全球量子保密通信网络发展研究

ComputerScienceandApplication计算机科学与应用,2018,8(10),1628-1641PublishedOnlineOctober2018inHans.://doi.org/10.12677/csa.2018.810179文章引用:陈非凡,胡鑫煜,赵英浩,胡勇战,闫争争,李宏欣.全球量子保密通信网络发展研究[J].计算机科学与应用,2018,8(10):1628-1641.DOI:10.12677/csa.2018.810179DevelopmentAnalysisonGlobalQuantumSecureCommunicationNetworkFeifanChen1,XinyuHu1,YinghaoZhao1,YongzhanHu2,ZhengzhengYan1,HongxinLi1,31PLAStrategicSupportForceInformationEngineeringUniversity,LuoyangHenan2ZhengzhouAuditCenter,ZhengzhouHenan3StateKeyLaboratoryofCryptology,BeijingReceived:Oct.7th,2018;accepted:Oct.22nd,2018;published:Oct.30th,2018AbstractWiththepopularizationofinternationalInternettechnologyandtherapiddevelopmentofquantuminformationtechnology,theconstructionofquantumsecurecommunicationnetworks(QSCN)hasreceivedextensiveattentionandthestrategicsignificanceofdevelopingquantumsecurecommu-nicationtechnologiesisbecomingmoreandmoreimportant.ThispaperintroducesandanalyzestheconstructionofQSCNinmajorquantumR&DcountriesandregionssuchastheUnitedStates,theEuropeanUnion,JapanandChinaaroundtheworldoverthepastdecadeindetails.Itre-searchesandcomparesthepivotaltechnologyusedintheconstructionoftypicalQSCN.AndthedevelopmenttrendsandcharacteristicsoffutureQSCNaresummarizedandforecasted.KeywordsQuantumCryptography,QuantumPrivateCommunication,QuantumCommunicationNetwork,QuantumKeyDistribution全球量子保密通信网络发展研究陈非凡1，胡鑫煜1，赵英浩1，胡勇战2，闫争争1，李宏欣1,31中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，河南洛阳2郑州审计中心，河南郑州3密码科学技术国家重点实验室，北京收稿日期：2018年10月7日；录用日期：2018年10月22日；发布日期：2018年10月30日摘要随着国际互联网技术的普及和量子信息技术的飞速发展，量子保密通信网络建设受到了广泛关注，发展陈非凡等DOI:10.12677/csa.2018.8101791629计算机科学与应用量子保密通信技术的战略意义越来越重要。本文对近十年来美国、欧盟、日本和中国等全球主要量子研发国家和地区的量子保密通信网络发展建设情况进行详细的介绍和分析，研究对比了典型量子保密通信网络建设采用的关键技术，总结和展望了未来量子保密通信网络的发展趋势和特点。关键词量子密码，量子保密通信，量子通信网络，量子密钥分发Copyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言随着经济全球化的发展和国际互联网的普及，互联网信息安全受到世界的高度关注与重视。密码技术作为信息安全领域最重要的内容之一，为确保一个国家的政治、经济、军事、社会等各方面的信息安全做出了突出的贡献。量子密码学作为密码技术领域的新星，在近二十多年里发展迅速，是公认的未来最可能成为主流密码技术的代表之一。量子保密通信技术则是基于量子力学原理，利用量子纠缠效应进行通讯的新型安全通信技术，其运用了大量的量子密码学相关知识原理。量子通信的最大优点是具有理论上的无条件安全性。因此，量子通信技术以其无比的优越性，在国家安全、金融经济等信息安全领域具有重大的应用价值与前景。针对不断发展的量子保密通信技术，上世纪80年代末开始，美国、日本、欧盟等主要西方国家和组织的政府、军方及主要大型公司均制定了相应的量子保密通信发展计划、同时投入大量人力和资金进行研究，在实现百公里级点对点量子密钥分发的基础上建立了各国的量子保密通信网络，大量研究成果居于世界领先地位。本世纪初，量子保密通信技术的实地网络相继出现，以美国研发的一系列量子通信网络最为突出，首先是美国DARPA量子密钥分发网络，随后，美国国家标准技术局(NIST)量子网络、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室量子网络和美国伯特利(Battelle)量子网络相继诞生，其中伯特利量子网络作为商业公司研发的量子网络代表，有着巨大的商业价值与应用前景。