浅谈量子通信的安全问题

李嘉忠

（山东省青岛第二中学，青岛 266100）

改革开放以来，我国的量子通信技术飞速发展。截至2017年9月，“京沪干线”的开通和“墨子号”量子卫星的正式运行标志着我国天地一体化的量子通信网络雏形已基本建立。不久之后，“墨子号”量子卫星也实现了千公里级星地双向量子纠缠分发，中国在量子通信技术上已经处于世界领先地位。展望量子通信技术的未来，在突破各种核心技术之后，量子通信技术将会在社会各界有着举足轻重的地位，在各个领域发挥其重大作用。但现阶段量子通信的安全问题是核心问题之一，受到了广泛的关注。本文的重点就是对量子通信安全问题进行分析。

1 量子通信的原理及安全问题

量子通信，是利用量子纠缠效应来传递信息的一种新型的通信方式。所谓的量子纠缠就是两个及两个以上的粒子间不管距离多远，一个粒子状态的改变都会影响到另一个粒子状态的改变的现象。同时量子通信还是量子力学与密码学结合的产物，其原理为利用弱相干光源发射出一定量的光子，同时使光源能级降低到一定数值使原子由激发态跃迁到正常态，向外释放光能，产生的光子被激发出来，分别在这些光子上编码信息，再通过光纤将带有信息的光子发射到接收方，接收方通过解码得到信息。由于量子具有不可复制性，任何微小的环境改变都会引起量子状态的改变，而量子状态的改变也会引起携带信息的改变。窃听者窃听信息时需要复制这份信息，而复制信息的过程中会引起量子状态的改变，从而“销毁”这份信息。这正是量子通信技术绝对安全的物理基础。而在实际中量子通信技术并不能完全达到理论上的研究结果，很多技术只能退而求其次，从而导致了一些安全漏洞的产生。下文主要对安全问题进行分析。

（1）量子通信存在的单光子分离攻击问题分析

理论上量子通信的安全性是由单光子源发射出单光子，而单光子具有不可分割性和不可复制性保证的，即同一种光子不可被拆分，且没法进行克隆。而现在由于技术的不成熟，单光子源的制备存在诸多困难，所以我国现采用弱相干光源技术脉冲光子，它会同时脉冲出多种光子，而这些不同的光子之间是可以再进行分割的。窃听者可以截取信道中的部分光子，利用脉冲将其分离出来，提取其中的量子态并存储从而窃取到一模一样的密码本，并不会被量子通信技术人员发现。

（2）量子通信存在的边信道攻击问题分析

边信道攻击又叫侧信道攻击，利用一些电子设备在运行过程中的各种损耗和接收器、发射器的某些弱点通过一些手段使其主动泄露信息从而窃取。现阶段边信道攻击形式多种多样，可分为电磁攻击、能量攻击、故障攻击和时间攻击。现在已经实现的几种边信道攻击方式：第一、通过电子设备中CPU缓存来监视用户在网站中的操作。第二、通过将恶意软件植入用户电脑，利用此软件传输用户的数据。第三、通过智能手机中FM无线电功能探测电子设备发出的无线电波等等。针对这些问题，目前还没有实现有效地解决，这需要加强用户的安全意识，及时清理电脑缓存及数据，并定期给电脑查杀病毒，可能会缓解这些问题。

2 量子通信的受限问题及不足之处

（1）量子通信的通信距离受限问题分析

量子通信技术是依靠光纤传递信息的，而光纤在传递信息的过程中主要会受到两种限制：地球的曲率和光纤的损耗。而光纤损耗问题是量子通信距离受限的主要原因。光纤技术本身就存在一定损耗，现在，由于光纤信道与量子通信系统没有实现真正意义上的结合，又会使光纤在传递信息时的损耗随距离的增加而增加，这严重限制了通信距离。要解决这一问题最根本的方法在于利用本征色散和本征吸收原理使光纤损耗降到最低并加强光纤通道与通信系统实现高效结合的技术攻关，使通信光纤达到中心玻璃很细且只能传递一种模式的单模光纤效果。

（2）量子通信中通信效率低问题分析

目前量子通信技术还存在产生单光子效率低和探测效率低等问题。对于前者来说，我国目前采用弱相干光源脉冲技术代替单光子源技术发射信息，而多数光子源发出的是空脉冲，不包含任何光子，从而造成了一些不必要的损耗，这就降低了量子通信过程中的传输效率。针对后者而言，这就好比一个十五瓦的灯泡在通电时每秒会产生约10的19至20次方个光子，要从这些光子中捕捉其中一个是极其困难的。其次，每个光子所带能量约为4的负19次方焦耳，要对这么小的能量进行准确探测，这对仪器的精密程度有着极高的要求。这就导致了产生和探测单光子的困难，也是量子通信技术有待提高的地方之一。

3 量子通信安全问题的解决方法

针对以上分析，本人对解决量子通信技术现存的安全问题有如下建议：

第一、量子通信的安全问题并不是由技术本身原因造成的，而是由于某些通信器械的非理想性造成的，窃听者利用通信过程器械的缺陷可采取多种攻击手段。例如，针对探测器的非理想性，可采用伪态攻击、强光致盲攻击、时移攻击等方式。单光源探测器就存在强光致盲现象。通过用强光照射单光子探测器，使单光子探测器的光电流增大，从而导致了探测器的反向偏压降低，这势必会对探测器的探测造成严重影响，使得窃听者能抓住漏洞窃取信息。同时，窃听者利用光源的非理想性，可采用光子数分离攻击、非可信光源攻击、多光源差异攻击等攻击方式；利用通信道中光学器件的非理想性可采取脉冲攻击、相位重映射攻击、法拉第镜攻击等攻击方式，这里不展开论述。对此，通过分析安全问题产生的原因，对相关光学器件进行理想性改良，可大大提高量子通信的安全性

第二、由于目前量子通信技术的不成熟，单光子源的制备存在诸多困难。例如，要满足单光子源的需要，既需要发射源发出的波长较长，又要使量子点密度很低。而目前的大量实验证明，这是很难获得的。所以我国目前采用脉冲技术代替单光子源发射技术进行发射光子实现信息传递，这就造成了脉冲出不止一种光子，而多种光子之间是可以再进行分割的，这样就没有了量子通信理论上的安全基础。这需要我国加强单光子源制备技术的研究，实现真正的单光子源发射技术，将真正实现量子通信的绝对安全性。

第三、加强信息发射方与接收方的安全意识，加强对信息传递过程中的监控工作。首先，由于窃听者采用的技术手段比较极端，我们必须要假设窃听者已经掌握了量子通信的全部技术，在此基础上进行安全问题研究才能保证不再会有监控盲区。其次，一旦发现信息传递过程中的异样问题，应立即终止传输或销毁有关数据，避免窃听者顺利地窃取数据。这也是一种较为有效的办法。

4 总结与展望

量子通信在实际应用中存在的安全问题改变了人们对量子通信技术无条件安全的认识。但随着科技的发展，量子通信技术也在不断发展完善，各国也都极为重视并大力发展。过去二十年间量子通信技术飞速发展，正说明量子通信技术的发展存在巨大潜力，拥有着广发的应用前景。在未来量子通信技术成熟后，必将实现更安全、更高效、更实用的通信，应用到人们日常工作与生活中，并在国防安全和国民经济等领域发挥其巨大作用。