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築起“銅墻鐵壁” 量子密碼實用化未來可期
2019-11-22 07:42:07 來源: 科技日報
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  今年10月,美國谷歌公司宣布已經“實現量子霸權”,研制出相當于最先進超級計算機1.5億倍速度的量子計算機,被認為是“通向偉大夢想的跳板”。盡管谷歌的這一説法被其“宿敵”IBM公司駁斥,但量子計算機領域正大踏步前進是不容辯駁的事實。

  人們希望量子計算最終能給材料科學、物理學和化學等領域帶來革命性變化,此外,另一個被寄予厚望的領域是,在理論上被認為無法盜取的量子密碼。《日本經濟新聞》在近日的報道中指出,在世界范圍內,量子密碼出現了越來越多實用化的可能,而且其與軍事和安全保障領域關係密切。

  上海交通大學金賢敏教授滿懷期待地對科技日報記者説:“量子密碼具有信息論可證的安全性,量子攻防與更具現實安全性方案的不斷迭代,使量子密碼技術日臻完善,使人類追尋了幾千年的絕對安全通信幾近最終實現。量子密碼在金融、軍事和公共信息安全等方面展現出極大的應用前景。未來,量子密碼係統的芯片化、集成化將進一步推升信道容量並降低成本,實用化和産業化前景可期。”

  築起堅不可摧的“銅墻鐵壁”

  量子密碼究竟是“何方神聖”,讓很多人競相追求呢?

  金賢敏説:“傳統密碼係統利用兩個極大質數相乘産生的積來加密,反向尋找質數會花費很多時間,也會耗費計算機大量處理能力,其安全性正是建立在對這種單向問題的求解上。”

  盡管這些密碼足夠強大,足以守護現代社會的很多秘密,如銀行賬戶密碼、秘密數據庫的密碼等,但它們也很脆弱。一個有決心的人,只要擁有一臺足夠強大的計算機,就能破解它。或者未來足夠強大的計算機,可以破解過去較低難度的密碼,導致秘密信息的泄漏。

  而量子密碼利用了量子力學物理性質,從原理上來説是無法破解的。

  金賢敏解釋説:“信息的發送者用單個光子攜帶用于加密和解密的密鑰信息。如果有第三方試圖盜取,必然‘雁過留痕’。收發雙方通過確認單光子的狀態,就能判斷信息是否被監聽。”

  “量子密碼在原理上是不可破解的,因為使用者可以很快覺察到第三方的出現:任何竊聽者不改變它、甚至不摧毀它是無法看到這些光子的。”金賢敏強調説。

  如此一來,這樣一個安全的係統可用來傳輸包含機密信息的加密語音通話、傳真和電子郵件等,有望在金融、軍事和安全保障等領域“大顯身手”。

  政府産業界爭相涌入

  世界很多國家都在以國家力量積極投入這方面研究。

  《日本經濟新聞》在11月13日的報道中指出,其中最引人注目的是中國。到2020年,投資額據説高達1萬億日元(約合647億元人民幣)的國家級實驗設施將在安徽建成,將大力促進中國在量子計算機和量子密碼領域的發展。此外,2017年,中國在北京和上海之間建成了全球最大規模的量子密碼網絡;2018年,中國科技大學的潘建偉團隊還利用“墨子號”中繼衛星,實現了中國和維也納之間相距7600公裏的量子保密通信,向基于太空的量子網絡邁出了重大一步。

  當然,美國也不甘示弱。據悉,以美國國防部為主體的量子密碼研究工作也在推進中。2018年6月通過了“國家量子行動計劃法案”,對美國國家標準局、美國國家科學基金會和美國能源部進行為期10年、總額達13億美元的支持。

  日本也在大踏步前進。報道指出,日本政府也在2019年度補充預算案中列入了用于引進量子密碼通信係統的經費,日本計劃首先在處理安全領域重要情報的防衛省和警察廳部署能使用量子密碼的信息交換設備,並進行測試。

  量子密碼有可能成為一個産業。市場研究機構美國M&M公司預測認為,全球量子密碼市場的規模將在2023年達到39萬億人民幣,是2018年的5倍。

  蛋糕如此誘人,韓國SK電信公司、德國電信公司等全球電信運營商紛紛涉足,希望分一杯羹。日本東芝公司希望,自己的量子密碼係統能在2020年投入商用。無獨有偶,今年4月,日本NTT公司在美國硅谷設立海外首個基礎研究基地“NTT Research”,計劃今後5年累計投入約16億元人民幣,推進量子計算和密碼理論等基礎研究。

  量子攻防與安全標準

  量子密碼正在朝實用化和産業化邁進,那麼,這是一條毫無障礙的康莊大道嗎?

  金賢敏指出,量子密碼通過利用量子力學本質的態疊加和不可克隆原理,結合已被香農嚴格證明的一次一密加密算法,理論上可以保證加密通信的絕對安全。然而在實際係統中,由于器件的一些不完美性,係統中仍然有可能存在能夠被攻擊的物理漏洞。

  實際上,十多年來,針對量子密碼物理漏洞的攻擊方案陸續被提出,而提出漏洞的動機是為了構建更安全的通信係統。這是一個漫長的過程,最終目的是構建無論在原理上還是在實際復雜係統條件下都絕對安全的量子通信係統。

  “最近我們在量子密碼的攻和防上開展的研究受到廣泛關注和討論,我們希望在量子密碼的現實安全性和逼近無條件安全性上做更多工作。比如,針對量子密碼係統的特點提出各種極限攻擊方案,甚至只是原理上可行而現實中還無法實現的攻擊方案,然後,我們再提出預設解決方案堵住這些潛在安全漏洞。再比如,針對不同應用場景,提出量子密碼解決方案的變體,評測現實安全性,推動實用化。”

  金賢敏稱,評測量子密碼的現實安全性,是要假設竊聽者擁有不違反物理規律情況下的無限能力。而現實情況是,我們還是“小米加步槍”的水平,因此,需要加大投入,使我們能在設備和技術水平上都具有極限測試商用量子密碼係統的能力。

  金賢敏最後強調説:“我們相信,量子攻防和安全標準的研究將為量子密碼從理論上的安全性,到現實安全性,以及逼近終極的絕對安全性提供關鍵支撐。”(記者 劉霞)

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【糾錯】 責任編輯: 趙秋玥
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