摘 要：量子密鑰分發基于量子實體基本原理，提供資訊論安全性，是迄今發展最為成熟的量子 密碼技術。其中，連續變量量子密鑰分發具有與現有光通信網絡相容性較好的特點，同時具備高 重複頻率和高密鑰速率發展潛力，是目前量子保密通信領域的重要發展方向。綜述了連續變量量 子密鑰分發的基本原理，回顧了連續變量量子密鑰分發協定的發展曆程，介紹了協定的安全證明 現狀和主流方案，包括随路本振系統和本地本振系統，以及高斯調制方案和離散調制方案。最後 概述了連續變量量子密鑰分發的發展現狀并展望了其未來發展趨勢。
内容目錄：
1 量子密鑰分發分類
２連續變量量子密鑰分發發展曆程
3 結 語
随着資訊技術的飛速發展，社會的資訊化程度 不斷提高，人們對資訊的需求與日俱增，資訊已成 為人們生活的重要組成部分。與此同時，各種非法 擷取有效資訊的事件不斷發生，使得資訊保護越來 越受到人們的重視。密碼技術作為資訊安全的基石， 在保障國防、政務、醫療、金融和個人資訊的機密性、 完整性、真實性和不可抵賴性等方面發揮着核心作 用。現有密碼技術以數學理論為基礎，密碼系統依 據一個或多個數學問題而設計，其安全性由求解數學問題的複雜性和困難性得以保證。近年來，随着 密碼分析、量子計算等領域的持續發展，基于計算 複雜度的加密算法受到直接威脅，資訊的長期安全 性和可用性備受挑戰。量子密碼，也被稱為量子保 密通信技術，是基于量子實體中的不确定原理和不 可克隆定理的新型安全保密通信方式，具有可證的 無條件安全性和對竊聽的可檢測性，目前已成為全 球通信行業和資訊安全行業廣泛關注的焦點。
１ 量子密鑰分發分類
量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD） 技術是目前量子保密通信研究與應用中最重要、最 主流的技術。Benett 與 Brassard 于 1984 年提出了首 個量子密鑰分發協定，即著名的 BB84 協定，其 通過提供資訊論安全的密鑰分發，開啟了使用量子 方法進行安全通信的新篇章。目前，根據量子态載 體及調制方式的不同，QKD 的實作主要有兩種方式， 分别是離散變量量子密鑰分發（Discrete Variable Quantum Key Distribution，DV-QKD） 和 連 續 變 量 量 子 密 鑰 分 發（Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD），兩者各有其應用側重方 向，并形成很好的互補關系。其中，CV-QKD 技術 的密鑰資訊編碼于量子化電磁場的正則分量上，系 統隻需要普通的相幹雷射器、平衡零差探測器，就 能與經典相幹光通信系統具有較好的相容性，且具 備城域範圍内高密鑰速率潛能。以上特征使得 CVQKD 技術在成本、性能和可內建性方面具有顯著的 優勢，非常适用于城域 / 接入量子保密通信網絡。相比于 DV-QKD 技術，雖然 CV-QKD 技術起步較晚， 但近十幾年來，其在基礎理論和實驗技術方面都取 得了重要的進展，目前正在經曆新一輪蓬勃發展的 時期。目前，該領域技術發展主要集中于協定設計、 安全性分析和系統內建驗證。
2 連續變量量子密鑰分發發展曆程
依據資訊調制方式不同，現有 CV-QKD 協定 主要分為高斯調制類協定和離散調制類協定。在高 斯調制協定方面，1999 年，澳洲國立大學的 Ralph 首次提出了通過連續變量來實作量子密鑰分 發的方案 。随後，基于兩組不同壓縮态進行資訊 編碼的 CV-QKD 協定于 2000 年被提出。此後不久， 在 2002 年，使用具有二維連續高斯調制的相幹态 代替壓縮态的 GG02 協定被提出。後來，在 2004 年，外差探測被用于 CV-QKD 協定 ，基于相幹态 制備和外差探測的 CV-QKD 被稱為無開關協定。基 于其良好的實用性能，GG02 協定和無開關協定是 現有主流 CV-QKD 協定。在理論安全性方面，基 于高斯調制相幹态 CV-QKD 協定的安全性首先在 漸進條件下得到證明 ；其次利用高斯 de Finetti 定理将其擴充到具有通用可組合安全性的有限碼長條 件下的資訊論安全性證明，以抵禦實體學原理所允 許的任意攻擊 。
