實習生劉航澎湃新聞記者張靜
中國完成了國際上首次量子秘鑰分發（QKD）和后量子加密算法（PQC）的融合應用。該研究提供一種新型的QKD的認證方案，為提升整個QKD網路的安全性提供了一種有效解決方案。相關論文于5月6日發表在國際刊物《NPJ》上。
量子秘鑰分發（QKD）是指借助量子糾纏的特點，使通訊雙方分享一個隨機且安全的秘鑰，用于信息的加密和揭秘。而后量子加密算法（PQC）又稱抗量子估算密碼，它是能否抵抗量子計算機對現有密碼算法功擊的密碼算法。
該研究成果來自中國科學技術學院、上海交通學院、云南學院與交大國盾量子技術股份有限公司（，國盾量子）、國科量子等組成的聯合科研團隊。論文的通信作者為中國科學技術學院潘建偉、張強、上海交通學院郁昱。
目前，國家、機構、個人的信息安全需求與日俱增。微軟的“懸鈴木”和中國“九章”都先后實現了“量子優越性”，在特定問題上具有超過精典計算機的極大優勢。量子估算可有效解決大數因子分解和大數據搜索等問題，因而對基于這種問題復雜性的精典密碼算法的安全性構成極大恐嚇。
而抵擋量子估算恐嚇，實現可信賴的信息安全機制主要有兩種形式：一是量子保密通訊，其中發展成熟的主要是量子秘鑰分發（QKD），具有不依賴于物理假定的無條件安全性；二是后量子加密（PQC）算法，例如格密碼，已知的量子估算算法未能有效破解。
中國研究團隊的實驗證明兩種技術才能融合發展量子通訊儲存，優勢互補。本次研究中，研究者在QKD網路中使用PQC認證取代原先的QKD設備預制秘鑰認證，且驗證了新方案在城域范圍內QKD中繼網路和全通網路中應用的可行性。
借助PQC認證，可以將QKD網路中可信中繼替換為光開關，每位用戶只須要通過PKI申請1個數字證書，就可以實現任意兩用戶之間的直連；新用戶也只須要獲得1個數字證書，就可以立刻與其他用戶構建QKD聯接，增強了QKD網路的操作性和效率。
研究結果顯示，PQC簡化了QKD在復雜網路環境下的身分認證和秘鑰管理，QKD則提供了PQC等私鑰體系難以確保的無條件安全性量子通訊儲存，二者聯合最終保證了網路系統安全性，也提升了量子保密通訊網路的經濟性、便利性，將極大推動量子保密通訊的應用和推廣前景。
附：具體研究內容
QKD合同、技術和性能仍然在發展，我們在關注其安全性的同時，也在不斷增強QKD在實際應用時的可操作性和效率。
目前，進行量子秘鑰分發（QKD）須要經過傳輸光子的量子信道和用于數據后處理的精典信道，其安全性要求精典信道經過認證。目前的安全認證方式是用QKD設備生成預置的對稱秘鑰，對于n個用戶的QKD全通網路，這些方式須要對稱秘鑰對實現兩兩互聯。當QKD網路用戶數較多時，此方式不易操作，預置秘鑰的工作量很大，大量秘鑰對的儲存、同步和管理也會降低網路的復雜性和安全風險。
為此，研究者采取了基于后量子私鑰算法和PKI的新型安全認證方案。該認證方案通過后量子私鑰算法和PKI結構，對QKD精典信道進行認證。本方案只須要每位用戶獲得一份由認證中心簽名的數字證書，對于n個用戶的網路，簽發數字證書的個數為n。假如有新用戶加入QKD網路，他/她只須要獲得一份數字證書即可。所以，基于私鑰算法的認證可以解決預置對稱秘鑰存在的問題。在安全性上，因為只要認證過程中PQC算法是安全的，認證完成以后雖然PQC被破解，也不影響QKD秘鑰的安全性，而PQC的安全性才能保證這一點。本實驗驗證了PQC技術在QKD網路設備認證中的應用，急劇提高了QKD認證過程的可操作性和高效性。
為了展示PQC認證的高效性，實驗搭建了兩個可信中繼網，并通過光纖聯接上去模擬QKD城域網。兩個可信中繼網分別坐落一個城市的兩側。每位中繼網富含5個用戶節點，共10個用戶。
實驗驗證了PQC在QKD網路中的應用。
圖（a）全通型QKD網路，四個用戶通過光開關實現彼此聯接。（b）環型聯接。（c）交叉聯接。任意兩用戶之間的實際距離是她們各自到光開關的距離之和。（d）兩個中繼網路組成的10節點QKD城域網。（e）可信中繼替換為光開關，組成全通網路，U11和U12是加入的新用戶。各個用戶到可信中繼（光開關）的距離見正文。
針對新用戶入網需求，比如圖（e）所示的兩個新用戶U11和U12，假若采用預置秘鑰認證方案，1）對于中繼網路新用戶須要與中繼之間預置秘鑰，且只能與中繼進行QKD，不能與其他用戶直接完善QKD聯接；2）對于全通網路，則每位新用戶須要與10個老用戶預置10對對稱秘鑰，兩個新用戶之間預置1對對稱秘鑰，總共須要預置21對對稱秘鑰，就能實現任意兩用戶之間的聯接。3）相比之下，假若采用PQC認證，中繼就可以替換為光交換，每位新用戶只須要申請1個數字證書，總共2個數字證書，就可以實現任意兩用戶的聯接。這極大地提高了新用戶入網的便利性，及互聯互通。