量子密碼筑起堅(jiān)不可摧的“銅墻鐵壁”

今年10月，美國谷歌公司宣布已經(jīng)“實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)”，研制出相當(dāng)于最先進(jìn)超級(jí)計(jì)算機(jī)1.5億倍速度的量子計(jì)算機(jī)，被認(rèn)為是“通向偉大夢(mèng)想的跳板”。盡管谷歌的這一說法被其“宿敵”IBM公司駁斥，但量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域正大踏步前進(jìn)是不容辯駁的事實(shí)。

人們希望量子計(jì)算最終能給材料科學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域帶來革命性變化，此外，另一個(gè)被寄予厚望的領(lǐng)域是，在理論上被認(rèn)為無法盜取的量子密碼。《日本經(jīng)濟(jì)新聞》在近日的報(bào)道中指出，在世界范圍內(nèi)，量子密碼出現(xiàn)了越來越多實(shí)用化的可能，而且其與軍事和安全保障領(lǐng)域關(guān)系密切。

上海交通大學(xué)金賢敏教授滿懷期待地對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說：“量子密碼具有信息論可證的安全性，量子攻防與更具現(xiàn)實(shí)安全性方案的不斷迭代，使量子密碼技術(shù)日臻完善，使人類追尋了幾千年的絕對(duì)安全通信幾近最終實(shí)現(xiàn)。量子密碼在金融、軍事和公共信息安全等方面展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。未來，量子密碼系統(tǒng)的芯片化、集成化將進(jìn)一步推升信道容量并降低成本，實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化前景可期。”

筑起堅(jiān)不可摧的“銅墻鐵壁”

量子密碼究竟是“何方神圣”，讓很多人競相追求呢?

金賢敏說：“傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)利用兩個(gè)極大質(zhì)數(shù)相乘產(chǎn)生的積來加密，反向?qū)ふ屹|(zhì)數(shù)會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間，也會(huì)耗費(fèi)計(jì)算機(jī)大量處理能力，其安全性正是建立在對(duì)這種單向問題的求解上。”

盡管這些密碼足夠強(qiáng)大，足以守護(hù)現(xiàn)代社會(huì)的很多秘密，如銀行賬戶密碼、秘密數(shù)據(jù)庫的密碼等，但它們也很脆弱。一個(gè)有決心的人，只要擁有一臺(tái)足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，就能破解它?；蛘呶磥碜銐驈?qiáng)大的計(jì)算機(jī)，可以破解過去較低難度的密碼，導(dǎo)致秘密信息的泄漏。

而量子密碼利用了量子力學(xué)物理性質(zhì)，從原理上來說是無法破解的。

金賢敏解釋說：“信息的發(fā)送者用單個(gè)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(fā)雙方通過確認(rèn)單光子的狀態(tài)，就能判斷信息是否被監(jiān)聽。”

“量子密碼在原理上是不可破解的，因?yàn)槭褂谜呖梢院芸煊X察到第三方的出現(xiàn)：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(qiáng)調(diào)說。

如此一來，這樣一個(gè)安全的系統(tǒng)可用來傳輸包含機(jī)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(lǐng)域“大顯身手”。

政府產(chǎn)業(yè)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(jīng)濟(jì)新聞》在11月13日的報(bào)道中指出，其中最引人注目的是中國。到2020年，投資額據(jù)說高達(dá)1萬億日元(約合647億元人民幣)的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)施將在安徽建成，將大力促進(jìn)中國在量子計(jì)算機(jī)和量子密碼領(lǐng)域的發(fā)展。此外，2017年，中國在北京和上海之間建成了全球最大規(guī)模的量子密碼網(wǎng)絡(luò);2018年，中國科技大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)還利用“墨子號(hào)”中繼衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了中國和維也納之間相距7600公里的量子保密通信，向基于太空的量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重大一步。

當(dāng)然，美國也不甘示弱。據(jù)悉，以美國國防部為主體的量子密碼研究工作也在推進(jìn)中。2018年6月通過了“國家量子行動(dòng)計(jì)劃法案”，對(duì)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局、美國國家科學(xué)基金會(huì)和美國能源部進(jìn)行為期10年、總額達(dá)13億美元的支持。

日本也在大踏步前進(jìn)。報(bào)道指出，日本政府也在2019年度補(bǔ)充預(yù)算案中列入了用于引進(jìn)量子密碼通信系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)，日本計(jì)劃首先在處理安全領(lǐng)域重要情報(bào)的防衛(wèi)省和警察廳部署能使用量子密碼的信息交換設(shè)備，并進(jìn)行測(cè)試。

量子密碼有可能成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)美國M&M公司預(yù)測(cè)認(rèn)為，全球量子密碼市場(chǎng)的規(guī)模將在2023年達(dá)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(yùn)營商紛紛涉足，希望分一杯羹。日本東芝公司希望，自己的量子密碼系統(tǒng)能在2020年投入商用。無獨(dú)有偶，今年4月，日本NTT公司在美國硅谷設(shè)立海外首個(gè)基礎(chǔ)研究基地“NTTResearch”，計(jì)劃今后5年累計(jì)投入約16億元人民幣，推進(jìn)量子計(jì)算和密碼理論等基礎(chǔ)研究。

量子攻防與安全標(biāo)準(zhǔn)

量子密碼正在朝實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，那么，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(xué)本質(zhì)的態(tài)疊加和不可克隆原理，結(jié)合已被香農(nóng)嚴(yán)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(duì)安全。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于器件的一些不完美性，系統(tǒng)中仍然有可能存在能夠被攻擊的物理漏洞。

實(shí)際上，十多年來，針對(duì)量子密碼物理漏洞的攻擊方案陸續(xù)被提出，而提出漏洞的動(dòng)機(jī)是為了構(gòu)建更安全的通信系統(tǒng)。這是一個(gè)漫長的過程，最終目的是構(gòu)建無論在原理上還是在實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)條件下都絕對(duì)安全的量子通信系統(tǒng)。

“最近我們?cè)诹孔用艽a的攻和防上開展的研究受到廣泛關(guān)注和討論，我們希望在量子密碼的現(xiàn)實(shí)安全性和逼近無條件安全性上做更多工作。比如，針對(duì)量子密碼系統(tǒng)的特點(diǎn)提出各種極限攻擊方案，甚至只是原理上可行而現(xiàn)實(shí)中還無法實(shí)現(xiàn)的攻擊方案，然后，我們?cè)偬岢鲱A(yù)設(shè)解決方案堵住這些潛在安全漏洞。再比如，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，提出量子密碼解決方案的變體，評(píng)測(cè)現(xiàn)實(shí)安全性，推動(dòng)實(shí)用化。”

金賢敏稱，評(píng)測(cè)量子密碼的現(xiàn)實(shí)安全性，是要假設(shè)竊聽者擁有不違反物理規(guī)律情況下的無限能力。而現(xiàn)實(shí)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(shè)備和技術(shù)水平上都具有極限測(cè)試商用量子密碼系統(tǒng)的能力。

金賢敏最后強(qiáng)調(diào)說：“我們相信，量子攻防和安全標(biāo)準(zhǔn)的研究將為量子密碼從理論上的安全性，到現(xiàn)實(shí)安全性，以及逼近終極的絕對(duì)安全性提供關(guān)鍵支撐。”

關(guān)鍵詞： 量子密碼