量子計算與保密通信研究

自從量子計算成為各大科研機構、大型企業、創業公司競相追逐，且逐漸升溫的前沿領域以來，量子計算與網絡安全之間的“矛”與“盾”之爭便不斷被關注和研究。一方面，我們關心量子計算機到底何時能夠到來，并成為我們解決若干關鍵問題的“殺手锏”；另一方面，我們又不得不關注：量子計算帶來的全新的網絡安全風險到底有多大，應該如何做好應對準備？

從“量子加密驚現破綻”看量子保密

摘　要：研究人員也指出，他們想為業界帶來一個重要的信息，那就是量子加密還不如理想中的可靠，它是有缺陷、能被攻破的技術，而攻破這個最強的加密之盾的工具，卻不是什么神兵利器，而是盾本身就存在物理缺陷。

內容目錄：

1　事件回顧

1.1　報道情況

1.2　業界反應

2 啟事與建議

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量子計算綜述報告

摘　要：當前，我們熟悉的電子計算機性能已經十分強大了，為什么還需要量子計算機呢？過去傳統計算機運算能力的飛速發展，離不開“摩爾定律”的作用，而隨著計算機中的晶體管已經小到極限（原子級別）并且當前對電磁規律的掌控也已經幾乎到了極限，這也代表了基于晶體管的電子計算機的能力遭遇了瓶頸。如果說電子計算機的算力是“汽油”級別的話，那么量子計算機的算力就是“核能”級別的。這兩種算力根本不是一個級別，解決問題的能力也不再是簡單地在原來的基礎上畫一條延長線。

內容目錄：

1　量子計算發展歷史

1.1　為什么會誕生量子計算？

1.２　量子計算發展歷程

2　量子計算機工作原理及實現模式

2.1　Qbit的實現方法

2.2　量子計算的實現方法

2.3　量子計算實現中面臨的主要問題

3 量子計算機給密碼算法帶來的威脅

3.1 Shor算法

3.2　Grover算法

4　密碼界面對威脅的應對

5　結　語

5.1　物理平臺探索發展迅速，但技術路線仍未收斂

5.2 “量子霸權”突破里程碑，但實用化尚有距離

5.3　生態鏈不斷壯大、應用探索全面展開

5.4　密碼界未雨綢繆，網絡空間安全基石必將發生根本性改變

5.5　基礎研究是重點，多樣混合也許是出路

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 量子保密通信淺析

摘　要：有關量子保密通信在普通大眾中引發如此巨大的爭議和沖突，令人頗感意外，分析事件背后的深層次原因，可以發現實質上是正反兩方面觀點的激烈交鋒。力挺量子保密通信者除以中科大領銜的學術團隊、廣大量子通信從業者外，還有大量用真金白銀來投入的股民與機構，拋開量子通信已經事實上被認可為國之利器，代表我國站在世界科技前沿的標桿因素。

內容目錄：

0 前　言

1　近期事件回顧

1.1 2020年6月，中國量子通信取得重大進展

1.2 2020年7月，量子通信第一股“國盾量子”上市首日漲幅超1000%

1.3 7月9日，國盾量子被做空達上限

1.4 “量子通信工程走下神壇”的公眾號文章引起大量關注

２ 事件背后的觀點分析

2.1 量子保密通信理論基礎扎實完善

2.2 量子保密通信非常安全

2.3 量子保密通信持續取得突破性進展

2.4 量子保密通信市場前景看好

3 對我們的啟示與建議

3.1 客觀的態度

3.2 分析問題的性質

3.3 思考解決問題的思路

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量子計算機帶來的全新通信安全風險分析及應對建議

摘　要：自從量子計算成為各大科研機構、大型企業、創業公司競相追逐，且逐漸升溫的前沿領域以來，量子計算與網絡安全之間的“矛”與“盾”之爭便不斷被關注和研究。一方面，我們關心量子計算機到底何時能夠到來，并成為我們解決若干關鍵問題的“殺手锏”；另一方面，我們又不得不關注：量子計算帶來的全新的網絡安全風險到底有多大，應該如何做好應對準備？

內容目錄：

1　量子計算發展迅猛

2　現代公鑰加密面臨嚴重威脅

2.1　公鑰加密（PKC）是現代數字通信的骨干

2.2　量子計算可能徹底顛覆和完全破解數字加密系統

2.3　量子計算未來威脅風險的決定因素

3 美國智庫建議的應對措施

3.1　總體策略

3.2　白宮和行政部門應對措施

3.3　國會應對措施

3.4　相關組織應對措施

4　啟示與建議

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2020年國外量子計算發展態勢綜述

摘　要：近年來，量子計算無疑是主要大國和科技強國重點關注的科技領域之一。各方在該領域的布局不斷深化，投資額度年年攀升，科研探索和技術創新高度活躍，代表性成果亮點紛呈、前景可期。量子計算未來有望成為推動基礎科學、信息通信技術和數字經濟產業發展的強大新動能。

