量子保密通信技術從點對點方式向網(wǎng)絡化邁出關鍵一步

　　本報北京4月2日訊 (記者 劉英楠) 由中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室，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)絡上完成四用戶量子密碼通信網(wǎng)絡的測試運行，確保了網(wǎng)絡通信的安全。專家指出，這是迄今為止國際公開報道的唯一無中轉且可同時、任意互通的量子密碼通信網(wǎng)絡，標志著量子保密通信技術從點對點方式向網(wǎng)絡化邁出關鍵性的一步。

　　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現(xiàn)，因此，使兩個單位或多個單位獲得相同的密鑰——密鑰分配——成為其關鍵步驟?，F(xiàn)有密鑰分配手段基于加密算法的復雜度，隨著運算能力強大的分布式計算和量子計算機的發(fā)展，其安全隱患越來越突出，許多高密級密鑰甚至需要人工運送，導致密鑰更換時間拉長、安全性降低。

　　學術界普遍認為，量子密鑰分配是確保網(wǎng)絡通信安全的新一代技術手段。根據(jù)量子力學的物理原理，加載在光子上的量子密鑰不可竊聽、絕對安全，能對竊聽行為進行檢測，并極便于與現(xiàn)有光網(wǎng)絡的集成。實際上，點對點量子密鑰分配技術已趨于實際可用。2004年，郭光燦領導的研究小組在北京、天津之間成功實現(xiàn)125公里光纖的點對點的量子密鑰分配，解決了量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

　　但在互聯(lián)網(wǎng)時代，點對點的保密通信顯然遠遠不夠。與之相比，人們更關注網(wǎng)絡信息的安全。這樣，量子密鑰分配網(wǎng)絡作為量子因特網(wǎng)的特例及其步入實用的必備基礎，自然步入科學家的研究視野。專家指出，要將量子密碼應用于網(wǎng)絡通信，首先遇到的障礙就是進入網(wǎng)絡中的量子信息絕對不能被測量，否則馬上遭到破壞。因此，在不識別量子信息的前提下，如何使密鑰在網(wǎng)絡傳輸中自動找到特定路徑，將信息完整準確地傳送給對方，也就是如何讓路由器“不識別信號又能自動尋址”，成為學術界共同面臨的難題。

　　為攻克量子密鑰分配網(wǎng)絡這一當前國際熱門研究課題，歐洲和北美投入了大量人力物力進行相關研究，已提出環(huán)形、星形、樹形等多種網(wǎng)絡拓撲結構和光開關、被動分束、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，日本的東京大學、NEC公司等也進行了類似研究，但結構較簡單，用戶數(shù)不多，網(wǎng)絡覆蓋范圍只有十幾公里。

　　而且，這些網(wǎng)絡多數(shù)實質仍為點對點系統(tǒng)，采用可信中繼進行信息轉發(fā)，存在安全隱患；網(wǎng)絡整體性能不理想，絕大多數(shù)已有網(wǎng)絡無法實現(xiàn)任意兩用戶之間互通；尋址方式和網(wǎng)絡結構缺點明顯，例如光分束器無法主動選擇所需路徑，光開關衰減大、結構隨用戶增多趨于復雜，波分復用總線型網(wǎng)只能進行單向傳輸?shù)鹊取?br />
　　在這種形勢下，郭光燦小組巧妙地利用波分復用技術，設計出國際上第一個量子路由器，解決了量子信息自動尋址的難題，使量子網(wǎng)絡中任意一個用戶都能自由選定網(wǎng)內(nèi)任意用戶與其實現(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對點QKD系統(tǒng)為基礎，在北京網(wǎng)通的商用光纖線路上構建四端口量子密碼通信網(wǎng)絡，成功地進行了多用戶的測試運行。

　　課題組構建的量子密碼通信網(wǎng)絡，包括發(fā)射節(jié)點1個，位于望京，接收節(jié)點3個，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行網(wǎng)絡尋址，演示了一對三和任意兩點互通的量子密鑰分配，并在對原始密鑰進行糾錯和提純基礎上，完成了加密的多媒體通信實驗。

　　有關專家認為，該系統(tǒng)在商用光纖網(wǎng)絡上可以長期穩(wěn)定運行，性能優(yōu)于現(xiàn)有的其他量子密碼網(wǎng)絡方案；同時，在目前的技術條件下，它完全可以擴建成擁有數(shù)百個用戶的量子密碼通信網(wǎng)絡。這次實驗的成功，不僅使量子密碼技術在實用化道路上邁出關鍵一步，也為量子因特網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎。