信息安全的量子攻擊與防護

有用，但并不是普遍規律。關鍵區別在于“端口數”和“模式數”不同。天線端口是讀取和控制電磁場的接口，真正承載信息的則是電磁場中的獨立模式。如果孔徑大小、工作頻率和傳播環境都沒有改變，繼續增加陣元，往往只是把同一片電磁場采得更細，而不是產生新的獨立模式。可以把這件事類比為拍攝一幅圖像。傳感器像素太少時，細節會丟失；但當像素數已經足以記錄鏡頭所能分辨的細節后，繼續增加像素，并不會突破鏡頭孔徑決定的分辨率上限。天線陣列也類似：陣元過少會漏掉模式，陣元足夠后再繼續加密，主要改善的是控制精度、校準能力和系統魯棒性，而不是自動增加物理自由度。其原因來自波動約束。在給定頻率下，電磁場在空間中的變化速度不能任意快；在給定孔徑下，可被穩定激發和接收的空間模式也有限。若陣列采樣已經覆蓋主要空間帶寬，繼續減小陣元間距就會進入冗余采樣區間。此時系統可能更容易做波束賦形、誤差補償和連續孔徑近似，但可獨立傳輸或分辨的信息流數，不會隨天線數成比例增加。因此，評價超密陣列、連續孔徑或全息MIMO時，不能只看端口數。更需要問的是：系統是否真正獲得了新的可用模式？是否能穩定訪問新的傳播方向、波前曲率、極化狀態或近場結構？如果答案是否定的，更多端口主要是工程實現手段；如果答案是肯定的，更多端口才可能轉化為新的有效自由度。下一節將進一步說明：自由度到底是什么。

|作者：張飛昊1 張江1 龍桂魯1,2,3, ?

(1 北京量子信息科學研究院）

(2 清華大學物理系 低維量子物理國家重點實驗室）

(3 清華大學量子信息前沿科學中心）

本文選自《物理》2026年第6期

摘要量子信息技術正深刻重塑信息安全攻防格局。文章簡要介紹該領域“攻”“防”兩端的核心進展。量子計算憑借疊加、糾纏等特性，對傳統密碼體系構成顛覆性威脅。當前硬件處于含噪聲中等規模階段，其對密碼的攻擊主要包含兩類——Shor全量子算法需百萬級量子比特支持，遠超現有技術能力；而閆寶—龍桂魯等提出的量子—經典混合算法(Yan—Long算法)已顯示出潛在威脅，但距離實際破譯大規模密碼仍需進一步驗證。量子通信則依托量子力學原理構建防御體系，核心包含三項技術：量子密鑰分發通過量子態傳輸隨機數協商密鑰，結合“一次一密”實現保密通信；量子直接通信可直接傳輸秘密信息，兼具竊聽感知與位置暴露預警能力；量子隱形傳態借助量子糾纏實現未知量子態遠距離傳輸，是未來量子網絡的核心基礎。

關鍵詞量子信息，量子計算，量子通信

01

引 言

在當今時代，信息與數據安全正面臨根本性挑戰。傳統加密體系正日益受到量子計算的威脅，而量子信息科學為此提供了全新的解決方案——量子計算借助量子疊加、糾纏等獨特物理資源，在信息處理與傳輸領域開辟了新的技術范式。本文旨在系統闡述量子信息領域中兩個核心方向：一是利用量子計算機對經典加密體系的“攻”，二是通過量子通信技術實現的“防”。其中，“攻”指通過量子計算實現算力突破，在優化、模擬、密碼分析等領域展現顛覆性能力；“防”則是發展量子通信技術，構建基于量子力學原理的安全傳輸體系，以抵御包括量子計算在內的各類攻擊。下文將首先介紹量子計算的原理、硬件、糾錯與算法進展，隨后重點討論量子密鑰分發、量子直接通信、量子隱形傳態等關鍵通信技術及其組網展望，從而勾勒出量子信息技術的整體發展圖景。

