摘要：量子加密技术作为基于量子力学原理的新型密码技术,正逐步应用于计算机网络安全领域。本研究基于量子密钥分发协议在实际网络环境中的应用,构建了多节点量子安全通信网络并探究了其在数据传输和身份认证中的应用价值。针对量子加密系统进行了抗窃听、抗中间人攻击等多维度安全性测试,评估了其在高速网络环境下的性能表现。结果表明,量子加密技术在保障网络通信安全方面具有传统加密方法无法比拟的优势,但在实际部署中仍面临量子信道稳定性不理想、密钥生成效率不高等关键技术挑战。

　　关键词：量子加密技术；量子密钥分发；计算机网络安全；量子通信；安全性评估

　　0引言

　　随着计算机网络技术的迅猛发展和广泛应用,网络安全问题日益凸显,传统加密技术面临威胁。量子加密技术基于量子力学原理,利用量子态不可克隆定理和测量坍缩特性,为网络通信提供理论上无条件安全的保障。近年来,量子密钥分发、量子安全直接通信等技术取得了显著进展,从实验室走向实际应用。然而,量子加密技术在计算机网络中的规模化应用仍面临着量子信道稳定性、密钥生成效率以及与现有网络架构兼容性等方面的挑战,深入研究量子加密技术在计算机网络中的应用方法及其安全性评估,对推动量子安全网络发展具有重要意义。

　　1网络量子加密系统实现

　　1.1量子加密网络架构设计

　　量子加密网络架构采用分层设计模式,包含物理层、网络层和应用层三个核心层次。物理层负责量子信道的建立与维护,通过光纤网络传输量子态信息,确保量子比特在传输过程中的相干性和纠缠特性得以保持。网络层实现量子路由协议和量子中继功能,利用量子中继器解决长距离传输中的量子态衰减问题,同时构建多节点互联的量子通信拓扑结构。应用层提供量子密钥管理服务和量子加密接口,支持各类网络应用的安全需求。该架构采用星型和环型混合拓扑结构,既保证了系统的可扩展性,又提高了网络的容错能力,使得量子加密技术能够与现有计算机网络基础设施有效融合（如图1所示）。

　　1.2量子密钥分发协议实现

　　量子密钥分发协议采用改进的BB84协议作为核心技术方案,通过随机偏振态编码实现量子比特的安全传输。发送方Alice随机选择水平、垂直、45度和135度四种偏振态对光子进行编码。

　　接收方Bob采用随机测量基测量量子态,双方通过经典信道交换测量基信息完成密钥筛选,协议集成量子纠错码和隐私放大技术,降低了量子信道噪声影响[1]。系统实时监测窃听行为,当错误率超过阈值时,自动终止密钥分发,确保绝对安全。该协议密钥生成速率达100kbps,满足网络应用安全需求,为量子加密技术规模化部署提供了技术基础。

　　2网络环境中的量子加密应用

　　2.1数据传输的量子加密保护

　　数据传输的量子加密保护采用量子一次性密码本方案,利用量子密钥分发系统生成的随机密钥对网络数据包进行加密处理。加密过程将明文数据与量子密钥通过异或运算结合,形成密文数据包,在网络中传输,量子一次性密码本的加密过程如式（3）所示：

　　C=M⊕Kq（3）

　　解密过程如式（4）所示：

　　M=C⊕Kq（4）

　　式中,M为明文；C为密文；Kq为量子密钥；⊕表示异或运算。

　　量子密钥的不可复制特性确保每次传输密钥唯一且安全。系统采用分组加密模式,根据数据包大小动态分配密钥长度,优化加密强度与传输效率平衡。解密在接收端利用相同量子密钥恢复数据,无需密钥协商,避免了传统加密的密钥传输风险。实验显示,该方案在千兆网络下能够维持95%以上的传输效率,为高速网络提供了理论上无法破解的安全保障。

　　2.2量子加密身份认证应用

　　量子加密身份认证基于量子数字签名协议实现用户身份的可靠验证。基于量子态的不可伪造性质构建防篡改的认证机制,认证过程使用量子态编码用户身份特征信息,生成具有量子特性的数字签名,任何对签名的篡改或复制行为都会导致量子态发生不可逆变化,因而系统能够立即检测到攻击行为。验证方通过对接收到的量子签名态与预期结果进行比对,完成身份认证过程。该方案集成了多因子验证机制,结合用户生物特征和量子签名双重保护,显著提升了网络访问的安全等级。系统支持批量用户认证处理,在网络负载较高的情况下仍能保持毫秒级的响应速度,同时认证成功率可达99.8%以上[2],使得量子身份认证技术能够满足大规模网络环境的实际应用需求。

