量子通信有序走向?qū)嶋H應(yīng)用
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今年以來,量子通信領(lǐng)域迎來多項(xiàng)標(biāo)志性突破。
近期,中國科學(xué)家在國際上首次構(gòu)建出可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊,使得遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能;首次將器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)的光纖傳輸距離突破100公里;北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)國際首個基于集成光量子芯片的規(guī)?;孔用荑€分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的原理演示,在芯片規(guī)模與組網(wǎng)能力方面均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
這些進(jìn)展意味著量子通信正逐步走出實(shí)驗(yàn)室“樣板間”,走向?qū)嶋H應(yīng)用。
但對很多普通人而言,“量子通信”依然是一個陌生概念。它究竟是什么,又將改變什么?
破解信息安全困局的新利器
設(shè)想這樣一個場景:輸入密碼解鎖手機(jī),打開支付軟件,用人臉識別或指紋識別完成付款。這樣的過程,每天都會在我們的生活中上演。
但它真的安全嗎?
無論是輸入密碼,還是人臉或指紋識別,看似簡單的操作背后,本質(zhì)上都是一串由“0”和“1”組成的信號在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。這些信號一旦被截獲、存儲,就有被破解的可能。
尤其隨著量子計算的發(fā)展,現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的加密體系,正面臨新的挑戰(zhàn)。
中國電信量子研究院量子通信高級研究員安雪碧介紹,1994年,美國科學(xué)家彼得·肖爾提出了量子計算快速破解主流公鑰密碼的算法,直接對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)通信安全構(gòu)成重大威脅。
還有一種被稱為“先存儲、后破譯”的攻擊方式:竊聽者可以先截取并保存今天的密文,等未來量子算力成熟后再進(jìn)行破解。也就是說,今天發(fā)送的信息,未來未必依然安全。
在這樣的背景下,量子通信被視為破解這一困局的新利器。
作為目前量子通信領(lǐng)域最成熟、應(yīng)用最廣泛的核心技術(shù),量子密鑰分發(fā)(QKD)先在通信雙方之間安全生成并分發(fā)一把密鑰,再利用這把密鑰完成經(jīng)典信息的加密通信。
其關(guān)鍵在于,量子態(tài)具有不可克隆性、不確定性等特性,任何試圖竊聽量子態(tài)的行為,都會引入可被通信雙方察覺的異常,從而保證密鑰分發(fā)的安全性。
用業(yè)內(nèi)人士的話說,傳統(tǒng)加密依賴的是數(shù)學(xué)難題足夠難算,而量子密鑰分發(fā)的安全性來自量子物理的基本規(guī)律,不依賴計算能力強(qiáng)弱。
傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中,信息通常以“0”和“1”組成的電磁信號,通過光纖、電纜等傳輸媒介進(jìn)行傳遞,而量子網(wǎng)絡(luò)則不同,它利用的是光子等微觀粒子的“量子態(tài)”來攜帶信息。量子態(tài)天然具備量子疊加、量子糾纏等獨(dú)特物理特性,利用量子態(tài)進(jìn)行量子信息的傳遞,為未來構(gòu)建安全可靠的信息網(wǎng)絡(luò)提供了可能。
兩條路線協(xié)同構(gòu)建防護(hù)體系
為抵御量子計算破解帶來的安全風(fēng)險,目前學(xué)術(shù)界形成一種量子密鑰分發(fā)技術(shù)方案,即通過量子態(tài)的編碼、傳輸與測量,在通信雙方之間安全分發(fā)對稱密鑰,結(jié)合明文與密鑰等“一次一密”加密體制,實(shí)現(xiàn)信息論層面的無條件安全通信。
還有一種解決方案——后量子密碼路線(PQC),即沿用現(xiàn)有數(shù)學(xué)密碼算法體制,構(gòu)造量子計算機(jī)難以破解的新型密碼體系,也被稱為抗量子計算密碼。
安雪碧表示,兩條路線各有特點(diǎn):QKD的理論安全性已得到嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明,PQC在部署成本、應(yīng)用靈活性上更具優(yōu)勢。
“在當(dāng)前QKD與PQC均未出現(xiàn)顛覆性技術(shù)突破的階段,二者并非非此即彼的對立關(guān)系,而是互補(bǔ)共生、融合賦能的技術(shù)組合。”安雪碧說,QKD從物理底層實(shí)現(xiàn)安全密鑰分發(fā),PQC依托新型數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)全場景數(shù)據(jù)加密與身份可信認(rèn)證,二者協(xié)同有望構(gòu)建物理加算法防護(hù)的網(wǎng)絡(luò)安全體系。
未來3至5年有望多領(lǐng)域規(guī)模商用
近年來,我國量子保密通信產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷提速。安雪碧表示,未來3至5年,量子安全服務(wù)將率先在政務(wù)涉密數(shù)據(jù)傳輸、金融跨域交易清算、能源電網(wǎng)智能調(diào)度等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用。
與此同時,隨著各類民用產(chǎn)品的普及,普通用戶也可以通過手機(jī)等終端,更便捷地使用量子安全服務(wù)?!傲孔影踩珜⒅鸩綇膶I(yè)專網(wǎng)場景,走進(jìn)大眾日常通信與個人隱私保護(hù)領(lǐng)域?!卑惭┍陶f。
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