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Q

“量子安全直接通信”是不是如同它的名稱一樣又直接又安全?

答：事實(shí)上“量子安全直接通信（QSDC）”這種望文生義式的“優(yōu)勢(shì)”并不存在。相反，它效率極低且存在嚴(yán)重的安全缺陷，其實(shí)是既不安全也不直接。

效率極其低下是QSDC的“硬傷”。國內(nèi)學(xué)者跟進(jìn)發(fā)表的量子安全直接通信協(xié)議[5-9]采用雙向量子態(tài)傳輸，即需要將量子態(tài)在同一個(gè)信道中進(jìn)行正向和反向的兩次傳輸，這將會(huì)導(dǎo)致巨大的量子態(tài)損耗。

為了說明這一問題，我們?cè)陂L度為100公里的光纖中分析一下?lián)p耗情況。在通常的商用光纖中，光子數(shù)目在傳輸100公里后會(huì)衰減至大約百分之一。量子密鑰分發(fā)（QKD）只需要單向傳輸量子態(tài)，那么光子的傳輸距離就是100公里，“幸存”的光子即為百分之一。而QSDC需要進(jìn)行正向和反向兩次傳輸，這就相當(dāng)于光子要在光纖中傳輸200公里。然而，信道的損耗是隨傳輸距離呈指數(shù)增長的，傳輸200公里后“幸存”的光子可不是兩百分之一，而是萬分之一！除了量子態(tài)雙向傳輸?shù)膯栴}，還有許多其他弊端，使QSDC的實(shí)際效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于QKD。作為例證，QSDC最新的百公里距離實(shí)驗(yàn)[5]，其傳輸效率還不到同樣距離下QKD實(shí)驗(yàn)[6]的百萬分之一。因此，相比于QKD協(xié)議，QSDC存在嚴(yán)重的效率低下問題。

在安全性方面，由于量子保密通信是迄今唯一可實(shí)現(xiàn)“信息論可證”安全的通信方式，從邏輯上講，QSDC自然不可能具有更高的安全性。而且QSDC的雙向傳輸特性使其無法抵御木馬攻擊、現(xiàn)有的QSDC協(xié)議都沒有防范光子數(shù)分離攻擊和探測器攻擊等等。QSDC在安全性方面獨(dú)有的這些缺陷，使得其安全性必定弱于QKD。事實(shí)上，考慮這些現(xiàn)實(shí)安全性問題，目前所有的QSDC實(shí)驗(yàn)都是不安全的。

凡是QKD的BB84協(xié)議所需要的資源或操作，QSDC都需要。例如，一些人可能會(huì)誤以為QSDC不需要使用密鑰，從而避免了密鑰管理的負(fù)擔(dān)。事實(shí)是，QSDC需要使用大量的機(jī)密數(shù)據(jù)，這些機(jī)密數(shù)據(jù)的安全管理要求等價(jià)于密鑰。在現(xiàn)實(shí)條件下，QSDC比量子保密通信需要更多的機(jī)密數(shù)據(jù)，因此反而會(huì)有更大的機(jī)密數(shù)據(jù)管理負(fù)擔(dān)。

為了試圖解決之前的QSDC協(xié)議[1,2]無法實(shí)際工作的問題，近年來有人提出改進(jìn)的QSDC協(xié)議[3-5]。這些協(xié)議采用了先共享密鑰，再利用共享密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密傳輸?shù)姆绞健?strong>這些改進(jìn)的QSDC協(xié)議本質(zhì)上已經(jīng)變成了早在1984年就被提出的量子密鑰分發(fā)BB84協(xié)議的一個(gè)低效版變種：這些協(xié)議使用了BB84協(xié)議需要的所有資源、需要用密鑰對(duì)經(jīng)典信息進(jìn)行加密傳輸?shù)鹊取?/p>

總之， QSDC宣稱能提供的任何服務(wù)，都能采用量子保密通信更高效地完成；QSDC獨(dú)有的安全性缺陷使得目前所有的QSDC實(shí)驗(yàn)都是不安全的，不僅沒有任何優(yōu)勢(shì)，而是根本不能提供信息安全服務(wù)。同時(shí)，近二十年來QSDC相關(guān)研究所呈現(xiàn)的極低效和不安全的結(jié)果已經(jīng)自證了其落后性，所謂的量子安全直接通信是科學(xué)技術(shù)的倒退而不是進(jìn)步。

A

參考文獻(xiàn)：

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[3] Z. Sun et al., IEEE Transactions on Communications, 68, 5778 (2020).

[4] R. Qi et al. Light Sci. Appl. 8, 22 (2019); D. Pan et al., Photonics Research, 8, 1522 (2020);

[5] H. Zhang et al. Light Sci. Appl. 11, 83 (2022).

[6] W. Li et al., Nat. Photon. 17, 416 (2023); F. Grünenfelder et al., Nat. Photon., 1 (2023).