

2、设备无关DI-QKD协议

虽然BB88协议在理论上能够保证绝对的通信安全，但是在实际通信中，存在很多安全漏洞。

量子通信整个过程分为四部分：发射端、传输过程、接收端、后期处理，每一部分都存在信息被偷窃的可能，为杜绝漏洞，技术人员设计出了“设备无关DI-QKD协议”。

该方法先“假定设备是可信”的，通过观察“输入端、输出端”经典比特信息的相互关系，计算“贝尔不等式”的“违背值”，当“违背值”超出一定范围时，说明设备不可信，有人在窃取信息，无法进行信息传递。

但是在实际操作过程中此方法非常难以实现，由于高耦合，信道损耗、单光子检测器>90%的要求，使得DI-QKD难以实现。

2022年，潘建伟团队在这领域实现突破，通过剔除系统中较大的错误来优化系统，使系统有效率达到87.5%，量子态保真度达到99.5%，满足了理论方案在系统性能方面的要求。

设备无关量子密钥分发实验装置

3、测量设备无关MDI-QKD协议

为了便于操作实现，技术人员又提出“测量设备无关MDI-QKD协议”，该协议可以在测量设备不可信的情况下进行“量子密钥分发”，操作上也比“DI-QKD”简单很多。

“BB88”属于单光子协议，为了利用“量子纠缠”，技术人员结合“BB84”提出了“BBM92”，并且经过证明，“BBM92”和“BB88”协议的效果是同等的。

“MDI-QKD协议”就是将“BBM92协议”进行了“时间反演”：

左：基于纠缠分发的BBM92协议 右：MDIQKD协议

具体操作流程如下：

1. 准备：A和B作为光源，按照BB84协议的编码方案制备量子态
2. 传输：A和B将制备好的量子态发送给C
3. 贝尔态测量：C进行双光子干涉，探测选择出合适的纠缠光子对
4. 形成密码：C通过公用信道公布输出结果，A、B公布各自的编码基、信号态和诱骗态的强度。然后筛选“基”一致时，“信号态”和“诱骗态”的比特数，就获得密钥
5. 后期处理：随机比较部分量子比特，如果满足要求，再经过一定的纠错、私密放大，最后得到无条件安全密钥

MDI-QKD协议流程图

4、双场量子密钥分发TF-QKD

“测量设备无关MDI-QKD”分发技术也有弊端，每次测量需要消耗两个光子，容易造成“安全成码率”随着信道衰减数量减少，最后不能生成密钥，所以又提出了“双场量子密钥分发协议”。

(a)传统“测量设备无关量子密钥分发” (b)双场量子密钥分发

该协议只需要单个探测器响应，只消耗一个光子，有更高的成码率和成码距离，是目前长距离光纤传输中最优的。

技术实现过程中需要做到两点：

• 发送激光器双方的波长必须保持一致，防止频率不同引起的相位差
• 对长距离光纤链路中“相对相位”的快速漂移能够做出精准估计

双场量子密钥分发编码时序

为进一步简化操作难度，2023年03月，我国科学家在此基础上首创了“开放式架构”双场量子密钥分发，减少了“同频服务光纤”的架设，并实现了615公里光纤量子通信。

图a：传统闭合光纤架构 图b：开放式架构

四、量子安全直接通信协议

“量子安全直接通信”目前已被国家列入重点发展计划，并在银行、人工智能等多个领域展开应用，是第二个进入实用化阶段的量子密码协议。

通信过程中，发送方以“量子态”为载体直接进行编码，利用“块传输”技术进行通信传输信息，接收方直接解码接收信息，无需提前进行“密码传输”，比“量子密钥分配协议”更加简洁、高效率。

左图：加密发送前状态 右图：第一队发送完毕状态

2022年，“量子安全直接通信”研究又出现进展，将传统量子直接通信的“两步传输”变为“一步传输”。

传统方案需要两步：先发送一半光子，判断有无窃听，如果没有窃听，再将剩余光子编码发送，全部接收完毕后再进行解码获取信息。此种方案会增加一定的损耗，限制了最远传输距离和通信容量。

新方案只发送一步：通信双方先分发“超纠缠光子对”（“极化”和“路径”分别处于纠缠状态的光子对），使用“极化纠缠”进行编码，再使用传统通信对“路径纠缠”进行解码。

量子安全直接通信新方案

该方案使用一次“量子传输”和一次“传统通信”就能完成，在传输效率、距离方面，优势巨大。

类 别	量子传输	传统通信	说 明
量子安全直接通信 （新方案）	1次	1次	只传输一次光子，减少信道损失
量子安全直接通信 （旧方案）	2次	1次	需传输两次光子，增加信道损耗，限定传输距离和通信容量
量子密钥分发协议	1次	3次	3次传统通信：2次进行基矢比对，1次传输密文
备注：现阶段“密码通信”都是“量子传输”和“传统通信”相结合进行。

五、“量子密码”行业标准化

1、国内：2021年，国家密码管理局发布16项行业标准，“量子密钥分配”首入国家密码行业标准，包括《诱骗态BB84量子密钥分配产品技术规范》、《诱骗态BB84量子密钥分配产品检测规范》等。

2、国际：成立以中国代表团为主的“量子信息技术焦点组”，本焦点组由“国际电信联盟”设立，包括“济南量子院、国科量子、国盾量子、中国信通院、三大运营商、华为、中兴、中国信科”等中国团队。

六、下一步研究方向

1、加强信道噪声处理研究

为了“纠错”和“压缩”窃听者非法所得的信息，量子密码协议都有“后处理过程”。不同的安全协议，后处理过程也不同，也增加了各协议实用化的难度。必须加快“信道噪音处理方案”的研究，才能尽快为各协议走向实用化扫清障碍。

2、加快“量子公钥密码类型”的研究

“数字签名”和“两方安全计算”都属于“量子公钥密码类型”，在实际应用中均不可缺，根据“经典密码”思路进行的设计一直未突破瓶颈，亟需转换思路，根据“量子力学”的性质来设计“公钥密码”。

3、建立“量子——经典”密码体系

基于当前“量子密码协议”尚未全部突破的事实，需要“量子密码”与“经典密码”相结合，建立“过度时期”密码体系，待“量子密码协议”全部突破后，再完全替代经典密码体系。

4、创建具备“量子密码”特点的新型密码学

我们现有的“量子密码”协议，都是根据“传统密码”的功能和思路来设计的，并不完全适合“量子密码”的特点，研发过程中易遇到瓶颈，未来需要根据“量子密码”特点来设计协议，创建具备“量子密码”特点的新型密码学。

参考文献：

中国科学杂志社：《量子数字签名效率提升数亿倍，“不可抵赖的量子互联网”跃出实验室 | NSR》

中国科学杂志社：《量子安全直接通信理论取得新进展》

中国工程科学：《量子密码协议研究现状与未来发展丨中国工程科学》

墨子沙龙：《量子密钥分发：从BB84到TF-QKD》

新华社：《我国科学家首创开放式新架构实现615公里光纤量子通信》

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