在大型光網絡中建立量子安全通道的產業視角

Centrala begrepp

本文探討了在大型光網絡中建立基於量子密鑰分發 (QKD) 技術的量子安全通道的產業視角，重點關注地面方法的挑戰和要求，特別是量子中繼器的作用和限制。

Sammanfattning

大型光網絡中的量子安全通道

簡介

• 量子安全通道利用量子密鑰分發 (QKD) 技術實現無條件安全性，引起了全球的廣泛關注。
• 短距離（小於 100 公里）量子安全通道已趨於成熟，但長距離通道的建立面臨技術挑戰，是全球研究的焦點。
• 本文從產業角度探討在大型光網絡的實際環境中建立量子安全通道，包括願景、要求和不同方法的技術分析。

願景、方法和要求

• 現實部署中，量子通道和光數據通道應複用在同一光纖上，以降低成本。
• 量子中繼器應安裝在現有的線路放大器 (ILA) 站點，並滿足其空間、電源和環境溫度要求。
• 量子中繼器應至少覆蓋 100 公里的距離，以滿足實際網絡需求。

量子通道模型的要求

• 現有模型主要考慮光纖損耗，但實際環境中還需考慮偏振態 (SOP) 波動、非線性效應（如四波混頻、拉曼散射）和色散等因素。
• 建立準確的量子通道模型需要考慮所有這些因素，以反映真實環境。

量子中繼器模型

• 量子中繼器是量子網絡和長距離量子通信的基礎，目前正處於全球密集研究階段。
• 本文討論了兩種主要方法：糾纏分發和單向量子中繼器。

糾纏分發

• 該方法通過糾纏交換在兩個遠程站點之間建立糾纏，然後利用量子隱形傳態或基於糾纏的 QKD 協議進行密鑰分發。
• 主要挑戰包括開發具有長相干時間的量子存儲器，以在過程中保持量子態的完整性。
• 儘管已實現 100 公里光纖上的點對點糾纏分發和交換，但在實際網絡部署方面仍面臨挑戰，例如實現高耦合效率、高保真度和可接受的糾纏生成率。

單向量子中繼器

• 該方法利用量子糾錯 (QEC) 方法來糾正損耗和操作錯誤，無需量子存儲器和雙向量子通信。
• 主要缺點是 QEC 方法只能容忍高達 50% 的鏈路損耗，這限制了中繼器之間的最大距離，使其不適用於實際網絡部署。

結論

• 本文探討了在大型光網絡中建立量子安全通道的產業視角，重點關注地面方法的挑戰和要求。
• 雖然糾纏分發和單向量子中繼器等方法顯示出潛力，但仍需克服重大挑戰才能實現實際部署。

Statistik

現有線路放大器 (ILA) 站點平均每 80 到 100 公里部署一次。
單向量子中繼器利用量子糾錯 (QEC) 作為其基本原理，只能容忍高達 50% 的鏈路損耗。
對於標準單模光纖 (NDSF)，3dB 的損耗限制對應於 C 波段的最大距離為 15 公里，O 波段為 8.6 公里。

Citat

“雖然短距離（小於 100 公里）量子安全通道的成熟度已達到部署級別，但在節點可能相距數千公里的大型網絡中建立此類通道面臨著技術挑戰，並且是全球研究的主題。”
“基於量子力學中的不可克隆原理，光放大器不能用於建立長距離量子通道。”
“單向量子中繼器......利用量子糾錯 (QEC) 作為其基本原理，只能容忍高達 50% 的鏈路損耗。”

Viktiga insikter från

Establishing Quantum-Secured Channels in Large-Scale Optical Networks

by Farzam Toude... på arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.06587.pdf

Djupare frågor

除了地面和基於衛星的方法之外，還有哪些其他有前景的研究方向可以實現長距離量子安全通信？

除了地面和基於衛星的量子通信方法，以下幾個研究方向也展現出實現長距離量子安全通信的潛力：

自由空間量子通信: 與依賴光纖傳輸的方案不同，自由空間量子通信利用激光束在空氣或真空中傳輸量子信息。這種方法的優勢在於可以繞過光纖的距離限制，並且更容易實現全球覆蓋。然而，自由空間量子通信也面臨著一些挑戰，例如大氣吸收和散射、以及天氣條件的影響。目前，研究人員正在積極探索克服這些挑戰的方法，例如開發更先進的單光子探測器和自適應光學技術。

量子中繼器的新型架構: 如文中所述，基於糾纏交換和單向量子中繼器的方案都面臨著各自的挑戰。因此，探索新型量子中繼器架構對於實現長距離量子通信至關重要。一些有前景的方向包括：

基於金刚石色心的量子中繼器: 金刚石色心具有优异的光学和自旋特性，使其成为构建量子中继器的理想平台。
基於拓撲量子計算的量子中繼器: 拓撲量子計算可以提供對量子信息的內在保護，使其成為構建容錯量子中繼器的潛在方案。