02

量子計算

量子計算是近年來物理學、信息科學與計算機科學交叉領域中最活躍的研究方向之一。它借助量子物理體系特有的疊加性、糾纏性及量子干涉效應處理信息，在解決特定復雜問題時展現出超越經典計算機的潛力[1]。與經典計算中比特僅能取0或1兩種狀態不同，量子計算中的量子比特可處于|0>和|1>的任意線性疊加態，且多個量子比特間能形成經典體系中不存在的糾纏態。正是這些獨特性質，使量子計算在大整數分解、無序搜索、量子模擬及線性代數問題中具備顯著優勢[2]。

量子計算的物理過程是將信息編碼于量子體系的狀態中，通過施加可控的哈密頓量精確調控其動力學演化以實現計算，最終通過測量體系的末態讀取結果。量子計算的發展始終圍繞兩個相互交織的核心方向：一是如何構建可控且可擴展的量子硬件，二是如何基于量子硬件設計具備計算優勢的算法。

2.1 量子計算硬件體系

量子計算機的構建首先面臨物理層面的核心問題，即需找到合適的量子體系作為量子比特載體。目前，國際上主流的量子計算硬件技術路線主要包括超導體系、離子阱、中性原子、光量子及半導體自旋體系等。

超導量子計算機是當前發展最快的技術路線之一，其原理是利用約瑟夫森結提供非線性特性，從超導電路的多個能級中選取兩個有效能級作為量子比特[3]。超導量子比特的突出優勢在于可集成性強、加工工藝成熟，且便于通過成熟的微波技術實現精準控制，因此已成為當前大規模量子處理器研發的核心平臺。不過，該體系也面臨顯著挑戰：量子比特的相干時間較短，對控制精度及微納加工工藝均提出了極高要求。

離子阱量子計算機利用電磁場形成勢阱俘獲離子，并將離子的內部能級作為量子比特[4]。離子阱體系具有極高的門保真度和較長的相干時間，在高精度量子操控方面具有突出優勢。它的主要不足在于當將系統中的量子比特數目擴展到更大規模時，操控和集成難度迅速上升。

中性原子量子計算機近幾年也發展迅速，它通過光鑷陣列俘獲中性原子，并利用原子間的里德伯相互作用實現兩比特門[5]。這一路線的優點是天然適合構造大規模二維陣列，因此在可擴展性方面很有吸引力。

光量子計算以光子作為信息載體，具有環境耦合弱、適合遠距離傳輸的特點。半導體自旋量子比特則能夠與現有半導體工藝兼容，在芯片級集成方面具有潛力。

此外，基于光的相干伊辛機是一種專用的量子計算機，在優化問題中具有優勢，已經具有實用的能力[6]。總的來說，不同的硬件路線各有長處，又都存在不足，目前沒有哪條路線完全勝出，而是處在多種物理體系并行競爭的發展階段。

2.2 從量子比特操控到通用量子門

無論采用哪一種硬件體系建造量子計算機，量子計算都離不開對量子比特的精確操控。對于單個量子比特而言，其一般純態可表示為

在幾何上，這一狀態可以用布洛赫(Bloch)球上的一點來表示。對單量子比特施加外場進行操控，本質上就是讓量子比特的狀態在Bloch球上實現受控旋轉。實驗上，通常通過共振脈沖、激光或微波來完成操控。

僅有單比特門還不足以構成量子計算。量子計算與經典計算最根本的差別之一，在于多個量子比特之間可以形成糾纏態，許多重要量子算法的計算優勢與糾纏和量子干涉密切相關。因此，系統操控中必須引入兩比特量子門甚至多比特量子門，例如受控非門(CNOT)或受控相位門(CZ)。物理上，這意味著要在兩個量子比特之間建立可控的相互作用，例如超導體系中的電容或電感耦合、離子阱中的公共振動模耦合、中性原子中的里德伯阻塞等。