內容目錄：

1　各國夯實研發力量，勾勒中短期發展藍圖

1.1　美國力求維持量子技術優勢地位

1.2　歐洲加碼量子技術研發規劃

1.3 俄羅斯正式加入量子計算競賽

1.4 印度借力國際量子計算合作

2　礪劍亦鑄盾，抗量子密碼研究方興未艾義

2.1　歐洲國家相繼啟動抗量子加密項目

2.2 美國加緊制定抗量子加密標準

3 算能力屢創新高，多條技術路線并行推進

3.1　性能競爭陷入白熱化

3.2　多條技術路線各有突破

4　應用層面亮點紛呈，生態環境日趨完整

4.1　編程語言邁向通用化

4.2　應用服務聚焦解決實際問題

5　量子云計算百家爭鳴，行業競爭日益激烈

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量子密鑰分發網絡方案研究

摘　要：量子密鑰分發結合密碼技術可以實現安全的保密通信。因此，針對目前量子密鑰分發網絡組網方案形式的多樣性展開研究分析工作。首先，介紹國內外量子密鑰分發網絡的發展狀況，分析現有網絡的組網方案；其次，論述目前量子密鑰分發網絡的幾種主要組網方案，包括基于經典光學器件的組網方案、基于可信中繼的組網方案和基于量子中繼的組網方案，同時分析了每種方案的優缺點；最后，總結適合主干網絡、城域網絡和接入網絡的量子密鑰分發網絡組網方案。

內容目錄：

1　量子密鑰分發網絡現狀

1.1　國外量子密鑰分發網絡

1.2　國內量子密鑰分發網絡

1.3　國內外量子密鑰分發網絡現狀分析

2　基于經典光學器件的網絡方案

2.1　基于光分束器的網絡方案

2.2　基于光開關的網絡方案

2.3　基于波分復用器的網絡方案

2.4　對比分析3　基于可信中繼的網絡方案

3.1　方案原理

3.2　方案分析

4　基于量子中繼的網絡方案

4.1　方案原理

4.2　方案分析

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量子保密通信標準體系建設

摘　要：量子保密通信具有很高的軍事價值和商業價值，得到各國政府及相關研究機構的廣泛關注，已從科學研究逐漸走向規模化應用。量子保密通信產業鏈逐漸完善，量子密鑰分發設備、單光子探測器、量子隨機數發生器等成為產業鏈發展的關鍵環節，直接關系著規模化的量子保密通信網絡部署和應用。介紹了量子保密通信產業化進展和標準化組織與標準進展， 提出了標準體系建設的思路，為我國量子保密通信技術標準化工作提供建議和參考。

內容目錄：

1　技術研究與產業化進展

1.1　量子保密通信理論研究進展

1.2　量子保密通信產業化現狀

1.3　量子保密通信網絡部署案例

2　標準化組織與標準進展

2.1　ISO/IEC、TC260標準化進展

2.2　ITU 標準化進展

2.3　ETSI 標準化進展

2.4　CCSA 標準化進展

3　標準體系建設思路

3.1　建立面向產業未來的標準體系

3.2　堅持應用牽引的研制思路

3.3　秉承開放包容的總體研制策略

4　結　語

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量子計算與密碼學分析、風險與對決策者的建議

摘　要：當前，美國一部分決策者、學者和分析人士非常關注量子計算對國家安全的影響。他們認為量子計算的科學進步是一場具有重大國家安全后果的競賽，也是正在形成的美中對抗的一部分。據稱，這場對抗的獲勝者將能夠以比當前加密技術更高的安全性來保護自己的秘密。本文認為量子計算的優勢被高估了，在現代密碼的保護下，如何保證秘密信息的長期安全性，使其不受未來量子計算機的攻擊，是當前需要關注的主要挑戰。

