system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 1.1. 量子安全直接通信发展背景 量子密码技术是一种依托于量子物理基本理论来实现信息安全的新式保密技术，相较于经典加密系统基于数学计算复杂度的安全性描述，量子密码系统理论定义上的安全由量子纠缠效应、量子叠加等量子力学基本原理以及量子隐形传态、量子不可克隆等量子特性来保证。目前，量子密钥分发(Quantum Key Distribution， QKD)是使用最为广泛的一种量子密码技术，其商用产业化逐渐实现，实用性得到了很好的检验。1984年，美国IBM公司的Bennett、加拿大Montreal大学的Brassard首创了BB84量子密钥分发协议，该协议利用量子信道传输可用于经典密码体制的量子密钥 [ 1 ]。因此量子密钥分发技术只是生成并传输密钥而无法直接传输机密信息。 考虑到量子密钥分发技术并不能直接作用于信息通信，科研工作者们便提出了量子安全直接通信的概念，以实现机密信息的直接安全传输。量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication， QSDC)借助不同量子态或量子操作加载信息，综合利用了量子特性以及量子力学基本原理，是一种可实现机密内容直接传输的量子密码技术 [ 2 ]。通信双方利用量子安全直接通信技术交流机密信息，不需要生成密钥，只需要在系统安全性检测、传输错误率估计时交换少量经典信息。机密信息加载于量子态前，通信方就应判断出是否存在窃听，若有窃听，则放弃此次通信过程；若无窃听，就开始传输机密信息。因此，量子安全直接通信也可以用于产生随机密钥来实现量子密钥分发的功能。 2000年，清华大学龙贵鲁、刘晓曙首创了量子数据块传输与分步传输方法，提出了第一个利用EPR纠缠光子对实现的两步高效量子通信方案，可解决通信过程中的信息泄漏难题 [ 2 ]。2003年，龙贵鲁、刘晓曙和北京师范大学的邓富国首次阐明了量子安全直接通信的定义、构造原理，提出了结构更完整、步骤更清晰的利用EPR纠缠光子对实现的两步QSDC方案 [ 3 ]。2003年，邓富国、龙贵鲁首次提出了利用单光子实现的QSDC方案，也称量子一次一密(quantum one-time pad)方案或Deng-Long-04 (DL04)方案 [ 4 ]，该方案在一次一密加密体系中利用了未知量子态的不可克隆特性，阐明了量子安全直接通信的物理机制以及需要满足的通信条件。早期的两个经典方案给出了量子安全直接通信的构造原理和安全判据，为QSDC的深层次发展奠定了坚实的理论基础。 随后几年，QSDC理论研究日益成熟完善，涌现出了很多基于单光子、纠缠粒子的新型QSDC方案，与此同时，QSDC系统在有噪、攻击条件下的安全传输逐渐成为了其发展的关键制约点。2007年，曲阜师范大学满忠晓等人分析了延边大学金星日等人提出的一种基于GHZ态的三方QSDC方案的安全性，发现窃听者依据公开信息可得到部分机密，因此给出了改进方案 [ 5 ]。2008年，北京邮电大学高飞等人研究分析了一种双向QSDC方案在不同攻击下系统的安全性问题，指出窃听者可利用公开的经典信息获取机密的部分内容 [ 6 ]。2009年，福建师范大学林崧等人提出了通过PNS攻击双向QSDC系统的方法并对方案进行了适当改进 [ 7 ]。2011年，南京大学顾斌等人首次研究了噪声条件下具有身份认证功能的QSDC方案 [ 8 ]。2012年，北京邮电大学黄伟等人依据量子加密思想提出了一定程度上可抵抗集体噪声的容错QSDC方案 [ 9 ]。2014年，北京大学安辉耀等人研究了基于稳定子码的QSDC方案，该方案在噪声环境下可实现一定程度上的检错纠错，降低通信误码率 [ 10 ]。2015年，龙贵鲁对噪声环境中的QSDC方案进行了探究 [ 11 ]。 在国内量子安全直接通信的发展日趋成熟的同时，国外也逐步展开对量子安全直接通信的研究。2002年，德国Westfälische Wilhelms大学的K Bostrom、T Felbinger提出了“乒乓”(ping-pong)通信方案，因其在第一轮传输中没有安全性检测，后被证明是不安全的 [ 12 ]。2004年，韩国高等研究院Nguyen等人提出了一个可实现双向通信的QSDC方案 [ 13 ]。2006年，韩国信息安全技术中心Lee等人提出了可验证通信方身份的QSDC方案，但该方案易受攻击 [ 14 ] ；意大利Melbourne大学的Tombesi等人实验证明了简化版的DL04方案 [ 15 ]。2008年美国Cornell大学Stefano Priandola，Samuel L. Braunstein和Stefano Manici、Seth LIoyd提出了一个使用连续变量的QSDC方案 [ 16 ]。2010年，Cornell大学Ola M. Hegazy、Ayman M. Bahaa-eldin和Yasser H. Dakroury提出了基于纠缠态和超密集编码的QSDC方案 [ 17 ]。