在物理層面上，量子計算的過程就是系統中所有量子比特的一個動力學演化，這對應著作用在所有物理比特上的一個演化算符。數學上，任意這樣的高維演化算符總可以分解為有限集合的基本量子門序列，這些基本量子門可以只包含作用在一個比特上的單比特量子門和作用在兩個比特上的兩比特門。需要說明的是，這里的“可以分解”主要是指原理上的可行性；對于任意的N比特演化算符，其分解所需的基本門數量通常會隨N指數增長，因此通用量子門集的存在并不意味著任意量子演化都能被高效實現。在實際應用中，量子近似優化算法等具體量子算法中使用的演化算符通常具有特殊結構，其每一層往往由局域哈密頓量的演化組成，因此通常可以用多項式量級的量子門實現。理論上可以證明，只要能夠實現任意單比特門，再加上一類非平凡的兩比特糾纏門，就能夠構成通用量子門集[1]。這與經典計算中“任意邏輯操作都可由基本邏輯門構成”的思想是相同的。從這個角度看，量子計算可以被理解為在特定物理平臺上，通過一系列可控的基本門操作，對量子態進行編程式演化。

2.3 噪聲、量子糾錯與容錯計算

理想的量子演化必須在系統還具有相干性的時候完成，但真實的量子體系不可避免地會受到環境噪聲、控制誤差和器件缺陷的影響。與經典比特的錯誤通常只表現為0和1之間的翻轉不同，量子比特的誤差更加復雜，既可能發生比特狀態|0>與|1>之間的翻轉，也可能發生兩個狀態之間相位的翻轉，還可能發生更一般的退相干或者能量衰退，比方說從高能級的|1>態弛豫到低能級的|0>態。

量子比特的脆弱性引出了量子計算中的一個核心問題：如何在一個天然易受擾動的體系中實現可靠的計算？目前的主要答案是引入量子糾錯碼與容錯計算[6]。量子糾錯的基本思想，是把一個邏輯量子比特編碼到多個物理量子比特的高維希爾伯特空間中，通過冗余編碼和綜合征測量來檢測并校正錯誤[7]。典型的方案包括Shor碼、Steane碼以及當前最受重視的表面碼[8]和量子低密度奇偶校驗碼等。

實際上單純“會糾錯”還不夠，因為糾錯過程本身也會引入新的誤差。因此，人們發展出了容錯量子計算的概念，即要求在門操作、測量和糾錯循環都可能出錯的情況下，整個計算仍可通過分層編碼和反復校正保持可靠。當物理錯誤率低于某個閾值時，原則上可以通過增加編碼規模將邏輯錯誤率壓低到任意程度。因此，量子糾錯和容錯計算不僅是優美的理論框架，更是大規模量子計算能否實現的理論基礎。

2.4 量子算法與其對通信的安全威脅

一般來說，量子計算包含兩個層面：一是如何建造量子計算機，二是如何利用量子計算機解決問題。前面討論的量子硬件與量子門操作，主要圍繞前者展開；接下來要介紹的量子算法，則聚焦于量子計算機能夠實現的功能。

在全量子算法或容錯量子算法中，Shor算法無疑是最具代表性的成果。它為大整數分解與離散對數問題提供了多項式時間的量子解決方案，充分展現了量子計算的獨特優勢。Grover算法則證明，在無序數據庫搜索任務中，量子計算可將查詢復雜度從經典的O(N)降至
，實現平方級加速[10]。HHL (Harrow—Hassidim—Lloyd)算法則嘗試利用量子系統處理線性方程組問題，在特定條件下展現出比經典算法更優的復雜度標度[11]。

這些算法揭示了容錯量子計算的巨大潛力，但它們通常需要大量高保真邏輯量子比特，因此更適用于未來的大規模容錯量子計算機。相比之下，當前的實驗設備仍處于“含噪聲的中等規模量子器件” (noisy intermediate-scale quantum，NISQ)階段[2]。由于這一階段的量子硬件尚無法支撐深層容錯算法，人們開發了一批更適配近期設備的變分量子算法和量子—經典混合算法，例如變分量子本征求解器、量子近似優化算法等。這類算法的核心特點是通過量子器件生成參數化量子態，再利用經典優化器持續更新參數，從而降低對容錯硬件的依賴[12]。

