壹  前言

量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD）是利用量子力學原理實現安全通信的一種技術。其發展始於1984年，Charles Bennett和Gilles Brassard提出了著名的BB84協議，利用光子的偏振態來編碼訊息。基於量子態不可複製的原理和測量對量子態的干擾性，任何試圖竊聽QKD的行為都會被發現。隨著量子運算的迅速發展，傳統加密方法面臨挑戰，QKD提供了一種理論上無法破解的安全通訊方式，顯示了其在保護機敏通訊的重要性。

貳  科技發展現況

一、 量子密鑰分發簡介

量子力學中的兩個核心原理：不可複製原理與測不準原理，這兩項原理共同構成了量子密鑰分發的理論基礎。不可複製原理（No-cloning theorem）[1] 指出，任意未知的量子態無法被完全複製。這是由於量子態的線性演化與內積保持性所導致。這項原理是量子密鑰分發安全性的基礎。測不準原理（Uncertainty Principle）[2]、又稱海森堡不確定性原理，指出位置與動量的物理量無法同時被精確測量，其數學形式為Δx⋅Δp≥ℏ/2，表示若位置的不確定性降低，動量的不確定性必然增加。

量子密鑰分發（QKD）[3]利用量子力學原理實現安全通訊的技術。如圖1，以BB84協議為例，發送者（Alice）使用光子的偏振態來編碼密碼位元，接收者（Bob）隨機選擇基底進行測量。由於量子態在未測量前處於疊加狀態，任何竊聽者（Eve）的干預都會擾動系統，導致錯誤率上升，從而被偵測。這種基於物理定律的安全性，使QKD成為未來抗量子電腦攻擊的關鍵技術。

二、量子密鑰分發的硬體與軟體

量子密鑰分發（QKD）硬體的核心在於光源與光接收器的設計，這些硬體直接影響系統的安全性與傳輸效率。

QKD光源主要負責產生可攜帶量子資訊的光子，常見的方式包括使用連續波（CW）雷射搭配調變器來產生同調態，如圖2 [4]，或利用單光子源來產生偏振或相位編碼的單光子，如圖3 [5]。為了實現高速與穩定性，QKD系統多數使用可調變的同調光源，並透過任意波形產生器（AWG）與數位訊號處理（DSP）技術來控制光子的調變與發射 [6]。接收端的光接收器則需具備高靈敏度與低雜訊的特性，以準確測量光子的量子態。在離散變數QKD（DV-QKD）中，常用的元件包括雪崩式光電二極體（APD）或超導奈米單光子探測器（SNSPD），這些元件可實現高偵測效率與低暗電流。而在連續變數QKD（CV-QKD）中，則使用同調偵測技術，並結合轉阻放大器（TIA），實現量子訊號接收。

量子通訊協議，常見的項目包含BB84、COW、DPS等。

BB84 協定：由 Bennett 和 Brassard 於 1984 年提出，是最早的 QKD 協定。它利用光子的偏振態來編碼，並透過隨機選擇基底進行測量。若通訊雙方選擇的基底一致，則可保留該位元作為密鑰的一部分。進一步，Decoy State 協定是為了防止光子分裂攻擊（PNS attack），此協定在 BB84 基礎上引入強度不同的「誘餌態」，使竊聽者無法分辨真實密鑰與誘餌訊號，提升安全性。[7]

COW（Coherent One-Way）協定：使用連續的光脈衝，其中一部分脈衝攜帶資訊、一部分作為監控用途。其優點是實作簡單、穩定性高，適合長距離傳輸。[8]

DPS（Differential Phase Shift）協定：透過相鄰脈衝間的相位差來編碼資訊，接收端以干涉儀測量相位差。此協定對時間同步要求較低，適合高速傳輸。[9]

QKD 雖能安全產生密鑰，但仍需配合密鑰管理系統（Key Management System, KMS）來實現密鑰的儲存、分發、更新與撤銷。國際標準組織如 ETSI、ITU 也正推動 QKD 與密鑰管理的標準制定[10-11]。QKD 系統通常整合以下管理技術：

密鑰同步與驗證：確保雙方產生的密鑰一致，並透過雜湊函數與訊息認證碼驗證通訊完整性。

密鑰池管理：集中管理多條 QKD 連線產生的密鑰，根據應用需求分配密鑰資源。

與現有加密系統（如 IPsec、TLS 等協定）整合，並且透過 API即時提供量子密鑰。

三、 量子密鑰分發與光傳輸設備的整合

量子密鑰分發（QKD）可與現有光傳輸設備整合，實現量子安全的光網路。如圖4，整合架構可採用「共用光纖傳輸」方式，將QKD量子通道與傳統數據通道共用同一光纖，並透過波長分波多工（WDM）技術分離。透過SDN（Software Defined Networking）架構可實現QKD設備的可程式化管理。整體運作上，QKD系統與光傳輸網管系統（Network Management System）整合，支援密鑰狀態監控、錯誤率分析與密鑰更新策略。國際標準方面，ITU-T QKD標準（如Y.3800系列）定義了QKD網路架構與介面；ETSI ISG-QKD則針對QKD模組互通性與安全性提供技術規範，為QKD與光網整合提供標準依據。

