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筑起“铜墙铁壁” 量子密码实用化未来可期

来源:科技日报2019-11-22 09:26

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  今年10月,美国谷歌公司宣布已经“实现量子霸权”,研制出相当于最先进超级计算机1.5亿倍速度的量子计算机,被认为是“通向伟大梦想的跳板”。尽管谷歌的这一说法被其“宿敌”IBM公司驳斥,但量子计算机领域正大踏步前进是不容辩驳的事实。

  人们希望量子计算最终能给材料科学、物理学和化学等领域带来革命性变化,此外,另一个被寄予厚望的领域是,在理论上被认为无法盗取的量子密码。《日本经济新闻》在近日的报道中指出,在世界范围内,量子密码出现了越来越多实用化的可能,而且其与军事和安全保障领域关系密切。

  上海交通大学金贤敏教授满怀期待地对科技日报记者说:“量子密码具有信息论可证的安全性,量子攻防与更具现实安全性方案的不断迭代,使量子密码技术日臻完善,使人类追寻了几千年的绝对安全通信几近最终实现。量子密码在金融、军事和公共信息安全等方面展现出极大的应用前景。未来,量子密码系统的芯片化、集成化将进一步推升信道容量并降低成本,实用化和产业化前景可期。”

  筑起坚不可摧的“铜墙铁壁”

  量子密码究竟是“何方神圣”,让很多人竞相追求呢?

  金贤敏说:“传统密码系统利用两个极大质数相乘产生的积来加密,反向寻找质数会花费很多时间,也会耗费计算机大量处理能力,其安全性正是建立在对这种单向问题的求解上。”

  尽管这些密码足够强大,足以守护现代社会的很多秘密,如银行账户密码、秘密数据库的密码等,但它们也很脆弱。一个有决心的人,只要拥有一台足够强大的计算机,就能破解它。或者未来足够强大的计算机,可以破解过去较低难度的密码,导致秘密信息的泄漏。

  而量子密码利用了量子力学物理性质,从原理上来说是无法破解的。

  金贤敏解释说:“信息的发送者用单个光子携带用于加密和解密的密钥信息。如果有第三方试图盗取,必然‘雁过留痕’。收发双方通过确认单光子的状态,就能判断信息是否被监听。”

  “量子密码在原理上是不可破解的,因为使用者可以很快觉察到第三方的出现:任何窃听者不改变它、甚至不摧毁它是无法看到这些光子的。”金贤敏强调说。

  如此一来,这样一个安全的系统可用来传输包含机密信息的加密语音通话、传真和电子邮件等,有望在金融、军事和安全保障等领域“大显身手”。

  政府产业界争相涌入

  世界很多国家都在以国家力量积极投入这方面研究。

  《日本经济新闻》在11月13日的报道中指出,其中最引人注目的是中国。到2020年,投资额据说高达1万亿日元(约合647亿元人民币)的国家级实验设施将在安徽建成,将大力促进中国在量子计算机和量子密码领域的发展。此外,2017年,中国在北京和上海之间建成了全球最大规模的量子密码网络;2018年,中国科技大学的潘建伟团队还利用“墨子号”中继卫星,实现了中国和维也纳之间相距7600公里的量子保密通信,向基于太空的量子网络迈出了重大一步。

  当然,美国也不甘示弱。据悉,以美国国防部为主体的量子密码研究工作也在推进中。2018年6月通过了“国家量子行动计划法案”,对美国国家标准局、美国国家科学基金会和美国能源部进行为期10年、总额达13亿美元的支持。

  日本也在大踏步前进。报道指出,日本政府也在2019年度补充预算案中列入了用于引进量子密码通信系统的经费,日本计划首先在处理安全领域重要情报的防卫省和警察厅部署能使用量子密码的信息交换设备,并进行测试。

  量子密码有可能成为一个产业。市场研究机构美国M&M公司预测认为,全球量子密码市场的规模将在2023年达到39万亿人民币,是2018年的5倍。

  蛋糕如此诱人,韩国SK电信公司、德国电信公司等全球电信运营商纷纷涉足,希望分一杯羹。日本东芝公司希望,自己的量子密码系统能在2020年投入商用。无独有偶,今年4月,日本NTT公司在美国硅谷设立海外首个基础研究基地“NTT Research”,计划今后5年累计投入约16亿元人民币,推进量子计算和密码理论等基础研究。

  量子攻防与安全标准

  量子密码正在朝实用化和产业化迈进,那么,这是一条毫无障碍的康庄大道吗?

  金贤敏指出,量子密码通过利用量子力学本质的态叠加和不可克隆原理,结合已被香农严格证明的一次一密加密算法,理论上可以保证加密通信的绝对安全。然而在实际系统中,由于器件的一些不完美性,系统中仍然有可能存在能够被攻击的物理漏洞。

  实际上,十多年来,针对量子密码物理漏洞的攻击方案陆续被提出,而提出漏洞的动机是为了构建更安全的通信系统。这是一个漫长的过程,最终目的是构建无论在原理上还是在实际复杂系统条件下都绝对安全的量子通信系统。

  “最近我们在量子密码的攻和防上开展的研究受到广泛关注和讨论,我们希望在量子密码的现实安全性和逼近无条件安全性上做更多工作。比如,针对量子密码系统的特点提出各种极限攻击方案,甚至只是原理上可行而现实中还无法实现的攻击方案,然后,我们再提出预设解决方案堵住这些潜在安全漏洞。再比如,针对不同应用场景,提出量子密码解决方案的变体,评测现实安全性,推动实用化。”

  金贤敏称,评测量子密码的现实安全性,是要假设窃听者拥有不违反物理规律情况下的无限能力。而现实情况是,我们还是“小米加步枪”的水平,因此,需要加大投入,使我们能在设备和技术水平上都具有极限测试商用量子密码系统的能力。

  金贤敏最后强调说:“我们相信,量子攻防和安全标准的研究将为量子密码从理论上的安全性,到现实安全性,以及逼近终极的绝对安全性提供关键支撑。”(刘 霞)

[ 责编:张佳兴 ]
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