清華大學龍桂魯團隊在量子算法領域提出并發展了多項重要成果。例如，針對Grover算法存在一定失敗概率的問題[13]，他們提出了量子精確搜索算法(Long算法)；還提出了酉算子線性組合量子計算范式(linear combination of unitaries，LCU)[14]，該方法在哈密頓量模擬、量子線性代數及量子算法設計中應用廣泛，可用于全量子本征求解器[15]等場景。

2022年，龍桂魯與清華大學、信息工程大學等機構的研究人員合作提出了大整數分解的量子—經典混合算法[16]。該算法將量子計算引入經典Schnorr算法，大幅降低了對量子比特數量的需求——僅需10個量子比特即可實現RSA-48密鑰的分解。Shor在采訪中肯定了該算法的正確性[17]，穆迪分析也專門發布白皮書，認為它是對現有算法的重要改進[18]。近期，意大利、德國學者采用該方法將大整數分解能力提升至RSA-130級別，并指出其具有多項式復雜度[19]；英國學者還發現它可用于基于格密碼的后量子密碼算法分析[20]，促使人們重新審視后量子密碼的安全參數[21，22]。這一量子—經典混合算法已對經典密碼學產生深遠且持續的重大影響。

03

量子通信

量子通信[23—25]是應對量子計算對信息安全威脅的重要手段，它以量子態為信息載體，依托量子疊加、量子糾纏、量子不可克隆定理等量子力學基本原理，實現信息的安全傳輸與處理。其主要研究方向包括量子密鑰分發[26]、量子直接通信[27]和量子隱形傳態[28]，三者共同構成未來量子網絡乃至量子互聯網的基礎。下文將圍繞BB84量子密鑰分發協議、基于糾纏態的量子直接通信兩步協議及量子隱形傳態協議，解讀其原理并介紹發展現狀與趨勢。

3.1 量子密鑰分發

量子密鑰分發的核心目標是在通信雙方(通常標記為Alice與Bob)之間，利用量子態傳輸隨機數，從而建立一串具備信息論安全的共享隨機密鑰。之后，雙方可將該密鑰與“一次一密”的經典加密算法結合，實現經典信息的保密通信。量子密鑰分發最早由美國科學家Charles H. Bennett與Gilles Brassard于1984年提出[26]，這一方案被廣泛稱為BB84協議。該協議通過兩組共軛的正交量子態傳輸隨機數，借助對竊聽行為的感知，將確認未被竊聽的隨機數作為密鑰以保障安全性。需要注意的是，量子密鑰分發并非傳輸預先確定的密鑰，而是傳輸隨機數；一旦檢測到傳輸過程中存在竊聽，相關隨機數就會被丟棄。

此后，量子密鑰分發的實用性與安全性持續提升。中國建成的“京滬干線”量子保密通信骨干網與“墨子號”量子科學實驗衛星[29]，成功實現了城際及星地間的安全密鑰分發，推動我國在該領域取得國際領先地位。

3.2 量子直接通信

量子直接通信的目標是直接在量子信道上安全傳輸秘密信息本身，實現“通信即安全”(圖1)。該方向由清華大學團隊于2000年提出，首個協議為基于糾纏的高效量子直接通信協議[27]，接下來將以其變形版本闡釋其原理[30]。

圖1 量子直接通信兩步方案示意圖

第一步：通信雙方Alice與Bob預先約定4種貝爾態|ψ->、|ψ+>、|?->、|?+>，分別對應經典信息編碼00、01、10和11。Alice制備一組糾纏光子對，每對均處于貝爾態

。

第二步：Alice將每對糾纏光子中的一個通過量子信道發送給Bob，自己保留另一個。Bob收到光子后需進行安全檢查：隨機選取部分收到的光子，以X基、Y基或Z基隨機進行單粒子測量，并將測量基與結果告知Alice。Alice則對自己手中對應的光子采用相同基測量。由于初始光子對處于糾纏態，若信道安全無竊聽，二者的測量結果應呈現完美量子關聯(部分貝爾態如|ψ->的結果需相反)。通過計算抽樣數據的誤碼率，可判斷第一步傳輸是否安全。若安全則進入下一步，否則終止此次通信。