四、 量子通訊應用方案

量子密鑰分發（QKD）適合應用於資料中心之間的高敏感性資料傳輸。隨著雲端運算與大數據的普及，資料中心之間的通訊頻寬與安全需求日益提升，傳統加密機制（如RSA）面臨量子電腦潛在威脅，QKD 提供了一種前瞻性的解決方案。

在實際應用中，QKD 可部署於資料中心之間的光纖網路，透過量子通道傳送量子位元（qubits），並結合一般光通訊通道進行密鑰協商與錯誤修正。由於量子態無法被複製且觀測會改變其狀態，任何竊聽行為都會被即時偵測，可確保密鑰的安全。密鑰建立完成之後，即可用於對稱式加密演算法（如AES）進行資料加密，實現端對端的高安全性傳輸。

與傳統加密相比，QKD 的最大優勢在於其安全性建立在物理定律之上，能抵禦未來量子電腦的破解威脅。隨著技術成熟與標準化進展，其在高安全需求的場域（如金融、資料中心）的應用潛力極為可觀。目前，全球已有多個國家積極投入 QKD 技術的研發與部署。例如，歐盟則推動「Quantum Flagship」計畫，發展跨國量子網路；美國、日本與新加坡等地也展開資料中心與金融機構間的 QKD 測試與商轉應用；中國建成了全球最長的量子通信幹線「京滬幹線」，並成功進行衛星量子通信實驗。

一個具代表性的應用案例是 Wells Fargo 與 Toshiba 於2024年的合作實驗 [12]，分為兩個階段驗證 QKD 在兩個資料中心之間的密鑰交換與密鑰提供給應用層進行加密傳輸，如圖5、圖6。Wells Fargo 作為一家大型金融機構，對資料傳輸的保密性與完整性有極高要求，該專案的目標是驗證 QKD 技術在實際企業網路中的可行性。

整體架構中，QKD 系統負責產生與交換對稱密鑰，而資料傳輸仍使用現有的高速光纖通道，實現「量子安全的密鑰交換 + 高效能資料傳輸」的混合架構。此案例顯示 QKD 不僅是理論上的安全技術，也能實際應用於資料中心之間的高安全性通訊。對於金融、政府與雲端服務供應商而言，這種架構提供了一種可抵禦量子電腦威脅的解決方案。

五、 量子通訊挑戰

量子密鑰分發（QKD）作為量子通訊的核心技術，雖具備無條件安全性的理論優勢，但在實際應用與推廣上仍面臨多重挑戰。

首先，在技術發展層面，QKD 系統對硬體設備的穩定性與精密度要求極高。無論是光子源的單光子產生效率[13]，還是光接收器的暗計數率與時間解析度[14]，皆直接影響密鑰產生率與安全性。此外，現有的 QKD 多數依賴光纖傳輸，傳輸距離受限於光纖損耗[15]與中繼技術的成熟度[16]。

其次，在應用情境方面，QKD 與現有的網路架構仍然深具挑戰。由於其密鑰分發需建立點對點的量子通道，無法像傳統加密技術般透過中心化伺服器或雲端架構靈活部署。此外，QKD 的即時性與密鑰更新頻率也需與應用層協議協調，否則將影響整體通訊效率。

最後，成本問題亦是 QKD 落地發展的一項重要議題。目前 QKD 設備價格高昂，包含單光子源、單光子偵測器與光學模組等皆屬高精密儀器，建置與維運成本高於傳統加密系統，對一般商業應用而言可能會造成不小的成本負擔。

參  結論

量子密鑰分發（QKD）是量子通訊的核心技術，利用量子力學原理實現無條件安全的密鑰交換。隨著硬體和軟體技術的進步，QKD已逐步從實驗室走向落地發展。然而，實際應用仍面臨傳輸距離限制、設備穩定性與成本等挑戰。應用層面涵蓋金融、資料中心等高安全需求場景，並逐步擴展至量子網路建構。

中華電信研究院積極投入量子資安的研發工作，量子密鑰分發是研發重點之一。本院與國科會「量子加密通訊網路計畫」中的重點學校合作，並積極參與量子國家隊的相關研發工作，共同推動台灣跨縣市量子通訊網路驗證與發展，並且採用「共用光纖傳輸」創新方式來降低建設成本，加速QKD技術落地應用，為客戶和社會大眾帶來更安全的通訊服務。

肆  參考文獻