2026年9月16日——量子密码学利用物理定律来保护信息，而不是依赖计算机难以求解的数学问题。这可能为保护通信提供根本性的新方法，但将量子密码学付诸实践颇具挑战。真实的量子信号在传输过程中会损耗能量并受到噪声影响，而测量设备只能在有限精度下运行。

一种有前景的方法是，不将信息编码在单个量子粒子（如单光子）中，而是编码在能够连续变化的光属性（如振幅和相位）中。这些所谓的连续变量量子系统可以使用与已用于传输信息的光通信系统密切相关的技术来制备和测量。

与现有技术的这种联系使连续变量系统在实际应用中颇具吸引力。同时，它也引出一个重要问题：当考虑信号损耗、噪声和测量精度等现实限制时，量子密码学的潜力究竟能在多大程度上真正实现？

埃因霍温大学博士研究员 Arpan Ray 通过探索如何将连续变量量子系统用于既有和新型密码学应用，研究了这一问题。他于9月15日星期二在数学与计算机科学系进行了博士论文答辩。

超越安全密钥交换

量子密码学最广为人知的应用之一是量子密钥分发。它允许两方创建一个共享密钥，之后可用于加密消息。量子物理定律使得能够检测是否有人在密钥创建期间试图截获信息。

当双方相距很远时，会出现一个重大挑战。随着量子信号在光纤中传输，它们会变弱并受到噪声影响。结果，双方的测量结果变得不那么相似。在他们能够将测量结果用作共享密钥之前，需要纠正数据并就相同的信息达成一致。

Arpan Ray 开发了一种基于随机生成码本的方法，使这一纠正过程能够高效并行地进行。当信号非常微弱时，例如长距离传输时，这一点尤其有用。他的方法还考虑了一个重要的安全问题：如果某些测量数据因噪声过大而被丢弃，这一决定本身就可能向攻击者泄露信息。

因此，Ray 将这一效应纳入安全性分析，而不是将其视为单独的实现细节。

验证某人真正所在的位置

量子密码学还可以用于一个非常不同的目的：核验某人的位置。

想象某人声称自己位于某个特定地点。量子位置验证旨在利用量子物理定律以及信息传播速度不能超过光速这一事实来检验该声称。信息可以从不同地点发送，随后可以检查响应，以判断它们是否确实可能来自所声称的位置。

然而在实际中，信号在传输过程中会损耗能量并受到噪声影响。攻击者也可能相互协作，并且已经共享量子资源。Ray 研究了这些不完美因素如何影响连续变量位置验证协议的安全性。

他的结果表明了这些协议在哪些条件下能够保持安全，以及安全性如何取决于信号损耗、噪声和攻击者可用的量子资源等因素。这提供了一种方法，将这些协议的理论安全性与真实光学系统中可能出现的情况联系起来。

让量子加密更难被复制

研究的第三部分关注量子信息的另一个不同优势：未知量子态通常无法被完美复制。

Ray 研究了如何利用这一特性来创建不可克隆加密。在这种系统中，获授权的接收者可以解密消息，但攻击者无法将量子加密信息拆分成两部分，而这两部分都允许某人在之后解密该消息。

他提出了两种不同的方法。第一种使用特殊制备的量子态，并依赖于量子信息在不同参与方之间如何共享的基本限制。该分析还考虑了信号强度有限、损耗和噪声等现实效应。

第二种方法提供了更强的安全性。即使加密密钥被公开，将量子密文分开掌握的两名攻击者也不应都能够确定两个可能消息中究竟哪一个被加密。

为了实现这一点，他开发了一种生成受控量子随机性的方法，以模拟真正随机量子操作的行为，同时仍然考虑真实光学系统的局限性。