第三步：確認信道安全后，Alice根據待直接發送的機密信息，對其保留的所有光子施加相應的幺正IσXσYσZ操作。這些操作會將糾纏對編碼為不同貝爾態——此時信息已編碼在雙方共同持有的糾纏態中，但Bob暫未知曉。

第四步：Alice將操作后的光子發送給Bob。Bob收到第二批光子后，對手中所有光子對進行貝爾基聯合測量，通過測量結果即可唯一確定Alice在第三步施加的操作，進而解碼出完整秘密信息。在該步驟中的傳輸光子如果被竊聽者截取，其通過糾纏態的部分比特也無法解碼出完整信息。

實際上，Bennett 和 Brassard早在1982年就已開展量子直接通信的研究，但因投稿被拒轉而研究量子密鑰分發。直到2014年——清華大學發表首個量子直接通信成果的14年后，他們才將這篇延遲了32年的研究發表出來[31]。由于這篇文章在審稿過程中的波折，我們才有機會原創提出量子直接通信。近年來，量子直接通信的實驗與實用化進展迅速：2016年，基于單光子的DL04協議成功完成實驗驗證[32]；2017年，中國科學技術大學與南京郵電大學聯合實現了兩步量子直接通信的原理演示[33]。此后，通過攻克噪聲環境理論、發展無需量子存儲的編碼方案及提升安全容量的INCUM等關鍵技術，量子直接通信實現了從原理驗證到實用系統的跨越：2019年研制出國際首個原理樣機[34]；2022年傳輸距離突破100公里[35]；2025年，基于單光子的同步信息傳輸與密鑰交換協議的量子直接通信樣機在超100公里光纖中實現連續7年的穩定通信[36]，標志著該技術步入城際應用的里程碑。

值得指出的是，除保障信息安全外，量子直接通信還具備通信監測發現能力：一旦通信被監測，誤碼率會立即上升并向使用者報警，這為反擊“斬首打擊”提供了技術手段，也為保障指揮員人身安全提供了支撐。

3.3 量子隱形傳態

以上兩類通信協議的目標均是實現經典信息的安全傳輸。本部分將介紹量子隱形傳態[28]技術(圖2)，它借助量子糾纏與經典通信手段，可將未知量子態(即量子信息)從一個地點傳遞至另一地點，是實現量子資源傳輸的核心技術之一。

圖2 量子隱形傳態方案示意圖

第一步：Alice需將加載于光子1的未知量子態|ψ>傳遞給遠端的Bob。為此，雙方需預先共享一對處于最大糾纏態的資源粒子(如制備一個貝爾態|ψ->)，并將其中的光子2分配給Alice、光子3分配給Bob。此時，Alice持有光子1和光子2，Bob持有光子3。

第二步：Alice對其持有的光子1和光子2進行貝爾基聯合測量。該測量存在4個可能結果，分別對應4個貝爾基|ψ->、|ψ+>、|?->、|?+>。測量后光子1的原始態|ψ>會被破壞，光子2與3的糾纏態也會發生改變。這4個結果出現的概率相等，Alice需將兩比特的經典測量結果通過經典信道告知Bob。

第三步：Bob收到Alice發來的兩比特經典信息后，根據這一“指令”對其手中的光子3施加相應的幺正操作。操作完成后，光子3將處于光子1最初的未知態|ψ>，而Alice處的光子1已不再保持原態。至此，量子態的隱形傳態完成。整個過程不傳輸粒子本身，僅傳遞“態”的信息，且必須依賴經典通信。

量子隱形傳態依托量子糾纏的非局域性實現未知量子態的遠距離傳輸，是構建量子互聯網、支撐分布式量子計算的基礎技術。與前面介紹的兩種安全通信技術不同，量子隱形傳態不保證傳輸的安全性。