欧盟在量子通信网络方面的研究紧随其后，从2004年开始，欧盟组织及各成员国先后建立了欧洲SECOQC量子保密通信网络、瑞士日内瓦量子网络、西班牙马德里量子通信网络等。日本方面，规划多年的东京量子通信网络(TokyoNetwork)于2010年10月正式建成，标志着日本也步入了量子通信领域发展的快车道。中国方面，2016年8月16日1时40分，全球首颗量子通信卫星“墨子号”在酒泉成功发射升空，这标志着量子密码的实用化进程迈出重要一步。本文将从区域角度，对全球主要国家和地区的量子保密通信网络建设发展现状进行总结性介绍，对比典型量子保密通信网络特点，有利于研究人员掌握关键技术、找到差距、提供建议，加强人们对量子保密前沿技术的掌控的同时，培育面对世界领先科技时的广阔视野和全球思维，这对于量子保密通信发展建设的宏观研究具有重要的参考价值。2.美国量子保密通信网络发展2.1.美国DARPA量子通信网络DARPA即“DefenseAdvancedResearchProjectsAgency”(美国国防部高级研究计划局)，该局研发的DARPA量子密钥分发网络是世界上第一个实地建设的量子保密通信网络。DARPA量子密钥分发网络于2002年开始架构设计，2003年10月23日在BBN技术公司的实验室OpenAccess陈非凡等DOI:10.12677/csa.2018.8101791630计算机科学与应用正式开始全面运作。2004年6月，该网络在连接BBN、哈佛大学和波士顿大学的剑桥街地下光纤中进行了连续运行，此次连续运行的DARPA网络是一个六节点量子网络，如图1所示。2004年12月，该网络成为了国际上首个可应用于互联网的量子密码网络系统[1]。此次运行的网络同样包含了六个节点，其中四个节点在BBN公司内部，另外两个节点由美国国家标准技术局和QinetiQ公司提供。2006年，DARPA成功建设8节点的量子密钥分发网络。2007年，这个网络成功建设到10个节点。DARPA量子密钥分发网络支持多种量子密钥分发技术，其中包括光纤信道的相位调制量子密钥分发、光纤信道的纠缠光源量子密钥分发和自由空间量子密钥分发技术。该网络包含的量子密钥分发系统有四种，其中两种是BNN技术公司团队研制的利用弱相干光源的量子密钥分发系统和基于纠缠光源的量子密钥分发系统，另外两种是由美国国家标准技术局(NIST)的利用了衰减激光脉冲原理的量子分配系统和QinetiQ公司的自由空间量子密钥分发系统。2.2.美国国家标准技术局(NIST)量子通信网络2006年，美国国家标准技术局(NIST)演示了一个“三用户有源量子网络”，包括一个发射端(Alice)和两个接收端(Bob1,Bob2)，发射端与接收端使用有源光开关相连接，每个接收端与发射端相距约1公里并通过光纤联通，其筛选之后的密钥速率超过1Mb/s。如图2所示，该通信网络在Alice发射端有两个用来改变通信波长的光开关。经典通信使用1550nm波段，量子通信使用850nm波段。在发射端(Alice)和一号接收端(Bob1)之间可以使用850nm单模光纤的量子信道(HI780)或标准电信光纤的经典信道(SMF28)，它们的长度均为1公里。在发射端(Alice)和二号接收端(Bob2)之间，经典信道和量子信道均为标准电信光纤(SMF28)，长度也均为1公里。在量子信道末端，有一小段具有空间滤波器功能的HI780纤维，用来消除混杂在1550nm纤维中的850nm高模式成分。整个网络系统采用编程可控的偏振控制器补偿偏振在光纤中的传输变化，其中一号接收端(Bob1)采用液晶型偏振控制器，二号接收端(Bob2)采用压电型偏振控制器。Figure1.DARPAQuantumkeydistributionnetworkstructure图1.DARPA量子密钥分发网络结构陈非凡等DOI:10.12677/csa.2018.8101791631计算机科学与应用Figure2.NISTThree-nodequantumsecurecommunicationnetworkstructure图2.NIST三节点量子保密通信网络结构2.3.美国洛斯阿拉莫斯国家实验室量子通信网络2000年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLaboratory)的研究成果使量子通信在自由空间里进行的量子密钥分发的传输距离达到了1.6公里[2]；2006年，该实验室进一步实现了其提出的诱骗态方案，完成了超过100公里的量子保密通信实验，基本达到城际量子保密通信在距离上的要求。洛斯阿拉莫斯国家实验室的量子网络是一个以独立网络为核心的量子通信网。该实验室创建量子网络的方法是基于“轴–辐”式网络架构，所有传送的信息都经过“轴”，所有进入“轴”的信息都经过量子加密，当信息到达“轴”时，先转变成传统的信息形式，再转变成量子比特向外辐射状传送。所以，在该量子网络系统中只要“轴”安全，整个网络就安全。2012年12月，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究小组在伊利诺伊大学香槟分校(UniversityofIllinoisUrbana-Champaign)演示了量子保密通信在政府能源电网可靠网络基础设施数据传输中的优势。在测试中，该小组使用了25公里的光纤链路，发现通信等待时间仅仅约为125微秒，与传统保密通信相比，有更高的安全性和更好的高效性。2.4.美国伯特利量子通信网络2012年6月，美国伯特利公司和瑞士IDQuantique公司合作，开始着手建立美国首个商用量子加密通信网络——伯特利量子通信网络。伯特利量子通信网络的具体建设主要分为以下四个步骤：1)在实验室内对30公里至100公里的盘卷光纤量子密钥分发系统进行测试；2)在俄亥俄州的哥伦布市，使用现有的商用通信设备及商用光纤，连接测试位于两个不同位置的量子密钥分发系统，测试距离为25公里至50公里；3)2015年中下旬，在哥伦布市内使用商