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量子密钥:将造成又一个“技术差”

2017-01-12 13:34 来源:科普中国-军事科技前沿 

  量子通信主要指将量子比特用作信息传输载体的新型通信技术。其中,以量子态作为符号描述密码的量子密钥技术,从理论上提供了一种不可截获和破译的绝对安全新型密码体制,将实现高安全等级的量子保密通信。未来,依托量子密钥技术可组建高安全等级的保密通信网络,在信息化战场、国防建设和金融、大数据等民用领域得到广泛应用。

  保密通信的“明日之星”

  在信息技术飞速发展的21世纪,人们对安全通信的需求越来越紧迫。为有效保护通信内容不被窃取,目前采取的主要方法就是加密通信。但现有的数据加密算法,并不能为保密通信提供绝对安全的“防火墙”。一方面,现有加密解密算法将随着数学理论的深入而遭到破解;另一方面,随着计算机技术的迅速发展,利用超级计算机针对经典加密算法进行破解已毫无技术障碍。

  作为保密通信领域的“明日之星”,量子计算和量子密钥技术在最近几十年得到长足发展。利用诸如电子自旋状态和光子偏振状态的量子系统不确定性和概率性,量子密钥可以构建复杂的密码系统,通过量子密钥建立的密码可第一时间发现密码被窃取,从而有效抵抗针对密码系统的截取重发攻击,具有高度的密码安全性。

  我国发射的首颗量子通信实验卫星“墨子”号,将作为跨区域量子通信地面基站的太空“二传手”,为远距离传输的光子提高信号中继,解决光子在自由空间大范围传递信号衰减问题。

量子密钥:将造成又一个“技术差”

墨子号随长征-2D运载火箭升空。图片来自网络

  多种新量子算法相继产生

  量子是物理量的最小单元,组成世界的基本粒子如电子、光子、原子等都是量子的表现形态。由于量子的特殊性质,实际测量时可发现量子也有多个分身。量子保密通信就是利用量子叠加原理,将量子的多个分身作为安全通信的密钥,一旦该密钥被窃听或测量,量子的其他分身态会随机消失,窃听者的存在会引入额外误码,信息发送方和接收方都可以迅速测量到这一变化,从而中断该次密钥传输,重新设定量子密钥,直至量子密钥安全传输到信息接收方。

  理论上,使用量子密钥加密的通信系统不可能出现盗听现象。20世纪70年代,英国和美国最早开展量子计算领域的研究工作。1999年,世界上首个量子密钥分配的无条件安全性被成功证明。近年来,世界各主要大国都在开展量子通信技术的研究工作,量子计算的理论和实践都相继取得重大进展,产生了多种新的量子算法。丹麦科学家利用集成光学方法开展的量子密码芯片研究,目前已经取得初步成果。我国科学家早在2003年就开始构想量子科学实验卫星计划,目前已成功实现量子线路长度125公里的城际量子密钥通信实验,标志着量子密钥分配系统即将进入实用阶段。

  目前对于量子通信系统的构建设想主要包括:利用光纤实现城市内部以及城市与城域量子通信网络连通,利用量子中继技术实现邻近城市之间的连接,利用卫星平台和地面站之间的自由空间光子传输实现远距离区域之间连接。通过与地面的光纤量子通信网络协同工作,多颗组网量子通信卫星将构建空间广域量子保密通信网络。未来,量子通信技术将构建跨区域范围甚至是全球范围的量子通信网络系统,并具有极高的通信安全保障。

量子密钥:将造成又一个“技术差”

量子密钥分配技术原理示意。图片来自网络

  随着世界新军事革命的蓬勃发展,信息网络已经成为连接人与武器装备的技术纽带,军事物联网和各类信息终端将成为信息化军队作战和指挥神经中枢。同时,战场侦察、指挥协同、目标预警、装备操控和后勤保障都离不开网络系统的有效支持,安全可靠的战场网络是确保遂行作战任务的重要基石。依托量子密钥开展战场保密通信,将为战时信息传递提供安全屏障。同时,利用量子计算技术造成的“技术差”,可随时破译对方网络通信密码,占据战场绝对信息优势,甚至可以直接瘫痪和控制对方通信系统和作战指挥网络。

  (作者:唐嘉 张乃千 单位:国防科技大学 摘自光明军事微信公众号)

[责任编辑:赵清建]

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