「光子加密通訊」在實務上通常指的是 量子加密通訊（Quantum Key Distribution, QKD），也就是利用 單光子 + 量子力學特性（不可複製、測量即擾動、量子糾纏） 來做 金鑰分配，而不是直接用光子傳送加密內容本身。
重點觀念先講清楚：👉 光子負責「安全發鑰匙」，不是負責「傳資料」
真正的資料仍然用傳統光纖 + AES 加密傳輸。
一、整體系統架構（實際工程組成）
一套可商用的光子加密通訊（QKD）系統，通常包含：
① 發送端（Alice）
功能：產生單光子並隨機編碼
硬體組成：
- 雷射器（弱脈衝雷射 / 單光子源）
- 偏振/相位調制器（編碼 0/1）
- 隨機數產生器（QRNG 真隨機）
- 光纖耦合器
作用：
- 把 bit（0/1）轉成光子量子態
- 偏振（↕ / ↔ / ↗ / ↘）
- 或相位（0°, 90°...）
② 量子通道（Quantum Channel）
功能：傳送單光子
形式：
- 光纖（最常見，城域網）
- 自由空間（衛星/地面站）
特點：
- 極低光強（平均 < 1 光子/脈衝）
- 不能被複製（no-cloning theorem）
③ 接收端（Bob）
功能：測量光子狀態
硬體組成：
- 偏振/相位分析器
- 單光子偵測器（SPD）
常見偵測器：
- APD 雪崩光電二極體（便宜，商用主流）
- SNSPD 超導奈米線（高靈敏度，實驗室/高端）
作用：
- 隨機選擇測量基底
- 得到 0 或 1
④ 經典通道（Classical Channel）
功能：公開討論
用途：
- 對齊基底（sifting）
- 錯誤更正
- 隱私放大
形式：
- 一般網路 / 光纖 / 網際網路
- 可被監聽，但不能被竄改（需認證）
⑤ 加密模組（真正加密資料）
最後會得到：
👉 一串「絕對安全金鑰」
然後使用：
- AES-256
- One-Time Pad（最高安全）
來加密真正資料。
二、實際通訊流程（以 BB84 為例）
Step 1 發射
Alice：
- 隨機 bit
- 隨機基底（+ 或 ×）
- 用光子編碼發送
Step 2 測量
Bob：
- 隨機選基底測量
若基底相同 → 正確
若不同 → 隨機結果
Step 3 公開討論
兩人透過普通網路：
- 只公布「用什麼基底」
- 丟掉不匹配的資料
留下：
👉 sifted key
Step 4 竊聽檢測
抽樣比對錯誤率：
若有 Eve 竊聽：
- 測量會擾動量子態
- 錯誤率上升（>11%）
→ 立即丟棄金鑰
Step 5 金鑰強化
- 錯誤修正
- 隱私放大
得到：
👉 最終安全金鑰
三、三種主流技術路線
1️⃣ 偏振式（BB84）
最簡單、最常商用
- 都會光纖網
- 50–150 km
例如：
- 中國量子保密專線
- 日本/歐洲銀行網路
2️⃣ 相位式（DPS / COW）
優點：
- 抗干擾強
- 長距離光纖較穩定
距離：
👉 300–500 km（中繼站）
目前電信商較愛用
3️⃣ 糾纏式（E91）
用：
- 糾纏光子對
優點：
- 理論安全性最高
- 適合衛星
例如：
- 中國「墨子號量子衛星」
距離：
👉 上千公里
四、實際商用案例（真實世界）
目前已經在用的場景：
金融業
- 銀行資料中心
- 金融專線
政府軍事
- 機密專網
- 國防
國家骨幹網路
- 中國京滬量子幹線 2000km
- 歐盟 EuroQCI
- 日本 QKD Tokyo network
五、限制與挑戰（很重要）
❌ 不是萬能
QKD 只能解決：
👉 金鑰交換
不能解決：
- 傳輸速度
- 加密演算法
- 端點駭客
❌ 距離限制
光子會衰減：
- 光纖 ~100km 就很弱
- 需要量子中繼器（尚未成熟）
❌ 成本高
目前設備：
- 一對 QKD 設備 ≈ 幾百萬～上千萬台幣
六、簡化一句話總結
光子加密通訊 =
👉「用單光子物理特性產生不可竊聽的金鑰」
👉「再用傳統 AES 加密資料」
不是直接用光子傳訊息。