內容目錄：

1　主要關注領域

1.1　主題：爭奪量子霸權

1.2　主題：量子計算使當前的加密過時

1.3　主題：量子計算使新的加密比當前的加密更安全

2　政策關切與技術現實之間的矛盾

2.1　量子計算不會使加密過時

2.2　量子計算沒有提供明顯的新加密功能

2.3　量子霸權競爭主要是一場經濟競爭

3　更緊迫的國家安全問題

4　決策建議

4.1　NIST 標準建議

4.2　NSA 標準建議

4.3　降低風險的建議

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量子密碼學進展（上）

摘　要：量子密碼學可以說是量子信息科學中發展最快的領域。在這篇綜述中，我們對這一領域的最新進展，包括理論和實驗兩個方面進行了概述和最新的描述。我們首先回顧了基于離散變量系統的量子密鑰分配協議。接下來，我們考慮了設備獨立性、衛星挑戰以及基于連續變量系統的高速率協議。然后，我們將討論點對點私人通信的極限，以及量子中繼器和網絡如何克服這些限制。最后，我們將討論量子密碼學在標準量子密鑰分配之外的一些應用， 包括量子數據鎖定和量子數字簽名。

內容目錄：

1　量子密鑰分配的基本概念

2　實驗性DV-QKD協議

2.1　探測器技術

2.2　誘餌狀態BB84

2.3　差分相移QKD

2.4　單向相干

2.5　DV MDI-QKD

2.6　高維 QKD

2.7　光子集成電路

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量子密碼學進展（下）

摘　要：量子密碼學可以說是量子信息科學中發展最快的領域。在這篇綜述中，我們對這一領域的最新進展，包括理論和實驗兩個方面進行了概述和最新的描述。我們首先回顧了基于離散變量系統的量子密鑰分配協議。接下來，我們考慮了設備獨立性、衛星挑戰以及基于連續變量系統的高速率協議。然后，我們將討論點對點私人通信的極限，以及量子中繼器和網絡如何克服這些限制。最后，我們將討論量子密碼學在標準量子密鑰分配之外的一些應用， 包括量子數據鎖定和量子數字簽名。

內容目錄：

3　衛星量子通信

3.1　概述

3.2　衛星機會

3.3　軌道類型及應用

4　量子黑客攻擊

4.1　QKD-DV 黑客協議

4.1.1　PNS和基于強度的攻擊

4.1.2　特洛伊木馬攻擊

4.1.3　Backflash攻擊

4.1.4　偽態與探測器效率失配

4.2　CV-QKD黑客攻擊協議

4.2.1　攻擊本地振蕩器

4.2.2　探測器飽和攻擊

4.2.3　特洛伊木馬攻擊

4.3　一般考慮

4.4　作為解決方案的設備獨立性

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量子通信網絡組網方式及標準化研究展望

摘　要：量子通信是量子論和信息論相結合的新型交叉學科，也是目前國際量子物理和信息科學的研究熱點。量子通信具有高效率、大容量、遠距離和近乎絕對安全的特點。量子通信組網方式根據量子密鑰分發網絡節點的不同實現功能，可以分為基于可信中繼轉發的網絡、基于光交換機的網絡以及基于集控站節點的網絡。按照網絡的覆蓋范圍劃分，可分為量子局域網、量子廣域網和全球量子網絡。量子通信組網技術標準應優先考慮組網的結構、方式和網絡體系結構。

內容目錄：

1　量子通信技術發展現狀

1.1　國外現狀

1.1.1　美國

1.1.2　歐盟

1.1.3　日本

1.1.4　其他國家

1.2　國內現狀

2　量子通信網絡組網方式

2.1　基于可信中繼的方式

2.2　基于光交換機的方式

2.3　基于集控站的方式

3　量子通信網絡組網標準化展望

3.1　組網的結構

3.2　組網的方式

3.3　網絡的體系結構

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粵港澳大灣區量子保密通信與量子網絡發展戰略

摘　要：量子保密通信與量子網絡作為戰略性前沿技術，與國家安全和前瞻性技術戰略關系密切，具有廣泛應用的潛力。簡要綜述量子保密通信與量子網絡的研究進展以及產業基礎，分析國際量子科技戰略，提出遵循粵港澳大灣區發展創新驅動、改革引領的基本原則，集聚國際創新資源，攻關量子網絡的基礎科學和若干實用關鍵技術，規劃部署粵港澳大灣區量子干線和制定QKD量子網絡評估策略，有助于打造灣區國際量子創新高地及培育具有國際競爭力的量子保密通信與量子計算現代產業體系。

