清华大学量子通信研究现状论文

在理论上绝对安全的量子通信“惊现破绽”？一篇研究量子通信攻防的论文引发广泛讨论，中科大量子通信团队迅速做出了多重回应，从学理讨论升级到实战演练。

先有中科大量子通信领军人物潘建伟院士等5名科学家联名撰文指出所谓的“破绽”早已有解决方案，目前量子通信安全性正在逼近安全系统。3月20日，科大国盾量子技术股份有限公司（下简称“科大国盾量子”）更宣布提供商用量子密钥分发产品，摆设擂台，成功窃取到量子密钥的攻擂者将获奖100万元人民币。

潘建伟的学生“击穿最强加密之盾”？

这篇触发量子通信安全性讨论的文章由某微信公众号在3月12日翻译加工自《麻省理工 科技 评论》，题为《量子加密惊现破绽：上海交大团队击穿“最强加密之盾”，实验成功率竟高达60%！》。

文章介绍了一项上海交通大学金贤敏组收录于预印本网站、尚未正式发表的论文成果。

值得一提的是，金贤敏是潘建伟的学生，2004年至2010年在中科大读博并从事博士后工作。

量子通信的本质是将信息编码在光子上。由于量子力学独特的态叠加和不可克隆性质，任何试图截获读取光子的窃听者都会破坏光子上的信息，窃听行为就此暴露。因此，量子通信在理论上是一种绝对安全的通信手段。

然而，由于现实中存在一些设备和工程学上的限制，难以百分百复制完美的理想情况。因此，自量子通信被提出以来，不少学者就试图通过研究“窃听”的现实可行性以推动该领域的安全性。

该文章写道：“上海交通大学研究团队近来在经过不断的实验与尝试之后，发现了现有量子加密技术可能隐藏着极为重大的缺陷，攻破这个最强的加密之盾却不需要什么神兵利器，而是利用‘盾’本身就存在的物理缺陷。这个研究这将可能导致量子加密从原本印象中的坚不可破，转而变成脆弱不堪。……

目前被广泛应用在量子通信中的 QKD（Quantum Key Distribution，量子密钥分发）方法并不完美，研究团队通过将具有不同种子频率的光子注入激光腔来改变激光频率的方法，进而观察注入光子的半导体激光器的动态，最终居然获得高达 60％的信息盗取成功率。”

论文作者：攻击，是为了让量子密码无懈可击

金贤敏表示，报道中有一些不够准确和深入的部分。他的文章在理论上提出了一种针对量子密钥分发实际系统源端物理漏洞的攻击方案，并通过实验数据验证可行。这个工作提醒并强调，为了更高的安全性，实际量子密钥分发系统中源端的高对比度的光隔离不仅不可或缺，而且要非常大。目前的实际系统中，有的光源已经采取了高对比度的光隔离，但有的光源还没有。

“我们的工作并不否认量子密钥分发理论上的绝对安全性，相反正因为量子加密提供了理论上的绝对安全，使得人类追寻了几千年的绝对安全通信几近最终实现。而我们不断的针对实际系统的物理安全漏洞问题的研究正是为了这个绝对安全性变得更加可靠。攻击，是为了让量子密码更加安全、无懈可击。” 金贤敏写道。

5名科学家联合撰文：正在逼近理想系统

由于“此文在微信号发布后，国内很多关心量子保密通信发展的领导和同事都纷纷转来此文询问我们的看法”，3月14日，中科大的徐飞虎、张强、潘建伟和清华大学的王向斌、马雄峰等5名量子科学家联合撰文对量子通信安全性进行了科普。

文章指出，量子密钥分发逐步走向实用化研究，出现了一些威胁安全的攻击，这并不表示安全性证明有问题，而是因为实际量子密钥分发系统中的器件并不完全符合理想协议的数学模型。归纳起来，针对器件不完美的攻击一共有两大类，即针对发射端--光源的攻击和针对接收端--探测器的攻击。

金贤敏组的实验工作就属于对光源的木马攻击。这类攻击早在二十年前就已经被提出，而且其解决方案就正如他本人宣称的一样，加入光隔离器这一标准的光通信器件就可以了。

按照文章中的攻击方案，需要使用约1000瓦的激光反向注入。5名科学家认为，如此高能量的激光，无论是经典光通信还是量子通信器件都将被破坏，这就相当于直接用激光武器来摧毁通信系统，已经完全不属于通信安全的范畴了。

“总之，虽然现实中量子通信器件并不严格满足理想条件的要求，但是在理论和实验科学家的共同努力之下，量子保密通信的现实安全性正在逼近理想系统。目前学术界普遍认为测量器件无关的量子密钥分发技术，加上自主设计和充分标定的光源可以抵御所有的现实攻击。”

量子通信龙头企业“邀您来攻擂”

3月19日，济南量子技术研究院在官网上发布了量子通信摆“安全擂台”的消息。

该院表示，量子通信行业内普遍认为，量子密钥分发技术已知的现实安全性漏洞都已具有可靠的防御措施。即便如此，他们对量子密钥分发的安全性实践，依然保持“大胆假设，小心求证”的审慎态度，而且，从科学的角度，客观的分析和严谨的实验是应有之义。

济南量子技术研究院联合科大国盾量子共同建成了量子攻防实验室。在攻防实验室里，被攻击的系统为由科大国盾量子生产的一对高速量子密钥分发设备，包括一台发送端和一台接收端。

济南量子技术研究院成立于2011年5月，在全球首条商用量子保密通信干线“京沪干线”的建设、运行过程中扮演了重要的节点作用。近日获批的《济南市量子信息产业发展规划》提出，到2030年,济南将实现量子信息产业规模300亿元,具备千亿级产业发展能力。目前，济南高新区已在中心区规划占地面积230亩的量子谷，分三期打造。

