2023-12-24-中国移动-2023量子密钥无线分发（Q_波）技术白皮书_22页_9mb

量子密钥无线分发（Q波）技术白皮书总结

核心内容

本白皮书由中国移动发布，旨在探讨量子密钥无线分发（Q波）技术的实现方案与产业落地路径。该技术结合了量子密钥分发（QKD）与无线物理层安全通信，通过无线信道的“不确定性”实现量子态密钥的“确定性”安全传输，解决量子密钥在移动终端部署中的“最后一公里”难题。该方案支持端到端、与算力无关的高安全量子密钥分发，为未来量子通信与信息通信技术（ICT）的融合奠定基础。

主要观点

• 量子通信的战略意义：量子通信是新一轮科技革命的重要方向，具有重要的战略意义，是中国“十四五”规划的重要组成部分。
• 传统密钥分发的局限性：当前采用的离线灌装方式虽然安全，但存在用户使用不便、成本高、覆盖范围有限等问题。
• Q波技术的创新性：Q波技术通过无线信道的随机性、互易性、去相关性等特性，实现量子密钥的安全无线分发，具有多层安全性、对中心的弱依赖性、自主能力等优势。
• 技术路线：Q波技术分为基于高层加密和基于无线物理层加密两种方式，其中后者具有更高的安全性和应用潜力。
• 系统架构：Q波系统由量子密码安全服务中心、量子无线网关、量子安全终端组成，形成完整的端到端密钥分发链路。
• 关键技术流程：包括信道探测、量化、信息协调、隐私放大，通过这些步骤生成对称密钥并用于加密传输量子密钥。
• 传输帧格式：包含帧头、公共信息、私有信息三部分，定义了密钥传输的结构与格式。
• 测试验证：在北京信息港和南京无线谷部署了Q波技术验证装置，测试表明系统可在10 kb/min的速率下实现量子密钥的无线分发，验证了技术的可行性。
• 产业推进建议：提出需联合产学研各方，推进技术攻关、标准化制定及产业生态建设，以促进Q波技术的广泛应用。

关键信息

技术实现

• 无线物理层安全通道建立：包括信道探测、量化、信息协调和隐私放大四个阶段。
• 信道探测：采用TDD系统进行双向测量，获取信道状态信息（CSI），包括信道冲击响应（CIR）和信道频率响应（CFR）。
• 量化方法：分为基于绝对值和基于差分值两种方式，量化阶数影响密钥生成速率和一致性。
• 信息协调：通过前向纠错（FEC）机制或基于错误检测协议（EDPA）和纠错码（ECCA）的方法，消除密钥差异。
• 隐私放大：通过提取器或哈希函数方法，从公共信道中提取更短但更安全的密钥，实现信息论安全。

系统架构

• 量子密码安全服务中心：负责获取和管理量子密钥，与无线网关建立安全通道进行分发。
• 量子无线网关：具备无线物理层密钥生成、存储、加密传输等功能，是量子密钥分发的“桥梁”。
• 量子安全终端：负责接收、解密、存储量子密钥，是用户端的“终点站”。

传输流程

• 加密传输：通过Polar纠错编码和无线密钥对量子密钥进行加密，确保传输安全。
• 分发与验证：终端接收加密数据后，使用无线密钥和TPK进行解密和完整性校验，校验通过则完成分发。

验证测试

• 测试环境：在北京信息港和南京无线谷部署系统，通过量子保密通信骨干网和城域网实现互联互通。
• 测试结论：系统可实现10 kb/min以上的量子密钥分发速率，验证了技术的可行性。

推进建议

• 技术攻关：聚焦无线物理层密钥生成、性能优化、蜂窝网分发等关键技术。
• 标准化制定：推动企业标准和行业标准的制定，促进技术发展和产业落地。
• 生态赋能：联合产学研各方，开展技术验证与应用创新，推动量子密钥无线分发与ICT业务融合，提升量子安全能力覆盖范围。

技术优势

• 高安全性：基于无线信道的随机性、互易性等特性，实现信息论安全的密钥生成与传输。
• 灵活性与可扩展性：支持与4G/5G基站、WiFi热点等无线通信系统灵活结合，适用于多种场景。
• 降低运营成本：避免离线灌装的繁琐流程，提升用户体验，扩大量子通信的应用规模。

总结

本白皮书系统地阐述了量子密钥无线分发（Q波）技术的原理、系统架构、关键技术流程和测试验证结果，明确了其在实现高安全通信、提升量子通信网络覆盖、降低密钥管理成本等方面的优势。同时，提出多项产业推进建议，旨在推动Q波技术的标准化与生态化发展，为未来量子通信与信息通信技术的深度融合提供技术支撑与方向指引。