量子保密通信技術(shù)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向網(wǎng)絡(luò)化邁出關(guān)鍵一步

　　本報(bào)北京4月2日訊 (記者 劉英楠) 由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，日前利用自主創(chuàng)新的量子路由器，在北京網(wǎng)通公司商用通信網(wǎng)絡(luò)上完成四用戶量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)的測試運(yùn)行，確保了網(wǎng)絡(luò)通信的安全。專家指出，這是迄今為止國際公開報(bào)道的唯一無中轉(zhuǎn)且可同時(shí)、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著量子保密通信技術(shù)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向網(wǎng)絡(luò)化邁出關(guān)鍵性的一步。

　　信息安全基于現(xiàn)代密碼，通過信息發(fā)送前的加密和接收后的解密得以實(shí)現(xiàn)，因此，使兩個(gè)單位或多個(gè)單位獲得相同的密鑰——密鑰分配——成為其關(guān)鍵步驟?，F(xiàn)有密鑰分配手段基于加密算法的復(fù)雜度，隨著運(yùn)算能力強(qiáng)大的分布式計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，其安全隱患越來越突出，許多高密級(jí)密鑰甚至需要人工運(yùn)送，導(dǎo)致密鑰更換時(shí)間拉長、安全性降低。

　　學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，量子密鑰分配是確保網(wǎng)絡(luò)通信安全的新一代技術(shù)手段。根據(jù)量子力學(xué)的物理原理，加載在光子上的量子密鑰不可竊聽、絕對(duì)安全，能對(duì)竊聽行為進(jìn)行檢測，并極便于與現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的集成。實(shí)際上，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分配技術(shù)已趨于實(shí)際可用。2004年，郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在北京、天津之間成功實(shí)現(xiàn)125公里光纖的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分配，解決了量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

　　但在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的保密通信顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。與之相比，人們更關(guān)注網(wǎng)絡(luò)信息的安全。這樣，量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)作為量子因特網(wǎng)的特例及其步入實(shí)用的必備基礎(chǔ)，自然步入科學(xué)家的研究視野。專家指出，要將量子密碼應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信，首先遇到的障礙就是進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中的量子信息絕對(duì)不能被測量，否則馬上遭到破壞。因此，在不識(shí)別量子信息的前提下，如何使密鑰在網(wǎng)絡(luò)傳輸中自動(dòng)找到特定路徑，將信息完整準(zhǔn)確地傳送給對(duì)方，也就是如何讓路由器“不識(shí)別信號(hào)又能自動(dòng)尋址”，成為學(xué)術(shù)界共同面臨的難題。

　　為攻克量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)這一當(dāng)前國際熱門研究課題，歐洲和北美投入了大量人力物力進(jìn)行相關(guān)研究，已提出環(huán)形、星形、樹形等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和光開關(guān)、被動(dòng)分束、波長路由等尋址方式，美國、歐洲分別搭建了自己的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)，日本的東京大學(xué)、NEC公司等也進(jìn)行了類似研究，但結(jié)構(gòu)較簡單，用戶數(shù)不多，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍只有十幾公里。

　　而且，這些網(wǎng)絡(luò)多數(shù)實(shí)質(zhì)仍為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，采用可信中繼進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，存在安全隱患；網(wǎng)絡(luò)整體性能不理想，絕大多數(shù)已有網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)任意兩用戶之間互通；尋址方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)明顯，例如光分束器無法主動(dòng)選擇所需路徑，光開關(guān)衰減大、結(jié)構(gòu)隨用戶增多趨于復(fù)雜，波分復(fù)用總線型網(wǎng)只能進(jìn)行單向傳輸?shù)鹊取?br />
　　在這種形勢(shì)下，郭光燦小組巧妙地利用波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)出國際上第一個(gè)量子路由器，解決了量子信息自動(dòng)尋址的難題，使量子網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)用戶都能自由選定網(wǎng)內(nèi)任意用戶與其實(shí)現(xiàn)量子密碼通信。今年3月，課題組使用自主創(chuàng)新的量子路由器，以全功能、穩(wěn)定可靠的商用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在北京網(wǎng)通的商用光纖線路上構(gòu)建四端口量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，成功地進(jìn)行了多用戶的測試運(yùn)行。

　　課題組構(gòu)建的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，包括發(fā)射節(jié)點(diǎn)1個(gè)，位于望京，接收節(jié)點(diǎn)3個(gè)，分別位于東小口、南沙灘、望京，其路由器位于東皇城根，用戶之間最短距離約32千米，最長約42.6千米。測試系統(tǒng)通過量子路由器的波長路由進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)尋址，演示了一對(duì)三和任意兩點(diǎn)互通的量子密鑰分配，并在對(duì)原始密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)和提純基礎(chǔ)上，完成了加密的多媒體通信實(shí)驗(yàn)。

　　有關(guān)專家認(rèn)為，該系統(tǒng)在商用光纖網(wǎng)絡(luò)上可以長期穩(wěn)定運(yùn)行，性能優(yōu)于現(xiàn)有的其他量子密碼網(wǎng)絡(luò)方案；同時(shí)，在目前的技術(shù)條件下，它完全可以擴(kuò)建成擁有數(shù)百個(gè)用戶的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。這次實(shí)驗(yàn)的成功，不僅使量子密碼技術(shù)在實(shí)用化道路上邁出關(guān)鍵一步，也為量子因特網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。