走向量子互联网

发布时间：2023-08-14 14:15:14 所属栏目：外闻来源：

导读：现今能够对于邮件、医疗档案、金融转账以及政府部门文件等等资料实施保护手段，具备抵挡最强大超级电脑的能力。但可能只需要十年，量子计算机就将具备入侵这些私密数据的能力，使其突然间变得唾手可得。而近期的科学

现今能够对于邮件、医疗档案、金融转账以及政府部门文件等等资料实施保护手段，具备抵挡最强大超级电脑的能力。但可能只需要十年，量子计算机就将具备入侵这些私密数据的能力，使其突然间变得唾手可得。而近期的科学研究成果也正在传递一个信号：量子“炸弹”的引爆时间可能比我们想象的更早。

量子技术专家多年来一直在发出警告：量子计算机可能对信息安全产生威胁。2020年，英国国家网络安全中心发布了一份白皮书，建议大型公司和机构“应该在制定长期路线图时考虑量子计算机攻击的威胁”，并优选可以过渡到量子安全平台的系统。IBM公司在其2023年发布的《量子计算时代的安全》中指出，量子计算是对经典数据安全的“生存威胁”，并警告说，“毫无疑问，冲击即将到来——这不是存在与否的问题，而是多快到来和破坏性多大的问题。

数字游戏。构建量子信息技术的基本单元是“量子比特”。经典比特以二进制值“0”或“1”编码信息，而量子比特可以处于两个值的叠加状态，并且可以相互纠缠。利用这些特征，量子计算机可以同时探索多变量问题的多种可能的解决方案。这使其在处理优化任务方面比经典计算机更有效率，例如预测分子结构和天气，或模拟金融市场。但量子计算机威胁数据安全的根本原因是其非常擅长进行大数分解，而这正是当前多数加密技术的基石

加密数据并不困难，在如今的互联网上，通常使用先进的加密标准(AES)算法就可以做到。发送者使用一个密钥，通过算法加密信息后，将其通过互联网发送给接收者。后者需要用与加密相同的密钥解密数据，如果没有密钥，则几乎无法解密数据。这听起来很不错，但是应该如何在用户间共享密钥呢？直接通过网络发送密钥显然风险较大，因此需要使用“公钥密码学”加密该密钥。RSA算法是最常见的加密方式，它几乎被用于保障当今互联网的所有安全通信，URL开头的“https”就是一个例子。

RSA需要生成额外的两个密钥(公钥和私钥)来加密AES所用的密钥。公钥对所有人公开，但只有拥有私钥的人才能解密信息。希望获得AES密钥的人只需公开其公钥，待接收到用公钥加密的AES密钥后，使用其私钥解密即可。RSA通过大质数相乘产生密钥，然后将其结合简单的数学算法完成加密。传统的计算机很难逆向分解得到用于生成密钥的质因数，因此也就无法破译数据。据估计，即使用当前最先进的超级计算机，也需数十亿年才能破解使用2048位密钥的RSA标准。

设计可以更好抵御量子计算机攻击的新协议是解决该问题的一种方案。这些无需依赖质因数分解算法的协议被称为“后量子密码学”(post-quantum cryptography)。虽然这类算法正在被加紧研究，并且有望在接下来的几年内推出新的标准，但它们的完备性(integrity)依赖于对量子计算机实际限制的各种假设，而这些假设可能被大多数而非所有用户接受。鉴于QKD是唯一从理论上被证明安全的密钥分发方法，我们更希望从“AES+RSA”转向“AES+QKD”或AES与其他形式的后量子密码学方法结合。

在东芝的商用QKD系统中，还开发了一种“复用”技术，使量子光可以与不同波长的经典光一起被发送和接收。“量子通道将不得不依赖于现有的通信基础设施，因为从成本角度来看，更换它是不现实的，” Shields说。虽然在传输数据的光缆中，并非所有的光纤都被使用，因此量子和经典通信光纤传输并非绝对必要。但一种有说服力的观点认为，共享基础设施可以最大限度地发挥QKD在未来的潜力，让其接入光纤网络的使用，随着越来越多的单芯线路投入使用。

东芝—英国电信量子城域网络连接了三个核心节点：伦敦西区、伦敦市和斯劳。英国电信光学研究高级经理Andrew Lord称，用户在任意三个节点之一的半径10—15 km范围内都可以注册并使用QKD传输数据。

根据Lord所述，该网络自2022年6月以来一直在无故障地运行。除了会计事务所巨头安永，还引起了其他金融部门、医疗保健公司，以及政府的兴趣。这有助于Lord、Shields及其同事确定市场对量子网络的需求，以及如何创建全国范围的广域量子服务。英国电信正在开展一项由英国政府支持的可行性研究，预估使用现有技术实现这样的网络所需的代价。

量子密钥分发(QKD)保障数据在互联网中传输而不被量子计算机窃取。它使用由单光子流组成的密钥对数据进行加密，其中“0”是水平偏振的光子，“1”是垂直偏振的光子。当接收者得到密钥时，他们可以使用QKD解密数据，并计算出是否有人窃听。由量子力学保证了这种窃听或测量必将改变密钥的状态。(译者注：QKD仅用于保证密钥分发过程的安全性，加解密仍需使用其他算法来完成。且“０”或“１”代表的是非正交基下的一组光子，如“０”代表水平偏振或另一组编码基下45°偏振的光子)

也许十年内，量子互联网就可能以某种形式出现在我们的身边。但颇具讽刺意味的是，对致力于此的人来说，只有失败才会获得关注。如果它们成功了，我们的敏感数据将不会被窃取，大多数人甚至不会意识到量子计算机曾造成过威胁。

（编辑：汽车网）

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