量子通信的安全神话被打破？多伦多大学发现量子源中的隐藏漏洞

来源：科学剃刀

2025年4月2日，《物理评论快报》刊登论文——多伦多大学团队首次在量子源中发现隐藏的多维侧信道。这项研究撕开了量子安全防护网的一角：号称绝对安全的量子通信系统，竟因光源设备的时间波动泄露了密钥。

图释：多伦多大学工程学博士生 Amita Gnanapandithan 使用实际实验和计算机建模来证明在量子通信中产生光子的设备中存在“隐藏的”侧信道。图片来源：多伦多大学工程学 / Tyler Irving

量子通信的信任基础源于量子力学两大定律：海森堡不确定性原理与量子不可克隆定理。简单说，窃听者无法同时测量共轭变量（比如光子的偏振方向与相位），任何偷窥行为都会留下物理痕迹。但这项研究揭示了一个残酷现实：设备缺陷正在消解理论层面的完美防护。

从探测器到光源的漏洞攻防战

十年前，科学家发现量子探测器的侧信道可能被利用。2012年测量设备无关协议（MDI-QKD）的诞生，让探测器彻底退出安全信任链。但这次矛头转向了通信链的另一端——量子源。研究团队用理论模型与实体设备双重验证：当光源调制存在时间维度上的波动时，偏振信息会通过其他自由度（如频率、模式）泄露。

举个通俗例子：本应只通过门锁传递的密钥，现在门框缝隙也在漏风。这种“隐藏多维调制”效应，源于调制器带宽不足导致的信号失真。带宽越低的设备，信息泄露越严重。

维度假设崩塌的背后

量子通信有个默认前提——编码自由度（如偏振）与其他物理维度完全独立。这个被称为“维度假设”的根基，在实际设备中频频崩塌。早期发现模式效应（相邻信号相关性）已令人头疼，新研究更揭示单脉冲内部的时间波动同样致命。

研究团队负责人Lo教授坦言：“就像剥洋葱，每解决一层问题都会发现新问题。”这种认知颠覆与2019年上海交大团队攻破QKD系统的案例如出一辙——当时黑客通过激光腔注入特定频率光子，成功率高达60%。

破局之路在何方？

论文给出两条线索：使用高带宽设备减少调制失真，或采用无需调制器的被动式量子源1。后者思路与2025年中国电信公布的无源量子密钥分发专利不谋而合，后者通过创新密钥生成机制规避调制环节。

更值得关注的是美国橡树岭实验室同期突破——他们在商用光纤实现30小时量子信号稳定传输，其偏振自动补偿技术或许能抑制时间波动效应10。而国家电网最新获得的QKD专利，则展示了行业巨头整合量子安全与基础设施的雄心。

量子通信从实验室走向现实的过程，恰似安全攻防的无限博弈。论文作者Gnanapandithan：“发现漏洞不是终点，而是构建更强防御的起点。”当北美团队在既有光缆中实现量子隐形传态，中国机构持续刷新密钥分发技术，这场关乎未来信息主权的竞赛，关系到未来，谁能够掌握量子时代的主导权。

参考文献：

Amita Gnanapandithan et al, Hidden Multidimensional Modulation Side Channels in Quantum Protocols, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.130802 . On arXiv . DOI: 10.48550/arxiv.2404.14216

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