量子保密通信京滬干線：可信中繼技術(shù)，拓展量子通信范圍

由于信號的損耗，量子密鑰分發(fā)在地面上走光纖直接傳輸有一個距離的上限。為了建設(shè)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，拓展量子通信應(yīng)用范圍，目前有兩種可行的關(guān)鍵技術(shù)，一種是可信中繼，另一種是量子衛(wèi)星。墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星和京滬干線，主要就是為了完成這兩種關(guān)鍵技術(shù)的驗證。目前，它們都已經(jīng)順利完成了各自的技術(shù)驗證任務(wù)，京滬干線的用戶數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。

目前的商用產(chǎn)品通過光纖可以實現(xiàn)距離一百多公里的量子密鑰分發(fā)。要實現(xiàn)距離更遠(yuǎn)的密鑰分發(fā)，就需要增加中繼節(jié)點。相鄰的中繼節(jié)點間進行量子密鑰分發(fā)，用戶密鑰可以通過各對相鄰中繼節(jié)點間的量子密鑰加密傳輸。在中繼節(jié)點“可信”時，也就是說中繼節(jié)點的量子密鑰保證安全保密時，通過“一次一密”的加密傳輸方法，就可以保證用戶密鑰傳輸?shù)陌踩?。這樣的技術(shù)叫可信中繼技術(shù)。

在實際建設(shè)中，保障可信中繼安全的方案是根據(jù)需求來制定的。對于高級別的應(yīng)用，可以采用與現(xiàn)有體制相同的方式，把可信中繼節(jié)點設(shè)在專人值守的機房里，結(jié)合人員管理和技術(shù)手段來保障“可信”。對于商用通信應(yīng)用，還可以采用很多技術(shù)保障無人值守中繼節(jié)點的安全可信，使得工程實現(xiàn)上的可信中繼技術(shù)相比原始的可信中繼概念有了長足的發(fā)展，比如說：中繼節(jié)點的密鑰“落地即密”技術(shù)、密鑰分拆中繼技術(shù)，中繼密鑰迭代變換技術(shù)等，一方面保障無人值守下的中繼節(jié)點足夠可信，一方面消除中繼節(jié)點密鑰泄露造成的密鑰泄露風(fēng)險?？偟膩碚f，對于各級別的應(yīng)用，可信中繼的安全保障都可以做到有效、可靠。

目前，國內(nèi)和國際上的標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)組織都結(jié)合已有的工程實踐啟動了可信中繼標(biāo)準(zhǔn)包括安全性標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，這將為應(yīng)用可信中繼技術(shù)的安全保障奠定基礎(chǔ)。

“京滬干線”這種量子保密通信網(wǎng)絡(luò)也需要路由器、交換機這些設(shè)備嗎？

首先，即使經(jīng)典通信組網(wǎng)，也不一定非要路由器和交換機。這兩種設(shè)備是IP網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)鏈路層組網(wǎng)的設(shè)備。在光通信層面還有自己的組網(wǎng)調(diào)度技術(shù)和設(shè)備，比如ROADM可重構(gòu)光分叉復(fù)用器。還有以前的SDH設(shè)備，實際上也是具有組網(wǎng)功能的。只是這些技術(shù)組網(wǎng)的靈活性不如路由器、交換機，但是用于建設(shè)骨干線路和網(wǎng)絡(luò)是夠用的。

量子網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)問題，要分好幾個方面來說：

第一，量子通信網(wǎng)絡(luò)，不管是量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，還是將來的連接量子計算機、量子傳感器的量子通信網(wǎng)絡(luò)，基本上都還需要經(jīng)典信息通信的輔助。所以量子通信網(wǎng)絡(luò)里需要使用傳統(tǒng)的路由器、交換機還有光傳送網(wǎng)設(shè)備等來組建一個用于傳輸輔助信息的經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)。

第二，京滬干線這樣的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能主要不是對量子信號做交換和路由，而是實現(xiàn)任意兩個用戶間密鑰協(xié)商的功能。用戶之間進行密鑰協(xié)商的信令、數(shù)據(jù)等都需要通過經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此還必須使用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備，當(dāng)然這些協(xié)商信息都是可以公開而不會影響量子密鑰的安全性的。

第三，量子信號層面上的組網(wǎng)，不能用路由器、交換機實現(xiàn)。目前可行的技術(shù)是利用光路交換來做一些組網(wǎng)的功能。這樣的設(shè)備可以用現(xiàn)有的光交換設(shè)備來改造，但有一些缺點，比如體積大、切換速度慢等。也有人在研究適合量子通信的光路交換芯片。

第四，有些人提出過量子路由器的概念，大概是指控制信號也是量子的，可以實現(xiàn)路由的量子疊加。這種技術(shù)還處于純粹的科學(xué)研究階段，暫時不用考慮。