此外，近年來基于相幹态離散 調制的 CV-QKD 協定發展十分迅速，成為本領域 研究的熱點。2009 年，法國科學家 Leverrier 等人 提出了 CV-QKD 的 4 态調制協定，并對其安全性 進行了證明。相比于高斯調制，離散調制 CV-QKD 協定具有以下優勢：可大大簡化量子态制備，降低系統硬體的複雜度；誤碼糾錯更簡化，降低了系統資料後處理計算的資源開銷；更加符合電信标準， 其器件和架構與傳統光通信産業鍊相容。基于上述原因，近年來離散調制 CV-QKD 技術得到快速發展，是高速城域 QKD 的重要解決方案。在理論安全性 分析方面，除了傳統的基于高斯極值定理等安全性 分析方法，還引入了一種新的半定規劃方法來證明 離散調制 CV-QKD 協定安全碼率解析下界，目前其有限碼長下相幹攻擊的組合安全性證明也剛剛完成。
從光電系統架構角度，現有 CV-QKD 系統的 光電實作有兩種主流方案，如圖 1 所示，一種是随 路本振 CV-QKD 方案，其量子信号光和經典本振光 來自發送端的同一個光源，是以，信号光和本振光 通過量子信道共同傳輸，其優點是可以保證相幹探 測時信号光與本振光之間穩定的相幹性。另一種是 本地本振 CV-QKD（Local Local Oscillator CV-QKD， LLO CV-QKD）方案，其本振光在接收端産生，信号光和本振光産生自兩台獨立的雷射器；是以，為了實作穩定的相幹探測，需要相位和頻率的穩定控制。
CV-QKD 系統的實驗技術發展可分為以下幾個階段。早期的原理證明論證階段中，CV-QKD 協定 的概念得到了成功的實驗示範，但同時也存在系統 穩定性差、糾錯效率低等瓶頸問題。為克服這些問 題，系統的實驗技術進入了第二階段的發展，即新 一代 CV-QKD 系統，主要基于電信元件，結合高性能誤碼糾錯方法以及多個主動回報控制單元來增強 系統的穩定性。基于這些創新，CV-QKD 系統可以 通過外場示範和內建實作較長的安全傳輸距離和較強的穩定性。其中，CV-QKD 實驗技術進展的代表性成果如下文所述。
圖 1 本振系統結構
2003 年，Grosshans 等人首次實作了基于 GG02 協定的 CV-QKD 在自由空間的傳輸2005 年， Lodewyck 等人首次設計了基于光纖傳輸的 CV-QKD 方案 。2013 年，法國巴黎高等電信學院首次實 現了遠端 CV-QKD 系統的實驗示範 ，基于改進 的後處理技術，将安全傳輸距離擴充至 80 km，并考慮了與實際實作相關的非理想因素，比如有限碼 長等，更為嚴謹地分析了實際系統的安全性。2020 年，北京郵電大學、北京大學、中國電子科技集團 公司第三十研究所（簡稱為中國電科 30 所）聯合 團隊将 CV-QKD 系統的最長安全傳輸距離擴充至 200 km 以上，為使用标準電信元件實作長距離 和大規模安全的 QKD 指明了道路。
除了增加安全 傳輸距離，CV-QKD 未來應用的另一個重要問題是 在商用光纖上的外場測試，這也将帶來一些新的挑 戰。首先，使用商用暗光纖将不可避免地引入由不 可控環境條件引起的強烈擾動；其次，使用商用光 纖也将面臨更高的信道損耗。這些問題會導緻傳輸 量子态的擾動和高過噪聲。是以，實際 CV-QKD 系 統的魯棒性是實際實作的主要考慮因素。2018 年， 北京大學和北京郵電大學聯合團隊開展了 CV-QKD 與實際保密通信業務結合的示範應用，實作全球首 個使用商用光纖線路、針對明确應用場景的完整 CV-QKD 應用示範，如圖 2 所示。
次年，他們在商 用光纖上實作了 50 km CV-QKD 系統的外場測試， 為 CV-QKD 的城域應用鋪平了道路。此外，最近 研究人員通過在矽光子晶片上內建光學元件，實作了一種穩定、小型化和低成本的 CV-QKD 系統， 該系統與現有的光通信基礎設施相容。基于原理驗 證，該晶片中的 CV-QKD 系統能夠在聯合攻擊下， 模拟傳輸距離為 100 km 的光纖中産生的密鑰率， 為低成本 CV-QKD 的實作提供了新的可能。
