來自中國的科研聯合團隊完成了全球首次量子密鑰分發（QKD）和后量子密碼（PQC）融合可用性的現網驗證。

相關工作于當地時間7月30日發表在國際知名學術期刊《Optics Express》上。前述聯合科研團隊來自中國科大、國盾量子、國科量子、濟南量子技術研究院與上海交大等單位。

目前，國家、機構、個人的信息安全需求與日俱增，應對量子計算威脅、保護信息安全成為全世界的研究熱點。

“QKD和PQC是目前學術界公認的應對量子計算威脅的兩個技術路徑和方向，本研究將兩個抗量子計算威脅的技術融合應用，且在現網進行了實際驗證。”一位研究主要參與人員向澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者表示。

QKD是指利用量子糾纏的特性，使通信雙方分享一個隨機且安全的密鑰，用于信息的加密和解密。

PQC又稱抗量子計算密碼，它是能夠抵抗量子計算機對現有密碼算法攻擊的密碼算法。

國際較為普遍的觀點是QKD具有長效安全性，但缺少認證手段、應用成本相對較高；PQC具有功能和應用體系與傳統密碼兼容的優勢，但缺少安全性證明。

相對于在兩種技術路線間“二選一”，融合兩者優勢可能是更為有效的方法。那么QKD與PQC如何融合？

“QKD的流程中需要收發兩端的QKD設備進行認證，以此避免中間人攻擊，傳統的QKD采用預置密鑰的方式來進行初始認證。本研究將PQC算法集成到商用QKD設備中，利用基于格的PQC簽名算法來實現了QKD設備之間的認證，實現QKD+PQC的融合應用，進一步提升QKD網絡的安全性和組網便利性。”該研究主要參與人員介紹道。

今年5月，研究團隊已經在實驗室中對“QKD+PQC”融合方案的可行性進行了驗證。目前QKD設備應用的安全認證方法是預共享對稱密鑰。每個配對用戶都需要存儲其共享的身份驗證密鑰，這種方式在面對規模網絡中有大量節點需要相互認證的場景時，存在需預置大量密鑰、管理維護不便的問題。研究人員使用QKD設備和PQC上位機通信，用PQC認證代替QKD的預置密鑰認證，解決了相關問題，初步驗證了在QKD協議運行及交互通信中融合PQC認證的可行性。

PQC認證流程框圖，需要認證的數據有基矢比對數據、糾錯后的密鑰、隱私放大中的共享隨機數和最終密鑰。數據認證的流程包括：1）采用SM3哈希算法計算要認證的數據的Tag值；2）將Tag值通過板間通信接口發送到PQC模塊；3）通信雙方的PQC模塊之間根據PQC算法進行認證；4）認證結果通過板間通信接口返回給等待認證結果的模塊。

論文表示，本次實驗進一步在現網實際業務中驗證了融合方案的可行性，不僅將PQC認證協議集成到QKD設備內部，還在多用戶、現網通信條件下進行了長時間運行測試。

本次實驗中，研究人員使用了系統頻率為40MHz的QKD設備進行協議集成，PQC認證協議參與了QKD協議交互的對基、糾錯、保密增強、密鑰校驗等全部數據交互環節；在真實的量子保密通信網絡中運行，包括14個用戶節點、5個光交換節點49條光纖鏈路，網絡線路均為中國聯通正常運營的商業線路；整個測試系統持續運行36天，采用PQC認證后的成碼率與原成碼率相比誤差在2%范圍內，證明了融合方案對QKD性能并未產生明顯影響。

“5月的實驗是在實驗室中，PQC算法是在PC機上跑的，與實際商用網絡有一定差距。對于多用戶、復雜拓撲等一些問題也需要在現網進行驗證。本次是在5月成果基礎上，將PQC算法集成到了商用的QKD設備中，并在濟南城域網現網進行了長時間運行，意義更重大。”研究人員介紹稱，“相比之前的實驗室試驗，這次側重商用QKD設備，集成度更高，更貼近實際量子保密通信城域網環境。”

論文表示，本次實驗在14個用戶節點、5個光交換節點組成的濟南城域QKD現場網絡中實際驗證了PQC算法在大型城域QKD網絡中應用的可行性、有效性和穩定性，驗證了在城域QKD網絡中使用PQC認證所帶來的光交換代替可信中繼的優勢。

濟南城域QKD網絡拓撲，其中X1~X5是光交換節點，U1、U3、U6、U9、U10、U13、U14是收用戶節點，U2、U4、U5、U7、U8、U11、U12是發用戶節點。各用戶節點通過光纖連接光交換節點，光交換節點之間也通過光纖連接，根據各用戶節點和光交換節點的實際部署地理位置不同，單根光纖長度從5m至21.46公里不等。

“這次現網實驗，會極大的促進商用QKD和PQC的融合，技術上已經不存在瓶頸了。但實際應用除了技術方面，更多的還受商業、需求等多因素影響。”研究人員表示。

問及下一步將如何發展，前述研究人員表示，“技術研究方面的工作告一段落，下一步是聯合量子通信設備廠家，進一步優化QKD設備的功能性能，提高設備的集成度，同時完善組網相關的KM等設備的功能性能，爭取早日實現規模化應用。”