內容目錄：

1　量子保密通信與經典通信網絡融合

1.1　高性能QKD保密通信戰略性技術目標

1.2　量子與經典通信融合新型量子網絡

2　粵港澳大灣區量子科技發展戰略

2.1　國際量子科技戰略

2.2　粵港澳大灣區量子科技發展機遇

2.3　粵港澳大灣區量子科技發展戰略

2.3.1　建設粵港澳大灣區國際量子科技創新中心

2.3.2　培育量子保密通信與量子網絡現代產業體系

2.3.3　粵港澳大灣區量子保密通信環網

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研究院孫海泳：美國量子戰略對中美科技關系的影響

摘要：當前世界正處于新一輪“量子革命”的發端階段。自執政以來，特朗普政府通過公布戰略文件、立法等措施，已逐步完善其量子科技戰略。美國的量子科技戰略注重強化政府部門與獨立機構之間、公私部門之間的機制化合作；關注量子科技人力資源培養，并具有明顯的安全目標導向。美國戰略界對中國量子科技發展態勢的關切是美國量子戰略發展的重要推動因素。美國政府的量子科技戰略將加劇中美在量子科技領域的競爭，制約兩國在量子科技與產業領域的合作空間，并將阻滯中國與其他國家在這一領域的合作進程。

內容目錄：

1 美國量子科技戰略的主要特征

1.1　注重強化政府部門、機構間機制化合作

1.2　推動公私部門之間的機制化合作

1.3　強化人力資源培養與儲備

1.4　以維護國家安全為重要的目標導向

2　美國戰略界對中國的基本認知

2.1　中國的量子科技成就強化了美國進一步發展量子科技的緊迫性

2.2　量子科技的兩用潛力強化了美國戰略界對中國“量子威脅論”的渲染

3　對中美競合關系的影響

3.1　加劇中美在量子科技領域的競爭性

3.2　制約中美在科技與產業領域的合作空間

3.3　阻滯中國與相關技術強國在量子科技領域的合作進程

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連續變量量子密鑰分發系統的實際安全性分析

摘　要：綜述基于高斯調制相干態的連續變量量子密鑰分發系統的實際安全性研究現狀和發展趨勢。基于高斯調制相干態的連續變量量子密鑰分發系統在理論上被證明是無條件安全的，然而實際系統由于器件和信道的非理想特性而存在安全隱患。實際系統不僅受到多種系統過噪聲的影響，而且還面臨量子信道上各種邊信道攻擊的威脅。為提高實際系統的安全性，接收端實時散粒噪聲測量和接收端本地制備本振光是今后兩類重要的安全漏洞防御技術。

內容目錄：

1　CVQKD實際安全性的研究現狀

1.1　系統過噪聲

1.1.1　光源噪聲

1.1.2　探測噪聲

1.1.3　信道噪聲

1.2　邊信道攻擊

1.2.1　本振光擾動攻擊

1.2.2　波長攻擊

2　CVQKD實際安全性的研究趨勢

2.1　散粒噪聲測量

2.2　本地制備本振光

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量子通信網絡組網方式及標準化研究展望

摘　要：量子通信是量子論和信息論相結合的新型交叉學科，也是目前國際量子物理和信息科學的研究熱點。量子通信具有高效率、大容量、遠距離和近乎絕對安全的特點。量子通信組網方式根據量子密鑰分發網絡節點的不同實現功能，可以分為基于可信中繼轉發的網絡、基于光交換機的網絡以及基于集控站節點的網絡。按照網絡的覆蓋范圍劃分，可分為量子局域網、量子廣域網和全球量子網絡。量子通信組網技術標準應優先考慮組網的結構、方式和網絡體系結構。

內容目錄：

1　量子通信技術發展現狀

1.1　國外現狀

1.1.1　美國

1.1.2　歐盟

1.1.3　日本

1.1.4　其他國家

1.2　國內現狀

2　量子通信網絡組網方式

2.1　基于可信中繼的方式

2.2　基于光交換機的方式

2.3　基于集控站的方式

3　量子通信網絡組網標準化展望

3.1　組網的結構

3.2　組網的方式

3.3　網絡的體系結構

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基于HB+協議的后量子安全認證系統

摘　要：HB+協議是一種基于LPN（Learning Parity with Noise）問題的安全認證協議。由于LPN問題的非線性和復雜性，該協議的安全性能在量子計算機時代遠遠優于當前的非對稱加密協議。基于以上特點，設計了一個以HB+協議為核心的新型安全認證系統，采用密鑰型物理非克隆函數引入隨機噪聲，并采用Toeplitz矩陣進行加密。仿真與實驗結果表明，提出的基于HB+協議的認證系統在硬件實現上既簡單又安全可靠。

