美国叫停量子通信？注意：QKD≠量子通信

光子盒研究院出品

1月3日，徐令予的一篇《美国国家安全局重拳出击 量子通信工程被判出局》引发了激烈讨论。文章表示，2020年11月18日，美国国家安全局(NSA)发表了一篇关于量子密钥分发和量子密码的政策报告。“这份报告其实相当于是一份QKD的死亡证明书。”

NSA网站上的确有这份报告，NSA不建议使用量子密钥分发和量子密码术来确保国家安全系统(NSS)中的数据传输，除非能解决以下这些技术困境。

1）量子密钥分发只是部分解决方案。

2）量子密钥分发需要专用设备。

3）量子密钥分发增加了基础架构成本和内部风险。

4）确保和验证量子密钥分发的安全性是一个重大的挑战。

5）量子密钥分发会增加拒绝服务(DoS)的风险。

NSA认为抗量子(或后量子)加密比量子密钥分发更具成本效益，更易于维护。出于所有这些原因，NSA不支持使用QKD或量子密码来保护国家安全系统中的通信，不打算认证或批准任何QKD或量子密码安全产品供NSS客户使用，除非这些限制被克服。

链接：

https://www.chainnews.com/articles/606775457487.htm

这份报告仅针对QKD，但是徐令予的标题却说“量子通信被判出局”，完全将QKD与量子通信混为一谈了。

根据基本概念，量子密钥分发只是量子通信中的一部分，属于量子保密通信，而且量子保密通信还包括量子随机数发生器、量子数字认证等其他技术，因此QKD≠量子通信。

目前量子通信中最受各国关注的是量子隐形传态(QT)，QKD的作用是保密，而QT的作用是传输量子信息(量子比特)。通过纠缠，身处两地的Alice能轻易将量子比特传输给Bob。

Alice和Bob从各自的量子比特向对方发送一个光子，因为光子与原来的量子比特纠缠，当它们相互作用时，Alice和Bob的量子比特也会纠缠在一起。

如果Alice和Bob相距遥远，那么需要通过一个或多个量子中继器来建立纠缠，中继器中的一个量子比特与Alice的量子比特纠缠，另一个与Bob的量子比特纠缠，通过对中继器中的两个量子比特执行操作，将Alice和Bob的量子比特纠缠在一起。

如果Alice想通过连接向Bob传输量子信息，可以对她的纠缠量子比特（粉色）和她想传输的量子比特（灰色）做“贝尔测量”，此时灰色量子比特与Alice、Bob之前相互发送的两个光子纠缠在了一起。

然后Alice把测量的信息发送给Bob，可以通过传统互联网，有了这些信息，Bob可以对他的量子比特进行操作，使其处于Alice的第二个量子比特原来的转态，这样量子信息就可以从Alice传输到了Bob。而不需要实际传输物理量子比特，使得传输变得万无一失。

上个月，由加州理工学院、NASA喷气推进实验室(JPL)和费米国家实验室组成的研究团队宣布建立了两个试验台，使用现有的材料和最先进的量子设备，在44公里的距离内准确地传输量子信息。在这项最新的研究中，量子隐形传态的保真度超过了90%。

这项研究是建立未来量子互联网的重要一步，将彻底改变安全通信、数据存储、精密传感和计算领域。

因此，“量子通信被判出局”完全不成立。

NSA叫停QKD，技术限制和资金投入较多是主要原因。

客观来讲，美国在QKD方面落后于中国。虽然美国国防高级计划研究局(DARPA)在2003年建立了第一个QKD网络，但是之后发展缓慢，特别是在应用层面。

中国自2009年在芜湖建立了世界上第一个“量子政务网”以来，量子保密通信网络在全国如火如荼地建设。2016年中国完成“墨子号”量子通信卫星的发射，2017年2000公里的京沪量子干线完工。

而美国在2018年10月，Quantum Xchange公司才部署第一个量子密钥分发实用网络，支持纽约到新泽西的量子密钥分发服务，并继续向全国扩展。

对于美国而言，中国已经在QKD投入了巨额资金，如果要达到中国的规模，必须投入大量的资金。反之，美国的抗量子密码研究领先于中国，NIST早在2016年启动了抗量子密码的标准化工作，中国至今未启动。因此，美国将资金投入到抗量子密码研究更为有利。

这就相当于量子计算领域有不同的技术路线，量子信息技术发展处在早期阶段，没有人可以确定哪种技术路线一定是最好的。因此，各个研究组织一定选择自身有先发优势的一种技术路线，即使目前离子阱风光无限，IBM、谷歌也不可能放弃已经投入多年的超导技术。

对于中国来说也是一样的，我们在QKD领域投入了大量资金和时间，如果美国放弃，我们就放弃，无疑是自废武功。而且NSA的态度不完全代表美国政府的态度，现在说美国放弃QKD还为时尚早。

实际上，目前还不能确定QKD和抗量子密码(PQC)哪个更好。

对于PQC而言，相比于从事经典密码分析专家的数量，具有密码分析的经验，又能够深入理解量子计算的专家十分稀缺。因此对于PQC算法的量子攻击分析也许也并不充分。严格地说，PQC算法的抗量子性是基于格和编码等底层数学问题的量子困难性假设，这一假设还有待时间的检验。

虽然QKD存在技术缺陷，但是还有很大的进步空间。目前，对于物理器件性能偏差或缺陷所导致的QKD安全漏洞的攻防研究和实际演练已经展开。

针对QKD可信中继安全性的问题，目前通过两方面来解决，一是增加无中继距离，2020年中国实现500公里的光纤量子密钥分发，再次获得世界纪录，中国应用“墨子号”量子科学实验卫星，实现基于纠缠光子的相距1120km两地间的量子密钥分发；二是研制量子中继器。

中国多年来在QKD领域的投入意义深远，现在用于QKD的光纤和卫星，也是量子隐形传态发展的必要条件，更是未来量子互联网的基础。

既然中国QKD领先美国，美国PQC领先中国，而且QKD和PQC孰好孰坏尚无定论，我们有什么理由放弃QKD。

更何况QKD和PQC也不是不可兼得。中国信息协会量子信息分会建议，在当前以及近未来的技术条件下，可以将QKD与后量子密码相结合。

后量子密码能应用于QKD网络中实现设备间的签名认证，即QKD网络协议执行需要待交互的设备间完成了可信认证作为前提，除通过 预置密钥认证的方式外，结合使用PQC的公钥认证方法是较完善的量子安全解决方案。QKD技术能够为PQC系统生成所需要的成对临时密钥或工作密钥，通过QKD不断更换加密密钥，可获得很强的前向安全性。

这种“QKD+PQC”类型的应用方案使密码系统整体能够应对量子攻击。

关于徐令予

自2015年起，徐令予空降中国自媒体，有时自称“人工智能”学家，有时自称其研究领域为等离子体物理，多数时候自称为物理系研究员。2016年至今，一直自称加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理系研究员。但是，在Google和web of science上查不到徐的任何专业性研究论文。

参考文献：

[1]量子安全技术白皮书（2020）

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