2015年，乌克兰国际航空大学Sergiy Gnatyuk、Tetyana Zhmurko和波兰Bielsko-Biała大学的Pawel Falat为QSDC方案提供了一种效率加速思想，基于三元伪随机序列和有限域上的相关转换对ping-pong协议进行量子安全放大，既可增加方案安全性，又可提升通信速率 [ 18 ]。2016年，巴西Federal do Ceará大学AntoônioGeovan De Araújo Holanda Guerra、Francisco Franklin Sousa Rios和Rubens Ramos提出了利用连续相干态的数字信号、模拟信号的QSDC方案 [ 19 ] ；同年，伊朗Imam Reza国际大学Milad Nanvakenari、Monireh Houshmand提出了基于四粒子群态的高效QSDC方案，方案可实现认证功能 [ 20 ]。 此后，量子安全直接通信理论研究不断提升发展。随着技术条件的持续升级，其研发重点从理论研究逐步转向了实验验证。2016年，山西大学肖连团等人运用简化频率编码的方法，实验实现了DL04方案 [ 21 ]。2017年6月，中国科技大学和南京邮电大学联合实验，郭光灿等人首次利用量子存储，成功产生并传送、储存、编码了纠缠光子，成功检测了信道安全性，基本实验实现了基于纠缠的QSDC方案。基于此，下一步的QSDC实验在超过百公里的距离上进行，可成为支撑卫星与地球长距离通信以及全球化直接通信网络的研究基石 [ 22 ]。2017年11月，清华大学与南京邮电大学合作，张巍、朱峰、盛宇波和黄翊东等人首次在500米环形光纤中实验验证了QSDC，理论分析证明了凭借当前实验条件可验证相距几十公里的两方通信可行性，量子安全直接通信在实用化进程中取得了突破性进展 [ 23 ]。 1.2. 量子安全直接通信基本原理 经典密码通信系统中，可利用信息论相关知识唯一证明一次一密(one-time pad)保密体系是十分安全的。系统中，每次交互的通信密钥只能使用一次且长度应等于待加密明文的长度。窃听无法避免，但窃听只能获得加密后的操作结果，无法获取加密前的信息，窃听者不会同时拥有加密前后的结果，因此无法获得密钥，也就无法得到机密操作信息。通信过程中，窃听者对合法通信双方间的共享密钥只能进行完全随机猜测，这样加密体系的安全性得以保证。 量子安全直接通信在物理原理上是可行的，其安全原理与一次一密加密体制相似。通信时，对系统的初始量子态进行不改变测量基矢的幺正操作，即编码加密信息，随后可进行信息传送。传输过程中窃听会得到操作后的量子态，但因不知系统初态，就无法读取量子幺正操作信息，机密就不会泄露。此外，用于量子通信的量子态不只是一组基矢的本征态，在多组基矢的本征态综合排列后，窃听者准确读取操作后加载于量子态上的机密难度会增大，这从物理原理上可保证量子安全直接通信的安全性。 量子安全直接通信可直接传输秘密，但必须具备在秘密泄露前就能判断出信道是否安全、有无窃听者存在的能力。数据的块状传输保证通信双方可进行基于随机抽样统计的安全性分析，若存在窃听，窃听行为在分析结果中会有所体现，应放弃传输机密；若不存在窃听，则通过分布传输可保证量子幺正操作加载的加密信息不会泄露。合法的接收者应具备直接读取加密信息的能力，不能依赖于任何经典辅助信息。 判断量子通信方案是否可实现真正的安全直接通信时，关注点应在于方案能否实现秘密信息的直接传输且没有泄露。因此，邓富国、龙贵鲁等人提出了Deng-Long判据 [ 3 ] [ 4 ] 用于进行辅助判断： 1) 借助量子信道传输量子态，只在安全性分析、出错率估计时需要少量经典信息交换，接收方可直接读取加载在量子态上的加密信息。 2) 窃听只能得到与加密信息无关的随机结果。 3) 通信双方在量子态加载秘密之前，就应判断出信道中是否存窃听。 数据应分块传输且应加载于量子态上。 1.3. 量子安全直接通信研究意义 量子安全直接通信的理论创新与实验应用融合发展，取得了一系列的成就。与经典密码体系和量子密钥分发技术相比，量子安全直接通信技术具有很多发展优势，研究意义颇深。 1) 量子安全直接通信没有电磁辐射，理论上窃听或探测易被发现，将其与经典加密体系结合利用，可使系统保密安全性较高，可为保密需求极高的国防、军事等相关领域提供强有力的技术保证。 2) 量子安全直接通信线路时延低，信息传输率较高，可适用于某些紧急情况下的加密信息传输。同时，量子安全直接通信系统不依赖空间环境，无关传播媒介，通信具有较稳定的抗干扰能力和较强的传输能力，实际应用于环境条件恶劣复杂的区域时会有较好的适应能力，可增强密码体制的可靠性与稳定性。 3) 为了满足实际安全保密需求，国内外对量子安全直接通信的研究探索由浅渐深，由理论支撑逐步转向实验验证。量子安全直接通信可能成为未来量子密码研究的主攻方向，进而全球量子密码技术产业可实现实用化、网络化、商业化的综合发展。