圖 2 青島連續變量量子保密通信示範應用網絡
2015 年， 美國桑迪亞國 家實驗室和美國 橡樹嶺國家實驗室的研究人員提出了 LLO CV-QKD方案，其最初目的是通過避免竊聽者通路本振 光來增強實際系統的安全性，這種創新性的方案引 領 CV-QKD 的發展進入第 3 階段。在此階段的發展 中，由于 LLO CV-QKD 系統和經典相幹光通信系 統之間的相似性，引入了工業設計思維 。例如， 在此方案中，可以将量子信号從基頻轉移到中頻， 避免了低頻電噪聲并允許使用連續波雷射器。同時，可以将強參考光通過頻分複用技術調諧到另一個頻 率上作為導頻信号，并且可以使用雙極化 I/Q 調制 将密鑰率加倍。在接收端，可以通過偏振分束器對 入射信号進行分束，同時測量兩個偏振模式，相當 于經典相幹光通信中的相幹接收機。2022 年，中國 電科 30 所采用 4 态離散調制 LLO CV-QKD 方案，結合高速量子信号光與經典導頻光無串擾的手法技 術、精确的快慢相位噪聲補償技術以及高效的資料 後處理技術，首次在 10 km 城域距離内實作了百兆 密鑰率的量子密鑰分發 。随後，中國電科 30 所開展了高階離散調制 LLO CV-QKD 技術的實驗研究， 并結合高效的數字域偏振糾偏與均衡技術，實作了 50 km 傳輸距離下，漸進安全碼率達到 9.193 Mbit/s 的密鑰分發。相關工作為 CV-QKD 技術在城域 與接入網中的應用提供了有效支撐。同時基于目前 表現出的成熟度以及與相幹光通信行業的高度相容 性，可以預見低成本 CV-QKD 發展的可行性。
近幾年來，國内外研發團隊開展了一系列本地本 振 CV-QKD 技術的研究，代表性成果如表 1 所示，其 中 GMCS 表示高斯調制相幹态協定（Gaussian Modulated Coherent State），DMCS 表示離散調制相幹态協定（Discrete Modulated Coherent State），QPSK 表示正交相移鍵控調制（Quadrature Phase-Shift Keying），QAM 表示正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation）。
表 1 本地本振 CV-QKD 技術發展現狀
此外，盡管 CV-QKD 技術在理論上具備可證 的“無條件安全性”，但由于理論模型與實際實作之間的偏差，竊聽者可能利用 CV-QKD 系統器件的性能缺陷進行竊聽，或者針對器件的弱點進行主動 量子黑客攻擊，這些行為都有可能削弱甚至破壞系 統的實際安全性 。是以，随着 CV-QKD 技術的逐漸發展，實用系統中的安全防禦問題變得越來越 重要，并引起研究者的高度關注。目前，來自法國、 美國、英國、加拿大、澳洲、瑞士、比利時、 中國等國家的諸多研究機構都在積極重點推進 CVQKD 技術研究，主要集中于安全碼率與傳輸距離的 提升、實際安全性分析以及實際應用驗證等方面。未來，結合量子密碼與後量子密碼的擅長優勢，取長補短，可以共同建構以量子安全為鮮明特色的量 子保密通信安全防線。
３ 結 語
随着量子技術的發展，經典保密通信的安全性 面臨嚴重威脅，而借助基于量子實體原理的 QKD 技術可以實作嚴格數學證明的安全通信。本文概述了相幹态 CV-QKD 協定的發展曆程，重點介紹了 CV-QKD 協定的安全證明現狀，以及實用 CV-QKD 系統的性能和發展趨勢，表明 CV-QKD 在城域量子通信領域具有更高密鑰率的優勢，同時其與标準電 信元件相容的優勢使得其在未來建構高性能和可擴 展量子密鑰分發網絡方面有着良好的潛能和顯著優 勢。
引用格式：廖世雷 , 張躍 . 連續變量量子密鑰分發發展綜述 [J]. 通信技術 ,2022,55(11):1389-1393.
作者簡介 >>>
廖世雷，男，學士，工程師， 主要研究方向為資訊安全與通信保密；
張 躍， 男， 學 士， 助 理工程師，主要研究方向為資訊安全與通 信保密。
選自《通信技術》2022年第11期（為便于排版，已省去原文參考文獻）