當(dāng)前量子計(jì)算發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)加密方式面臨著前所未有的威脅。如，美國(guó)蘭德公司認(rèn)為“能夠破解現(xiàn)有密碼的量子計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將在2033年出現(xiàn)”。量子密鑰分發(fā)（簡(jiǎn)稱QKD）被美歐等國(guó)家認(rèn)為是抵抗量子計(jì)算威脅的有效安全手段。近年來(lái)，世界多國(guó)加速推進(jìn)QKD技術(shù)研究及組網(wǎng)建設(shè)。

量子密鑰分發(fā)（QKD）

QKD主要利用量子力學(xué)原理在雙方之間建立共享密鑰，從而構(gòu)建高度安全的通信通道。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，QKD技術(shù)正向更遠(yuǎn)距離、更高速率和更完善的現(xiàn)實(shí)安全性等方向不斷發(fā)展。如，2005年4月，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)[1]，在國(guó)際上首次驗(yàn)證了通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。

▲圖1. 自由空間量子糾纏與密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2007年，我國(guó)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100公里的基于誘騙態(tài)BB84協(xié)議的QKD實(shí)驗(yàn)[2]，從而開(kāi)啟量子通信技術(shù)實(shí)用化的大門。

▲圖2. 100 km誘騙態(tài)BB84實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室科研方面，目前QKD成碼距離已經(jīng)從首次桌面實(shí)驗(yàn)的32cm拓展到了1000km以上，密鑰分發(fā)速率突破到100Mbps以上，同時(shí)現(xiàn)實(shí)安全性也得到了系統(tǒng)性的建立和實(shí)現(xiàn)。

量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（QKDN）建設(shè)

量子通信的長(zhǎng)期目標(biāo)是構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，廣泛認(rèn)可的發(fā)展路線是：通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域范圍內(nèi)的量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)中繼分段傳輸實(shí)現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里甚至是全球化的量子通信。

世界很多國(guó)家和地區(qū)都在競(jìng)相推進(jìn)QKDN試驗(yàn)與建設(shè)。如，美國(guó)于2023年11月啟動(dòng)了 “量子走廊”項(xiàng)目[3]，目前已建設(shè)了從芝加哥到俄亥俄州長(zhǎng)約300公里的量子安全傳輸基礎(chǔ)設(shè)施（quantum-safe transmission infrastructure）。

▲圖3. 美國(guó)芝加哥到俄亥俄州量子安全傳輸基礎(chǔ)設(shè)施

歐洲于 2019 年啟動(dòng)了量子通信基礎(chǔ)設(shè)施（EuroQCI）計(jì)劃，該計(jì)劃由歐盟資助，旨在未來(lái)10年建設(shè)覆蓋整個(gè)歐洲的量子通信網(wǎng)絡(luò)。該倡議涉及 27 個(gè)歐盟成員國(guó)以及歐洲航天局 （ESA），由陸基和天基部分組成。目標(biāo)是應(yīng)對(duì)量子計(jì)算對(duì)敏感數(shù)據(jù)帶來(lái)的安全威脅[4]。

▲圖4. 歐盟EuroQCI計(jì)劃

我國(guó)在量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)方面在全球處于領(lǐng)先。如，2013年7月22日，量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目獲得國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，正式啟動(dòng)項(xiàng)目建設(shè)，并于2017年9月正式開(kāi)通。作為世界首條長(zhǎng)距離量子通信保密干線[5]，“京滬干線”全長(zhǎng)2032公里，共32個(gè)節(jié)點(diǎn)，目前已開(kāi)展政務(wù)、金融、能源、云服務(wù)等行業(yè)的應(yīng)用示范。

▲圖5. 京滬干線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在此基礎(chǔ)上，我國(guó)又于2022年建成了國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)（CN-QCN），總長(zhǎng)超過(guò)1萬(wàn)公里，覆蓋京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、東北等區(qū)域的17個(gè)省市約80個(gè)城市，支持多類型QKD設(shè)備異構(gòu)接入，并與“墨子號(hào)”和量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”對(duì)接，具備全球（包括島嶼、船舶、駐外機(jī)構(gòu)等）量子密鑰投送能力，在成碼率、可用性、可運(yùn)營(yíng)性等關(guān)鍵指標(biāo)均處于全球領(lǐng)先地位[6]。

▲圖6. 國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

近期，CN-QCN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營(yíng)單位國(guó)科量子在《npj Quantum Information》期刊發(fā)表了文章

Implementation of carrier-grade quantum communication networks over 10000 km

異構(gòu)組網(wǎng)

QKD 網(wǎng)絡(luò)包含大量中繼節(jié)點(diǎn)，需配備眾多 QKD 設(shè)備。由于不同節(jié)點(diǎn)間距離、所處環(huán)境存在差異，采用不同協(xié)議或編解碼方案的設(shè)備適用于不同類型的中繼節(jié)點(diǎn)。目前常用的QKD協(xié)議包括離散變量（DV）QKD協(xié)議和連續(xù)變量（CV）QKD協(xié)議，DV-QKD把比特信息編碼于單光子，發(fā)展最成熟的協(xié)議為 BB84，其主流實(shí)現(xiàn)包括偏振編碼與相位編碼：偏振編碼支持較高調(diào)制速率，相位編碼光纖擾動(dòng)不敏感。CV-QKD將比特信息編碼在連續(xù)光場(chǎng)上，目前成熟的方案為高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議（如GG02協(xié)議）。CV-QKD在近距離內(nèi)密鑰率更高，而DV-QKD的傳輸距離更遠(yuǎn)。

