量子密钥分发

利用量子力学特性来保证通信安全性

量子密钥分发（英语：quantum key distribution，简称QKD），是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。

介绍

量子密钥分发的一个最重要的，也是最独特的性质是：如果有第三方试图窃听密码，则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码，必须用某种方式测量它，而这些测量就会带来可察觉的异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传输信息，通信系统便可以检测是否存在窃听。当窃听低于一定标准，一个有安全保障的密钥就可以产生了。

量子密钥分发的安全性基于量子力学的基本原理，而传统密码学是基于某些数学算法的计算复杂度。传统密码学无法察觉窃听，也就无法保证密钥的安全性。

量子密钥分发只用于产生和分发密钥，并没有传输任何实质的消息。密钥可用于某些加密算法来加密消息，加密过的消息可以在标准信道中传输。跟量子密钥分发最常见的相关算法就是一次性密码本，如果使用保密而随机的密钥，这种算法是具可证明的安全性。再实际的运用上，量子密钥分发常常被拿来与对称密钥加密的加密方式，像是高级加密标准这类算法一同使用。也有量子密钥分发的案例，使在完美单一光子来源和侦测器的假设之下所做的比较，这并不容易实现。

量子密钥交换

量子通信中，消息编码为量子状态，或称量子比特，与此相对，经典通信中，消息编码为比特。通常，光子被用来制备量子状态。量子密码学利用量子状态的特性来确保安全性。量子密钥分发有不同的实现方法，但根据所利用量子状态特性的不同，可以分为几类。

协议

BB84协议

查理斯·贝内特（Charles Bennett）与吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）于1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输消息的。发送者（通常称为Alice）和接收者（通常称为Bob）用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量子信道可以是光纤。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特网。公共信道的安全性不需考虑，BB84协议在设计时已考虑到了两种信道都被第三方（通常称为Eve）窃听的可能。

B92协议

这个协议有个弱点，只有无损耗的信道才能保证这个协议的安全性。否则，Eve可以把那些无法得到确定结果的状态截获然后重新制备可以得到确定结果的状态再发出去。

E91协议

阿图尔·艾克特（Artur Eckert）于1991年发表的E91协议应用了量子纠缠科技。在这方法里，Alice和Bob分别接收到EPR对中的一个：

|Ψ> =

之后双方都大量的随机选择基去测量，之后用贝尔不等式验证测量结果，来判断是否有人窃听。

信息协调与隐私增强

密钥分发完成之后的要做两个步骤是信息协调与隐私增强。

重大进展

2022年2月，中科大郭光灿院士团队的韩正甫教授及其合作者，实现了833公里光纤量子密钥分发，将量子密钥分发安全传输距离世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出重要一步。

2022年，中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发网络化研究方面取得重要进展。科研团队实现了抗环境干扰的非可信节点量子密钥分发网络，全面提高了量子密钥分发网络的安全性、可用性和可靠性，向实现下一代量子网络迈出了重要的一步。

2022年6月初，韩国科学技术信息通信部长官李宗昊参观韩国标准与科学研究院（KRISS）量子计算实验室，同时宣布开发50量子比特量子计算机和量子互联网。为此，韩国政府发起了一个由数十家研究机构和私营公司组成的工作组，计划在2026年底前开发一台50量子比特的量子计算机，量子互联网方面，韩国正在建设基于量子密码通信技术的800公里国家网络，相关技术由韩国宽带互联网服务运营商SK电信提供。SK电信方面表示，通过引入软件定义的网络技术，实现动态高效的网络配置，以提高网络性能和监控能力，可快速灵活地应对流量的突然增加。同时，该融合网络具有出色的可扩展性，因为它只需添加量子密钥分发（QKD）即可轻松形成量子加密服务部分，实现了基于量子力学的加密协议。

2023年，中国科学技术大学消息，该校潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验中实现了模式匹配量子密钥分发。研究成果表明，模式匹配量子密钥分发在不需激光器锁频锁相技术的条件下，可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。该成果于2023年3月14日在线发表于国际学术期刊《自然-光子学》。

2023年5月，中国科学技术大学消息，该校潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星、张伟君等合作，通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。

2023年6月，北京量子信息科学研究院袁之良团队与南京大学尹华磊合作，首次在实验上实现打破安全码率-距离界限的异步测量设备无关量子密钥分发（也称模式匹配量子密钥分发），成功实现508公里光纤量子通信，以及破纪录的城际密钥率和双光子干涉距离。

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