什么是量子安全直接通信?它与量子密钥分发相比,有什么优缺点?

发布时间:2023-07-03

  答:量子安全直接通信(QSDC)是用量子态直接传送经典信息的一种通信方式,其所宣称的主要优势是:能够直接利用量子态将信息秘密地从一个终端传输到另一个终端,不用完成分发密钥的步骤,避免了密钥存储过程中潜在的安全隐患。

  然而在实际情况中,QSDC所宣称的优势难以实现,反而造成更大的资源消耗和更低下的效率。

  具体而言,首先,效率极其低下是QSDC的“硬伤”。目前已正式发表的所有QSDC协议[1,2]和实验[3]均采用双向量子态传输,即需要将量子态在同一个信道中进行正向和反向的两次传输,这将会导致巨大的量子态损耗。

  为了说明这一问题,下面假设同样是在长度为100公里的光纤中传输信息,来比较一下QKD和QSDC的损耗。在通常的商用光纤中,光子数目在传输100公里后会衰减至大约百分之一。由于QKD是单向量子态传输,那么光子的传输距离就是100公里,“幸存”的光子即为百分之一。而由于QSDC需要进行正向和反向两次传输,这就相当于光子要在光纤中传输200公里。然而,信道的损耗是随传输距离呈指数增长的,传输200公里后“幸存”的光子可不是两百分之一,而是万分之一!因此,相比量子密钥分发的单向量子态传输,量子安全直接通信很明确地存在效率低下的问题。

  后来人们又发现,在现实条件下,“量子直接通信”其实并不“直接”,它仍然需要大量的经典通信辅助,并且消耗的通信量比QKD要多得多。

  安全性方面,在理论上,QKD的安全性已经得到了严格证明,那么从逻辑上就不存在比QKD“更安全”的方案。在现实中,早期的QSDC协议仍然需要用到量子存储[1],然而量子存储技术还远未达到实用化阶段,为了解决对量子存储等技术的依赖问题,后来的一些QSDC协议进行了改进[2-4],改为先利用量子态传输来共享密钥,再利用共享密钥对信息进行加密。当然,为了避免直接出现“密钥”一词,在这些QSDC协议里用“安全序列”来代替了。可以看出,改进后的QSDC本质上已经相当于基于QKD的量子保密通信。更何况,相比真正的QKD,QSDC要耗费更多的量子态资源。

  图:改进型QSDC协议流程图。Bob先通过前向量子信道发送单光子(即量子态)到Alice,

单光子经过分束后,一部分被用于窃听检测,另一部分被用于信息传递。

在信息传递过程中,Alice利用预先生成的密钥(即安全序列)对信息进行编码,调制到量子态后通过返向量子信道发给Bob,

Bob对量子态进行探测和解调,并利用预先生成的密钥(即安全序列)对信息进行解码。

  因此,尽管消耗了更多的经典和量子资源,但QSDC无论是理论上还是现实中的安全性都不会比QKD更高,反而存在效率极其低下的明显弊端。

  参考文献:

  [1] F.-G. Deng, G.-L. Long, Physical Review A 69, 052319 (2004).

  [2] Z. Sun et al., IEEE Transactions on Communications, 68, 5778 (2020).

  [3] R. Qi et al. Light Sci. Appl. 8, 22 (2019); D. Pan et al., Photonics Research, 8, 1522 (2020); H. Zhang et al. Light Sci. Appl. 11, 83 (2022).

  [4] K. Wen et al., arXiv:0711.1632 (2007).

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