随着运算能力远超现代电脑的量子运算技术出现，现在看似安全的密码，将能在极短时间内被破解，资安出现新的隐忧，而量子技术的另一发展道路──量子通讯加密，则是实现密码安全的作法。

目前国际上，对于量子电脑、量子通讯都已研发相当多年，在上个月，Google更是发表了量子电脑的研究新成果，现在超级电脑要用一万年才能处理的运算，量子电脑却只要3分多钟就能完成，Amazon近日也联合硬件厂商推出量子运算云服务，跟上IBM、微软与Google的脚步，而市面上也已有量子加密通讯相关的产品问世。

为了让台湾可以跟上国际在量子技术的发展，去年开始，科技部将量子技术列为优先补助的项目之一，并协同教育部共同成立前瞻量子科技研究中心。最近，该研究中心的清华大学团队宣布，已经打造出量子加密通设备原型，在今年7月，已经成功测试25公里室内光纤量子加密通讯，今年9月，更是实现4公里的户外光纤量子加密通讯。这也意味着，台湾现在也能自主掌握此一领域的关键技术。

今年11月25日，前瞻量子科技研究中心的清华大学团队公布量子加密通讯技术的测试成果，在这套系统中，将激光衰减成一颗颗的光子，利用无法测量准确的量子特性，再利用差分移相量子密钥分发协议，产生并传递密码或金钥。（摄影／罗正汉）

以光的最小组成来传递密码，自主掌握关键技术更安全

为何这样的量子加密通讯技术，可以因应未来量子电脑带来的资安挑战？简单来说，这是利用“光子”，也就是光的最小组成粒子，来传递加密所需要的密码。

关于现在的加密问题，前瞻量子科技研究中心量子通讯组副教授褚志崧表示，现在的公开金钥加密法，是基于一个相当大的质数乘积，超级电脑都要花很多时间才能破解，但如果今日有比超级电脑更厉害的电脑出现，过去的安全就变得不够安全。而在密码学中，最安全加密的方法，是要能够随时交换密码或密钥，然而，以往没有好的方法产生安全的密码，而量子加密通讯是引入量子力学的特性，让通讯双方产生安全的密码，并且能做到随时更新更换。

对于光子不容易被破解的原因，褚志崧进一步解释，当东西在很小或能量很低的时候，会有“测不准”的特性。因此，这种方式等于是借助了物理特性，来达到真正安全的密码产生与传输。他认为，除非物理的原理被证明是错的，否则安全性应该是百分之百。而且，一旦发现有外界测量的情况，由于数据将会变得不同，因此系统将能察觉到窥探的迹象，这也是与现行加密技术的一大差异。

值得注意的是，目前这样的量子加密通讯技术，褚志崧表示，国外已经已经有银行业者应用的案例，直接用来做加密通讯，或增强加密通讯安全性。另外，我们也在市面上看到商业化解决方案，像是ID Quantique（IDQ）等业者推出相关产品，因此，我们也进一步询问，台湾自主发展量子通讯加密关键技术的重要意义。

褚志崧说明，在这次的成果中，研究中心的团队是使用自己开发的单光子光源，配合2002年国外提出的差分移相量子密钥分发协议（Differential Phase Shift Quantum Key Distribution），让金钥位元的产生效率可以达到100％，这是其他这类系统的最大不同之处。此外，如果是向国外购买整套这样的系统，这会造成很多模组会在“黑盒子”内，买的人将很难确定里面有什么，或是多安装了什么，因此，他认为这是自主开发的一个好处。未来，他表示，像是国家中山科学研究院与工业技术研究院，也将设法可以生产这样的技术，例如，如何探测单光子，以及如何去产生单光子。

在这套系统的发送端，不仅会产生一颗颗的光子，同时也会利用电光的调控器，以产生相位差，也就是以随机0度或180度的方式，产生出密码需要的0跟1位元。（摄影／罗正汉）

在这套系统的接收端，会有相应的解码器，会让光子出现在亮纹或暗纹的出口，以解读光子身上标记的0跟1位元。（摄影／罗正汉）

剖析量子加密通讯技术，透过量子特性与相位差

这次清大团队打造的量子加密系统原型，其主要作用就是产生密码，并以几乎绝对保密的方式传送，褚志崧也具体说明其运作原理。简单而言，这套系统有两部分，分别是位元的发送端与接收端。首先，在发送端上，他们利用激光与衰减器，让光纤传送出来的是一颗颗的光子，利用这样的量子特性，使外界无法准确测量光子的状态。