3月20日，科大国盾量子也在官方微信号上发布了“安全擂台”的消息：“耳听为虚，眼见为实。欢迎来到现实世界！究竟量子密钥分发的安全性如何？是的确如其支持者所言那样不怕窃听，还是像某些传言所说的那样，在实际中的安全性未经检验脆弱不堪？”

科大国盾量子计划举办系列擂台，在第一期擂台中，由科大国盾量子生产的一对发送端和接收端被安置在同一个房间内，连接设备的光纤链路则被完全开放地放在另一个房间内，任攻击者处理，最后以攻击者能成功获得最终密钥且不被通信双方察觉为判定标准。

成功攻击并窃取到量子密钥的攻擂者，将获得国盾量子提供的100万人民币奖金。

基于潘建伟团队的研发力量，成立于2009年的科大国盾量子已经崛起为量子通信龙头企业。公开资料显示，中科大资产经营有限责任公司目前持股18%，为公司第一大股东；潘建伟持股，紧随其后。潘建伟团队核心成员、中科大研究员彭承志担任董事长。

据介绍，擂台举办期间，组织方将通过网络实时更新活动进展、活动花絮，并邀请国盾量子的量子专家、安全专家和国际标准专家，做一些科普工作，普及量子技术、量子通信、量子密钥分发、量子“黑客”等各个方面的知识。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟教授及其同事，利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。2010年，中国科学技术大学和清华大学的研究人员完成了一项创举，他们的自由空间量子通信实验将通信距离从先前的数百米记录一步跨越到16公里。此刻，中国科学技术大学上海研究院的研究人员再次创造了新纪录，他们将通信距离扩大到了97公里，横跨中国的一个湖泊。报告发表在预印本网站上。研究人员在海拔约4000米的青海刚察湖上完成了这次自由空间信道量子实验，他们不是在湖这边发射光子，然后让它在湖对岸重新出现，而是利用量子纠缠——即两个量子态互相影响的粒子——在新地点重新创造出相同的量子比特。他们在四个多小时内向97公里外远距传输了1100多个光子。将量子通信距离延长到100公里意味着可以从地面与卫星进行通信，全球范围的量子通信正在变成现实。量子信息因其传输高效和绝对安全等特点，被认为可能是下一代IT技术的支撑性研究，并成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。基于我国2001年以来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域的系列前沿性突破，中科院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项，力争在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人，与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队，于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。实验证明，无论是从地面指向卫星的上行量子隐形传态，还是卫星指向两个地面站的下行双通道量子纠缠分发均可行，为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学原理检验奠定了技术基础 。在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上，基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。已量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。2013年10月，中国科学技术大学郭光灿 院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展：该实验室史保森教授领导的研究小组在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放。这项研究成果在线发表在《自然·通讯》上。 类比于传统的电子通信中为了补偿电信号衰减而进行整形和放大的电子中继器，奥地利科学家在理论上提出，可以通过量子存储技术和量子纠缠交换和纯化技术的结合来实现量子中继器，从而最终实现大规模的长程量子通信。量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。为了解决量子存储问题，国际上人们做了大量的研究工作。比如段路明及其奥地利、美国的合作者就曾于2001年提出了基于原子系综的另一类量子中继器方案。由于这一方案具有易于实验实现的优点，受到了学术界的广泛重视。然而，随后的研究表明，由于这一类量子中继器方案存在着诸如纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问题，无法被用于实际的长程量子通信中。为了解决上述困难，潘建伟、陈增兵和赵博等在理论上提出了具有存储功能、并且对信道长度抖动不敏感、误码率低的高效率量子中继器方案。同时，潘建伟研究小组与德国、奥地利的科学家经过多年的合作研究，在逐步实现了光子—原子纠缠、光子比特到原子比特的量子隐形传态等重要阶段性成果的基础上，最终实验实现了完整的量子中继器基本单元。重要进展：中科大网站2013年10月报道，中国科学技术大学郭光灿 院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展，该实验室史保森教授领导的研究小组在2013年首次成功地实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储与释放，证明了高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团，利用其中一个冷原子团通过非线性过程制备标记单光子，并通过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。而后利用电磁诱导透明效应将其存储于另一个作为存储介质的冷原子团中，实验结果清楚地证明了单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储。同时该小组借助于精心设计的Sagnac干涉仪，通过量子层析技术和干涉技术成功地证明了单光子轨道角动量的叠加性也可以在存储过程中很好地保持，而态的叠加特性是量子信息之所以不同于经典信息的根本之处。 从而在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放，证明了建立高维量子存储单元的可行性，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。 作为新一代通信技术，量子通信基于量子信息传输的高效和绝对安全性，成为近几年来国际科研竞争中的焦点领域之一。合肥城域量子通信试验示范网于2010年7月启动建设，投入经费6000多万元。经过中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司科研人员历时1年多的努力，项目建成后试运行，各项功能、指标均达到设计要求。该项目2012年3月29日通过安徽省科技厅组织的专家组验收，30日正式投入使用。具有46个节点的量子通信网覆盖合肥市主城区，使用光纤约1700公里，通过6个接入交换和集控站，连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。此刻主要用户为对信息安全要求较高的政府机关、金融机构、医疗机构、军工企业及科研院所，如合肥市公安局、合肥市应急指挥中心、中国科学技术大学、合肥第三人民医院及部分银行网点等。合肥量子通信网的建成使用，标志着我国继量子信息基础研究跻身全球一流水平后，在量子信息先期产业化竞争中也迈出了重要一步。此刻，我国北京、济南、乌鲁木齐等城市的城域量子通信网也在建设之中，未来这些城市将通过量子卫星等方式联接，形成我国的广域量子通信体系。