量子通信與經典通信的融合: 將量子通信技術與現有的經典通信基礎設施相結合，可以更快速、更經濟地實現長距離量子安全通信。例如，研究人員正在探索如何利用現有的光纖網絡進行量子密钥分发 (QKD)，以及如何將量子通信技術集成到5G和6G等下一代通信網絡中。

總之，實現長距離量子安全通信是一個充滿挑戰但也充滿機遇的領域。除了地面和基於衛星的方法之外，上述研究方向也為我們提供了實現這一目標的多種途徑。隨著技術的進步和研究的深入，我們有理由相信，長距離量子安全通信將在不久的將來成為現實。

量子中繼器技術的快速發展是否會導致現有加密標準在不久的將來變得過時？

雖然量子中繼器技術發展迅速，但現有加密標準在不久的將來不會因此過時。原因如下：

量子計算機的成熟尚需時日: 量子中繼器是構建大規模量子網絡的關鍵組成部分，而量子網絡又是實現量子計算機全部潛力的必要條件。目前，量子計算機仍處於早期發展階段，距離能夠破解現有加密標準還有很長的路要走。

後量子密碼學的發展: 為了應對量子計算機帶來的威脅，密碼學界一直在積極研究和開發抗量子攻擊的加密算法，稱為後量子密碼學 (PQC)。這些算法基於量子計算機難以解決的數學問題，即使在未來量子計算機成熟後也能提供安全保障。

加密標準的更新換代需要時間: 從新技術的出現到其被廣泛應用和標準化需要相當長的時間。即使量子計算機在未來幾年內取得突破性進展，現有的加密標準也將逐步被後量子密碼學標準所取代，而不是突然變得過時。

然而，這並不意味著我們可以忽視量子計算機對信息安全的潛在威脅。相反，我們應該密切關注量子計算機和量子中繼器技術的發展，並積極做好應對準備。這包括：

支持後量子密碼學的研究和標準化: 鼓勵學術界和工業界加大對後量子密碼學的研究力度，並積極參與相關標準的制定。
評估和升級現有系統: 評估現有信息系統面臨的量子威脅，並制定相應的升級計劃，以便在未來及時遷移到後量子密碼學標準。
提高安全意識: 加強對量子計算機和信息安全的宣傳教育，提高公眾的安全意識，共同應對量子時代的信息安全挑戰。
總之，量子中繼器技術的發展不會導致現有加密標準在不久的將來變得過時。但是，我們應該未雨綢繆，積極應對量子計算機帶來的潛在威脅，確保信息安全在量子時代得到持續保障。

量子網絡的廣泛部署將如何影響我們社會的數據隱私和安全格局？

量子網絡的廣泛部署將對我們社會的數據隱私和安全格局產生深遠影響，帶來機遇和挑戰並存：
積極影響：

增強數據安全性: 量子密钥分发 (QKD) 可以提供無條件安全的密钥分發方式，有效抵禦量子計算機的攻擊，從而大幅提升數據傳輸和存儲的安全性。這對於保護金融、醫療、政府等敏感數據至關重要。

促進新興技術發展: 量子網絡為安全多方計算、量子雲計算、量子傳感等新興技術提供了基礎平台，這些技術將在醫療保健、金融科技、人工智能等領域帶來革命性變革。

構建可信數字社會: 量子網絡的安全性可以增強數字身份、數字簽名、數字貨幣等應用場景的信任基礎，促進可信數字社會的构建。

挑戰和风险：

隱私泄露風險: 量子計算機的強大計算能力可能被用於破解現有的加密算法，導致過去被認為安全的數據面臨泄露風險。

技術壟斷和數字鴻溝: 量子網絡的部署需要高昂的成本和技術門檻，可能導致技術壟斷和數字鴻溝的加劇，影響社會公平。

倫理和社會問題: 量子網絡的發展和應用可能引發新的倫理和社會問題，例如數據安全與個人隱私之間的平衡、量子技術的監管和治理等。

應對策略：

積極發展量子安全技術: 加大對量子密钥分发、後量子密碼學等量子安全技術的研究和開發，構建抵禦量子計算機攻擊的安全防護體系。

制定完善的法律法規: 制定和完善量子網絡相關的法律法規，規範量子技術的研發、應用和數據安全管理，防範技術濫用和倫理風險。

加強國際合作與交流: 加強量子網絡领域的國際合作與交流，共同應對量子時代的數據隱私和安全挑戰，促進量子技術的和平利用和人類社會的可持續發展。

總之，量子網絡的廣泛部署將重塑我們社會的數據隱私和安全格局。我們需要正視挑戰，把握機遇，積極應對量子時代的到來，構建安全、可信、可持續的量子未來。