3.4 量子網絡

量子密鑰分發、量子直接通信與量子隱形傳態等技術，最終將匯聚并集成于一個更龐大的基礎設施——量子網絡之中。量子網絡是由多個量子節點通過量子信道相互連接構成的系統，其終極形態為全球規模的量子互聯網。構建量子網絡面臨的核心挑戰在于損耗：光子在光纖中傳輸時會隨距離呈指數衰減，這導致點對點量子通信的距離存在理論極限。因此，要構建大規模量子網絡，必須引入量子中繼技術[37]。

量子中繼的核心思路可概括為“分段糾纏分發，糾纏交換連接”：先將長距離鏈路拆分為若干短程段，在每段內建立相鄰節點間的糾纏；隨后通過對中間節點存儲的糾纏態執行“糾纏交換”操作，將相鄰段的糾纏關聯起來，從而在遠距離的終端節點間建立糾纏。這一過程可級聯開展，最終實現任意距離的糾纏分發。量子存儲器是量子中繼的關鍵組件，它須具備長時間、高保真存儲量子態的能力，以等待所有鏈路完成糾纏建立。目前，基于冷原子系綜、囚禁離子、稀土摻雜晶體等物理系統的量子存儲器正處于快速發展階段。

當前階段量子中繼技術還有待進一步提升，為了解決量子直接通信網絡中繼節點的可信問題，中英兩國研究者提出了安全中繼組網方案，并在實驗上進行了驗證，同時給出了發展量子互聯網的七階段路線圖[38]。安全中繼網絡的核心思想是用量子直接通信傳輸經典密碼(如抗量子攻擊的后量子密碼)加密的密文，采用經典中繼。在經典中繼節點，密文從量子信道讀出，成為經典密文，但依然受到經典密文密碼體制的保護，即便中繼節點被攻擊，攻擊者也無法解出原始信息，以此解決中繼節點的可信問題。而發展量子互聯網的七階段路線圖[38]，明確了從當前可用的量子密鑰分發網絡，逐步向最終實現全量子糾纏交換互聯的量子互聯網演進的步驟，為量子網絡的技術研發和工程落地指明了階段性方向。目前量子網絡的相關研究仍在持續推進，在多節點糾纏連接、組網協議優化等方向不斷取得新的進展，為未來廣域量子網絡的實際應用奠定基礎。

04

總 結

在經過近三十年的發展，量子信息領域在量子計算與量子通信的各項指標上不斷刷新紀錄，正逐步從實驗室研究邁向應用實踐。量子計算的吸引力不僅在于其可能帶來全新的計算能力，更在于它將抽象的量子力學原理轉化為可設計、可操控、可編程的真實物理過程——這既要求人們深入理解微觀體系的物理特性，也需要發展精密的控制技術、可靠的糾錯方法與高效的算法體系。從硬件層面看，不同物理平臺各有優勢，短期內大概率仍將呈現多路線并行發展的格局；從理論層面看，量子糾錯與容錯計算仍是實現大規模實用量子計算的關鍵。當前，量子—經典混合算法有望借助近期的量子硬件，對RSA、橢圓曲線等經典密碼體系形成實質性威脅。量子通信已從實驗室階段走向工程應用，我國在星地量子密鑰分發、量子密鑰分發干線、量子直接通信樣機等領域處于國際領先地位。值得注意的是，實際量子通信系統的安全性仍受設備缺陷、有限碼長、節點可信性等因素影響。為解決這一問題，一方面要發展設備無關量子通信、量子中繼等技術，推進其實用化；另一方面要推進量子通信設備安全認證發展。隨著國家對量子信息新興產業的政策支持，未來5年該產業有望取得重大的實際性進展。

量子計算對現有公鑰密碼體系的威脅正在從長期風險轉變為中期工程風險。雖然到2030年并不意味著大規模量子計算機必然能夠破解RSA-2048，但這一階段很可能成為密碼體系遷移和量子安全通信部署的關鍵窗口。受此影響，各國標準機構和通信企業正在加速布局后量子密碼、量子通信以及二者結合的量子安全通信方案。

致 謝感謝北京量子信息科學研究院王敏副研究員的討論。

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