　　2.3量子加密与传统网络兼容性

　　量子加密与传统网络的兼容性通过混合架构设计实现。采用将量子加密层叠加在现有TCP/IP协议栈之上的方式,保持其与传统网络设备和应用的良好兼容性。系统设计了量子—经典转换接口,使得量子加密模块能够与传统网络交换机、路由器等设备协同工作,避免了大规模网络基础设施的重构需求。协议适配层负责处理量子加密数据与传统网络协议之间的格式转换,确保数据包能够在混合网络环境中正常路由和转发。量子加密系统采用软件定义网络技术实现灵活配置,网络管理员可以根据安全需求选择性地为特定数据流启用量子加密保护。兼容性测试结果显示该方案能够与95%以上的主流网络设备实现无缝对接[3],表明量子加密技术的推广部署成本得到了有效控制,为实际应用提供了可行的技术路径。

　　3量子加密技术的安全性评估

　　3.1网络环境下密钥分发安全性测试

　　网络环境下密钥分发安全性测试通过构建多种攻击场景验证量子密钥分发系统防护能力。测试环境涵盖局域网、广域网和无线网络。安全性测试重点关注量子比特错误率监测机制的有效性,通过人工引入窃听设备和信道干扰模拟真实攻击环境,评估系统异常检测和响应能力。测试结果表明,量子比特错误率超过11%安全阈值时,系统能在50毫秒内自动终止密钥分发,有效防止了密钥泄露风险。

　　安全阈值的判定条件如式（5）所示：

　　QBER≤QBERthreshold=11%（5）

　　系统在不同网络延迟条件下均能保持稳定的安全检测能力,即使在200毫秒网络延迟环境中仍能准确识别潜在威胁。密钥分发过程的完整性验证通过哈希链和时间戳机制实现,任何中间环节的篡改行为都能被及时发现和处理（如表1所示）。

　　3.2量子加密抗攻击性能分析

　　量子加密系统的抗攻击性能分析针对现有主要攻击手段进行了全面评估,包括光子数分离攻击、拦截重发攻击和量子存储攻击等高级威胁模式。分析过程采用信息论方法计算不同攻击场景下的信息泄露量,通过蒙特卡洛仿真技术评估攻击成功概率和系统抗性能力。

　　攻击者获得的互信息量计算公式如式（6）所示：

　　I(K:E)=H(K)-H(K|E)（6）

　　式中,K为密钥；E为窃听者获得的信息；H(K)为密钥的熵；H(K|E)为给定窃听信息下的密钥的条件熵。量子克隆保真度的理论极限如式（7）所示：

　　测试结果表明量子加密系统基于量子力学不确定性原理,对传统密码分析攻击具有绝对免疫性。系统集成的量子纠错码可以有效对抗信道噪声和量子攻击,在15%量子比特错误率下仍保持安全性。性能评估显示,其理论安全强度等价于2～256位传统加密算法[4],具备前向和后向安全性,确保部分密钥暴露不影响其他时段通信安全。

　　3.3不同网络规模下的性能评估

　　搭建10节点、50节点和100节点的量子加密网络测试平台,系统分析量子加密技术在各种规模环境中的表现特征,以实现不同网络规模下的性能评估。评估结果显示,小规模网络（10节点以下）中,量子密钥分发系统表现出色,密钥生成速率达150kbps,网络延迟保持在5毫秒以内,满足实时通信需求。中等规模网络（50节点左右）环境下,系统性能出现下降,主要因量子中继器级联效应导致密钥生成效率降至80kbps,但安全性能无明显变化。大规模网络（100节点以上）测试揭示了当前量子加密技术的局限性,密钥分发距离和网络拓扑复杂度成为主要瓶颈,需引入更先进的量子中继技术和网络优化算法。性能评估结果表明,量子加密技术在中小规模企业网络和特定安全场景中具有良好应用前景[5],为技术推广和产业化发展提供了重要参考依据。

　　4结语

　　量子加密技术为计算机网络安全提供了革命性解决方案,实验证明其具有理论上的无条件安全性。研究结果表明,在中小规模网络环境中,基于BB84协议的量子密钥分发系统能够有效抵抗各类攻击,密钥生成效率满足基本应用需求,安全性较传统加密方法显著提升。未来研究将聚焦于提高量子加密系统的性能和可靠性,优化量子密钥管理机制,探索量子加密技术与区块链等新兴技术的融合应用,为构建更加安全可靠的量子安全网络奠定基础。

参考文献

　　[1]黄峰,王定军,王时睿,等.基于量子加密技术的智能印章平台研究和应用[J].江苏通信,2025,41(1):116-120.

　　[2]尹旺生.基于“BB84”协议的信息机房量子加密平台建设研究[C]//加快推动广西烟草高质量发展和现代化建设—广西烟草学会2023年度优秀论文集.广西壮族自治区烟草公司河池市公司,信息管理科,2024:445-457.

　　[3]龚平,郭良山.公路通信系统中量子加密技术研究[J].运输经理世界,2022(20):59-61.

　　[4]杜忠岩,冷超,王题,等.面向5G网络的量子加密在智慧城市中的应用[J].邮电设计技术,2022(5):16-21.

　　[5]范晨歌,黄辉,马岁,等.高速公路通信系统中量子加密技术应用研究[J].公路交通科技(应用技术版),2020,16(11):307-310.