▲圖7. 離散變量QKD和連續(xù)變量QKD協(xié)議示意圖

在大規(guī)模部署 QKD 設(shè)備的場(chǎng)景中，QKD 網(wǎng)絡(luò)需具備異構(gòu)組網(wǎng)能力，以兼容不同廠商、不同類型的 QKD 設(shè)備，CN-QCN 目前已具備此種能力。CN-QCN 主要由骨干網(wǎng)與城域網(wǎng)構(gòu)成。其中，骨干網(wǎng)采用了四種基于誘騙態(tài) BB84 協(xié)議的高速商用 QKD 設(shè)備，涵蓋偏振編碼系統(tǒng)與相位編碼系統(tǒng)，可以應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)距離的密鑰分發(fā)需求；同時(shí)，在部分衰減較大的鏈路中，采用探測(cè)效率較高的 QKD 系統(tǒng)，以提升密鑰率。城域網(wǎng)為降低部署成本，配置了部分基于誘騙態(tài) BB84 協(xié)議的低速系統(tǒng)及 CV-QKD 系統(tǒng)，這些 QKD 系統(tǒng)既能滿足城域網(wǎng)的使用需求，又可減少設(shè)備部署成本。

圖8展示了城域網(wǎng)中基于誘騙態(tài)BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)與基于CV-QKD系統(tǒng)的實(shí)際密鑰率與仿真密鑰率情況?？梢钥闯鱿啾扔贐B84協(xié)議系統(tǒng)，CV-QKD系統(tǒng)在短距離的成碼率具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以適用于城域網(wǎng)較低光纖衰減的場(chǎng)景。

▲圖8. CN-QCN城域網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)密鑰率

這些QKD設(shè)備都考慮了主要的量子黑客攻擊方式，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的防護(hù)措施。例如，采用誘騙態(tài)方案防止了光子數(shù)分離攻擊；QKD系統(tǒng)的發(fā)送端配備了環(huán)形器以實(shí)現(xiàn)高隔離度，防止特洛伊木馬攻擊、激光種子注入攻擊；接收端通過(guò)精確設(shè)置探測(cè)器延時(shí)來(lái)防止時(shí)移攻擊，另外接收端也配備了電監(jiān)控器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控單光子探測(cè)器的輸出電流，以應(yīng)對(duì)探測(cè)器致盲攻擊。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維

要想保障如此龐大的量子通信網(wǎng)絡(luò)健康、穩(wěn)定地運(yùn)行絕非易事，首先需要一套完善的網(wǎng)絡(luò)路由管控機(jī)制來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)控制壓力。如，CN-QCN采用了兩級(jí)控制方案，1 級(jí) QKDN 控制器可通過(guò)控制多個(gè) 2 級(jí) QKDN 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)區(qū)域的路由管控，如圖9所示。

▲圖9. CN-QCN功能架構(gòu)。QKD：量子密鑰分發(fā)設(shè)備，KM：密鑰管理器，QKDN-C：量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制器，EMS：網(wǎng)元管理系統(tǒng)，NMS：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，User：用戶。

其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行分級(jí)也是提高運(yùn)維效率的關(guān)鍵因素。如，可以借鑒社區(qū)“網(wǎng)格化管理”的理念，令各區(qū)域的網(wǎng)元管理系統(tǒng)收集本地網(wǎng)元信息，并上報(bào)至量子網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維中心的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采集服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

另外，由于不可抗力因素，如光纖被意外切斷等導(dǎo)致鏈路中斷時(shí)有發(fā)生，建立完善的災(zāi)備機(jī)制也是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維保障工作的重要一環(huán)。如，CN-QCN采取了提前進(jìn)行密鑰中繼，關(guān)鍵設(shè)備冗余、環(huán)網(wǎng)保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)故障快速分析等手段減少網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷帶來(lái)的影響。未來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷完善、設(shè)備穩(wěn)定性和運(yùn)維技術(shù)的不斷提高，QKD網(wǎng)絡(luò)可用性將可以達(dá)到媲美電信網(wǎng)絡(luò)的水平。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-025-01089-8

小結(jié)

在量子計(jì)算威脅逐步迫近的當(dāng)下，QKD被認(rèn)為是抵御量子計(jì)算攻擊的有效技術(shù)手段。歷經(jīng)四十余年的積淀，該技術(shù)已在真實(shí)場(chǎng)景中驗(yàn)證了其安全性與可用性。全球科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相布局量子通信網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)方面領(lǐng)先全球。特別是國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)（CN-QCN），已成為我國(guó)重要的信息安全基礎(chǔ)設(shè)施，為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)展量子通信在信息安全領(lǐng)域的服務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。展望未來(lái)，量子通信正以蓬勃之勢(shì)邁向規(guī)?；?、融合化發(fā)展新階段，有望成為構(gòu)建下一代量子互聯(lián)網(wǎng)的核心支柱。

參考文獻(xiàn)：

[4] CNECT,2020.9,《Detailed system study for a Quantum Communication Infrastructure, CNECT/LUX/2020/CPN/0062–PART I - Administrative specifications》,P5

[5]

[6]

[7]