內容目錄：

1　LPN問題和HB+協議

1.1　LPN問題

1.2　基于LPN的認證協議

2　新型認證系統設計

2.1　注冊階段

2.2　認證階段

3　仿真與實驗結果

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美國國家科學院：量子計算發展與前景

摘　要：2018年12月4日，美國國家科學、工程與醫學院發布題為《量子計算：發展與前景》的研究報告，闡釋了量子計算的運行模式、量子計算的算法與應用、量子計算對密碼體系的影響、量子計算的硬件組成、量子計算的軟件構成等內容，并在此基礎上分析了當前量子計算技術所取得的進步與時代架構，展望了量子計算的未來發展前景。報告指出，量子計算發展至今，已引發人們極大的研究興趣，也展現出一定的商業價值，但其將來的發展速度、方向和實際應用還有待觀察；量子計算將給當前的密碼體系帶來沖擊，需要人們提前做好相應的設計與部署準備。

內容目錄：

1　量子計算的發展

2　量子計算：一種新型模式

2.1　量子計算的基本原理

2.2　量子計算的主要方法

3　量子計算的應用

3.1　量子計算在密碼領域的應用

3.2　量子計算在化學領域的應用

4　量子計算對密碼學的影響

4.1　量子計算對密碼體系的影響

4.2　抵抗量子計算破解密碼

4.3　后量子加密時代

5　量子計算的硬件與軟件組成

5.1　量子計算的硬件組成

5.2　量子計算的軟件組成

6　量子計算的時代架構與發展前景

6.1　量子計算的時代架構

6.2　量子計算的發展前景

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一文讀懂：量子保密通信技術

摘　要：量子保密通信是利用量子力學基本原理和"一次一密"加密體制來實現信息安全傳遞的一種全新的保密通信方法。量子保密通信技術由于具備無條件安全性，因而具有極高的軍事價值和商業價值，得到各國政府及相關研究機構的廣泛關注，并在近年來取得了突破性進展。本文簡述了量子保密通信的基本原理和研究意義；綜述了國內外量子保密通信的發展現狀和技術水平；同時還進一步分析了量子保密通信技術未來發展趨勢并探討了其重點突破方向，最后對該技術進行展望并提出一些建議。

內容目錄：

1　發展背景

2　量子保密通信技術發展里歷史及現狀

2.1　理論奠基階段（1984－1995）

2.2　理論與實驗獨立發展階段（1995－2000）

2.3　理論與實驗融合及應用探索階段（2000－2010）

2.4　網絡化應用推廣階段（2005－至今）

3　量子保密通信技術中短期發展趨勢

4　量子保密通信技術中短期突破點

4.1　高安全、高速、長距離、高穩定的實用化QKD技術

4.2　QKD技術的標準化和應用推廣

4.3　量子存儲及中繼技術

4.4　大規模QKD網絡及應用

4.5　星地及星間QKD實驗

5　發展建議

5.1　密切跟蹤國際量子計算技術進展

5.2　加強基礎投入和自主研發

5.3　加強校企合作和市場推廣

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量子計算機能否改變世界？

摘　要：密碼是保障網絡安全的核心技術和基礎支撐，在維護國家安全、促進經濟社會發展、保護人民群眾利益中發揮著不可替代的重要作用。云物移大智的蓬勃發展，5G、智慧城市、互聯網 + 政務服務的全力推進，離不開用密碼技術來保障網絡安全、保護數據安全、保證網上誠信，需要密碼學與其它學科深入合作，需要密碼產業與其它產業的深度融合，需要產學研管用的真誠協作，需要全社會共同傳播密碼知識與政策、研究密碼應用技術、推進密碼應用方案。

內容目錄：

1　量子計算機能否分解大整數？

2　量子計算機研究進展

3　量子計算與量子算法

4　結　語

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1.3 μm波段InAs/GaAs量子點激光器性能研究

摘　要：利用氣態源分子束外延技術在GaAs襯底上生長InAs量子點材料，研制出激射波長為1.3 μm波段由5層量子點組成的3 mm腔長、3 μm脊條寬度的InAs/GaAs量子點激光器。在室溫連續波模式下，研究了激光器的輸出性能和光譜性能，激光器的閾值電流為91 mA，相應的閾值電流密度為1 011.1 A/cm2，激光輸出功率斜效率為115 mW/A，最高輸出功率達到30 mW。在溫度范圍10～50 ℃內，測得激光器的特征溫度為40 K。另外，研究了改變注入電流和改變激光器的工作溫度條件下的器件激射波長的調諧特性。

內容目錄：

1　材料生長和器件制作

2　結果與討論

2.1　光譜調諧特性

2.2　功率輸出特性

2.3　電壓輸出特性

3　結　語

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