【科技资讯】量子信息安全攻防进展

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📅 原文发布时间：2026-06
⏱️ 本站采集时间：2026-07-08 06:45:30

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量子信息技术正深刻重塑信息安全攻防格局。本文简要介绍该领域”攻””防”两端的核心进展：量子计算凭借叠加、纠缠等特性，对传统密码体系构成颠覆性威胁；量子通信则依托量子力学原理构建防御体系，核心包含量子密钥分发、量子直接通信、量子隐形传态三项技术。

一、量子计算：密码破解的颠覆性力量

量子计算借助量子物理体系特有的叠加性、纠缠性及量子干涉效应处理信息，在解决特定复杂问题时展现出超越经典计算机的潜力。与经典计算中比特仅能取0或1两种状态不同，量子计算中的量子比特可处于|0>和|1>的任意线性叠加态，且多个量子比特间能形成经典体系中不存在的纠缠态。正是这些独特性质，使量子计算在大整数分解、无序搜索、量子模拟及线性代数问题中具备显著优势。

1. 量子计算硬件体系

目前，国际上主流的量子计算硬件技术路线主要包括超导体系、离子阱、中性原子、光量子及半导体自旋体系等，不同路线各有优劣，处于多种物理体系并行竞争阶段：

• 超导量子计算机：当前发展最快，可集成性强、加工工艺成熟，已成为大规模量子处理器研发核心平台，但面临量子比特相干时间较短的挑战
• 离子阱量子计算机：具有极高的门保真度和较长的相干时间，在高精度量子操控方面优势突出，但扩展规模时操控和集成难度迅速上升
• 中性原子量子计算机：近几年发展迅速，天然适合构造大规模二维阵列，可扩展性方面具有吸引力
• 光量子计算：以光子作为信息载体，环境耦合弱，适合远距离传输
• 半导体自旋量子比特：能够与现有半导体工艺兼容，在芯片级集成方面具有潜力

2. 量子算法与密码威胁

在全量子算法中，Shor算法为大整数分解与离散对数问题提供了多项式时间的量子解决方案，充分展现了量子计算的独特优势，但该算法需要百万级量子比特支持，远超现有技术能力。

当前硬件处于含噪声中等规模（NISQ）阶段，量子-经典混合算法成为研究重点。清华大学龙桂鲁团队2022年提出的大整数分解量子-经典混合算法（Yan-Long算法），大幅降低了对量子比特数量的需求——仅需10个量子比特即可实现RSA-48密钥分解。

近期，意大利、德国学者采用该方法将大整数分解能力提升至RSA-130级别，并指出其具有多项式复杂度；英国学者还发现它可用于基于格密码的后量子密码算法分析，促使人们重新审视后量子密码的安全参数。这一算法已对经典密码学产生深远且持续的重大影响。

二、量子通信：构建量子安全防御体系

量子通信是应对量子计算对信息安全威胁的重要手段，它以量子态为信息载体，依托量子力学基本原理实现信息的安全传输与处理。主要研究方向包括量子密钥分发、量子直接通信和量子隐形传态，三者共同构成未来量子网络乃至量子互联网的基础。

1. 量子密钥分发

量子密钥分发的核心目标是在通信双方之间利用量子态传输随机数，从而建立一串具备信息论安全的共享随机密钥。之后结合”一次一密”经典加密算法，实现经典信息的保密通信。

该方案（BB84协议）由Bennett与Brassard于1984年提出，通过两组共轭正交量子态传输随机数，借助窃听感知将确认未被窃听的随机数作为密钥保障安全。中国建成的”京沪干线”量子保密通信骨干网与”墨子号”量子科学实验卫星，成功实现了城际及星地间的安全密钥分发，推动我国在该领域取得国际领先地位。

2. 量子直接通信

量子直接通信的目标是直接在量子信道上安全传输秘密信息本身，实现”通信即安全”。该方向由清华大学团队于2000年提出。

近年来，量子直接通信的实验与实用化进展迅速：

• 2019年研制出国际首个原理样机
• 2022年传输距离突破100公里
• 2025年，基于单光子的同步信息传输与密钥交换协议的量子直接通信样机在超100公里光纤中实现连续7年的稳定通信，标志着该技术步入城际应用的里程碑

除保障信息安全外，量子直接通信还具备通信监测发现能力：一旦通信被监测，误码率会立即上升并向使用者报警，为反击”斩首打击”提供了技术手段，也为保障指挥员人身安全提供支撑。

3. 量子隐形传态

量子隐形传态借助量子纠缠与经典通信手段，可将未知量子态（即量子信息）从一个地点传递至另一地点，是实现量子资源传输的核心技术之一。

整个过程不传输粒子本身，仅传递”态”的信息，且必须依赖经典通信。量子隐形传态依托量子纠缠的非局域性实现未知量子态的远距离传输，是构建量子互联网、支撑分布式量子计算的基础技术。

4. 量子网络

量子密钥分发、量子直接通信与量子隐形传态等技术，最终将汇聚并集成于量子网络之中，其终极形态为全球规模的量子互联网。

构建量子网络面临的核心挑战在于光子损耗，因此必须引入量子中继技术，核心思路是”分段纠缠分发，纠缠交换连接”。目前量子中继技术还有待进一步提升。

为解决量子直接通信网络中继节点的可信问题，中英两国研究者提出了安全中继组网方案，明确了发展量子互联网的七阶段路线图：从当前可用的量子密钥分发网络，逐步向最终实现全量子纠缠交换互联的量子互联网演进。

三、总结与展望

经过近三十年发展，量子信息领域在量子计算与量子通信的各项指标上不断刷新纪录，正逐步从实验室研究迈向应用实践。

• 量子计算：不同硬件路线多路径并行发展，量子-经典混合算法有望借助近期量子硬件，对RSA、椭圆曲线等经典密码体系形成实质性威胁
• 量子通信：我国在星地量子密钥分发、量子密钥分发干线、量子直接通信样机等领域处于国际领先地位，已从实验室阶段走向工程应用

量子计算对现有公钥密码体系的威胁正在从长期风险转变为中期工程风险。虽然到2030年并不意味着大规模量子计算机必然能够破解RSA-2048，但这一阶段很可能成为密码体系迁移和量子安全通信部署的关键窗口。受此影响，各国标准机构和通信企业正在加速布局后量子密码、量子通信以及二者结合的量子安全通信方案。

未来5年，在国家政策支持下，量子信息新兴产业有望取得重大实际进展。

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