接下来，他们会利用这一颗颗光子，加上随机的0或1符号，而这些0与1组成的符号，最终将形成一串密码，透过现有的光纤网络传送。

在此过程中，要如何把0跟1标记在光子身上？褚志崧说明，全球主要有两大种方法，他们采用的是相位，让透过光纤传送的光子身上带有0或180度的相位，而另一种是光子偏振方向，不过这种方法是适合在大气中传递光子。因此，他们利用了电光的调控器，以产生相位差，也就是以随机选择0度或180度的方式，形成密码需要的0跟1。而对于光子传递会有损耗的问题，他们则是利用量子中继器去克服。至于透过光纤网络传送到的接收端方面，他们则利用相应的量子密钥位元解码器，将光子身上的0跟1准确解读。

更关键的是，为了避免可能存在的窃听行为，他们在每个光子身上会带两个位元，透过干涉仪与分光镜，将一颗光子拆开形成如同两个分身，并让其中一个分身的传递慢一点，产生相互干涉，而最终在接收端，能读取出的只会是其中一个位元，之后再将测量到光子出现的时间告诉发送端，让发送端能够推测出接收端的解读。如此一来，透过两个位元将可扰乱并发现窃听者的存在，而窃听者若只知道时间讯息，也不足以破解。

对于如何能够知道有窃听者存在，褚志崧也提出说明。他说，这样的技术不只是让窃听者测不准，当对方制造假的光子放回去时，这个光子身上带的状态也会与当初准备的状况不同，因此，接受端与发收端就能相互比对传递与接收的密码或密码，然后透过错误率的分析来判断异常──若是错误率比以往来得高，就表示有人在旁边偷偷的测量，因此，一旦发现这种情况，就可以中断密码传递。

此外，褚志崧表示，这次他们的成果，与全球其他相关技术较大的不同之处，在于采用高效能单光子源，在同样时间内将可传递更多光子，因此传输的资料量就可以越大。

图片来源／清华大学

培养国内量子人才与关键技术，三年内将扩大量子网络规模

无论如何，过去各国在超级电脑就有军备竞赛，现在，量子技术将成新的焦点。科技部政务次长谢达斌指出，在成立前瞻量子科技研究中心后，一方面是希望台湾在量子技术发展上，能够掌握一些核心的技术，更重要的是，要培育量子技术方面的前瞻科技人才，期望对国家未来的科技发展，能向下扎根。

事实上，关于对于量子加密通讯的发展，在20年前美国就已经成功实现，不过当时是在无干扰的实验室中完成，且通讯距离只有30公分；在2016年，中国也发射了量子卫星“墨子号”，通讯距离到可长达1,200公里，但光子在大气传播很容易发散，导致通讯效率变低；在2018年11月，奥地利也在实验室内，成功完成400多公里光纤的量子加密通讯测试。至于台湾，虽然从2018年3月开始起步，不过在短短一年半的时间内，已取得户外测试成功的成果。

以这次国内这次的实测环境而言，清大团队是运用户外的光纤网络，透过清华大学到交通大学之间的一条校园光纤网络，由于户外场所将有各种干扰存在，所以，这次测试成功更显得相当不易。例如，为了减少温度变化和地面震动对量子加密的干扰，他们将每个光子均匀散布在数个脉冲波，再让光子进入校园光纤网络传递密码，最后并以产生的金钥，经过一次性密码本（one-time-pad）完成最终加密通讯。

在近日科技部暨国立清华大学举办的“量子加密通讯成果发表会”中，前瞻量子科技研究中心清华大学物理学系副教授褚志崧，彻底解说了他们系统的设计与原理。
另外值得一提的是，对于市面上量子金钥分发的产品，相关技术名词的解释，褚志崧也提出说明，如果是以光子传递位元、产生金钥，是Quantum Key Distribution或量子金钥分发/交换。他认为，这时使用分发或交换比传输恰当，因为并不是每一个传递的位元都会被成功测出来，金钥要等两方以传统方式沟通后才会形成。而在他们的实验里，因为最后又以产生的金钥进行一次性密码本加密通讯，所以他们使用“量子加密通讯”。（摄影／罗正汉）

全球量子加密通讯发展近况

图片来源／清华大学

在11月26日于科技部举行的“量子加密通讯网络”研究成果发表会上，国立清华大学物理系副教授褚志崧详细解说了这项技术，同时也现场展示其系统原型。（左起：国立清华大学研发长曾繁根、国立清华大学物理系副教授褚志崧、科技部次长谢达斌、国立清华大学物理系教授牟中瑜）此外，这次成果的其他清大团队成员高永成、吴至翔、黄圣轩与张进宣，其中三位也出席这次会议。（摄影／罗正汉）

在今年9月，前瞻量子科技研究中心清华大学团队，已经运用清华大学与交通大学的校园光纤网络，成功实测户外光纤量子加密通讯。他们在预计未来三年之内，工业技术研究院也将部署相关设备，形成三地、10公里长的环状量子网络。（图片来源／清华大学）