資訊安全需求提高，新世代網路通訊關鍵：量子通訊

2022年諾貝爾物理學獎由美國學者John Clauser、法國學者Alain Aspect、奧地利學者Anton Zeilinger三位共同獲得，他們透過糾纏光子實驗，確立違反貝爾不等式的證據和開創性的量子資訊科學，其研究結果開啟量子資訊科學的發展與後續研究和應用，包括在量子通訊、量子密碼學、量子計算與量子感測等領域上。

而近年來量子電腦（Quantum Computers）技術的突破，則讓具備高效率及絕對安全性的量子通訊開始受到重視。

電腦運算越來越強，傳統加密方式備感威脅

「我們現在的加密通訊，其實是有條件性的安全。」清華大學物理系教授褚志崧提到，目前的加密通訊的安全，主要建立在電腦運算能力還不夠快的前提下；但隨著量子電腦技術的突破，其所具備的高速運算能力，將對傳統密碼學中定義的「安全性」產生威脅。

褚志崧解釋，將訊息加密的方式就像是為家中的門打造一個鎖，只有擁有鎖匙的人才能夠打開，因此，加密通訊主要是利用特殊的私密金鑰（Private Key）來鎖定消息，通訊者透過相應的私鑰來解鎖並閱讀資訊。但是，密鑰要如何才能安全發送而不被有心人士取得呢？目前主要的加密技術建基於質因數分解的計算題，當數字越大，需要破解的時間就越長，甚至需要強大的電腦運算能力才能計算。因此，一旦電腦的運算能力提升，要破解加密訊息的時間與成本就會降低。為了尋找更安全的加密方式，運用量子特性而發展出的量子加密通訊也逐漸開始發展。

褚志崧認為，對於需要傳遞機密資料的產業，如銀行金融系統或軍事機構，都是量子加密通訊十分適合應用的場域。

因為狀態改變而發現有人正在嘗試偷走機密

「一個未知的量子狀態是不可能被複製的。」褚志崧解釋，由於量子具有不可複製的特性，任何觀察或測量都會改變其原本的狀態，如果想要偷窺或是竊取資訊是不可能的。密鑰是零或一的組合，當資訊傳輸時，一次只會發送一個光子給接收者，這個光子可以同時存在於許多狀態，如果有人從中嘗試竊取並複製光子時，接收者也會發現收到的狀態和原本的不一樣，並察覺到通道不安全。雙方可以比較性質以確認當中的光子是否有被攔截，這種安全發送加密密鑰的技術稱為量子密鑰分發（Quantum Key Distribution）。

褚志崧的實驗室團隊累積許多量子通訊技術的開發經驗，著重於單光子和糾纏光子的產生，以及它們和物質交互作用的操控研究。單光子是一個光能量的波包，擁有無法被複製的量子性質；而糾纏光子則是一對具有愛因斯坦稱為「如幽靈般的遠距離作用力」的光子。於它們特殊的量子性質，單光子和糾纏光子為實現量子計算、量子通訊、或量子傳輸的重要元件，也是了解量子力學的關鍵。

團隊以單光子和糾纏光子的波包塑形發展出獨特的單光子和糾纏光子純化技術，利用單光子純化技篩選出非單光子的事件，確保只使用單光子建立密碼；並開發純化糾纏光子的技術，可以恢復糾纏品質較差的光子，即使光源不完美的情況下，也能確保量子通訊的安全性與效率。

2019年9月，團隊利用自製的高強度單光子源，透過清大與交大之間的光纖網路，完成臺灣首次的量子密鑰分發實驗。褚志崧說，下一階段的目標是能跨出校園，除了建立市區內的量子通訊網路，也希望能整合進實際場域中，如銀行的內部網路。要達成目標的最大挑戰來自，如何降低地面建築、車輛對於量子效益與品質的干擾；又或者是如何在吵雜的環境中，維持光子的狀態並穩定傳送。另一方面，還要克服加密通訊會影響傳送的速度。

另一方面，也期待能藉由與電信業者合作，結合量子通訊與傳統的技術，在影響最小的狀況下與現實的通訊系統整合。因此，必須克服加密通訊在傳送速度上的影響。

台灣為何需要發展量子通訊？

目前，量子通訊的量子密鑰分發（QKD）在量子科技相關技術的發展中相對成熟並逐漸被應用於生活中。褚志崧坦言，技術上，通訊系統相較於量子電腦製造的困難度來得低，即使在量子通訊方面，國外已經開發出的商用系統，但台灣仍需要跟上的原因在於「安全性」，尤其是牽涉到資訊或通訊安全議題的時候。褚志崧指出，這些裝置的製造過程是關鍵，因為跟別人買，你並不知道製造過程中，裝置被放入了哪些東西。

由於通訊系統牽涉到電機、通訊、工程等專業，更需要跨領域的合作，他也期待能有更多不同專業的人才一起加入。即使台灣在量子技術的發展起步較晚，但他認為，目前量子領域雖有部分研究成果與發表，但仍在開始階段，尚未看到贏家出現，仍有需多機會值得關注與投入。

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