量子通信:量子密钥升级信息安全堡垒

科技工作者之家 2019-08-01

来源:中国工程院院刊

2017年某晚,中国卫星墨子号(Mozi,又称Micius)将激光器瞄准了中国东北部的一个地面站。而后,在奥地利进入射程时,它又将激光射束指向了奥地利的一个接收器。

这标志着墨子号首次传递了用于解密和查看信息的量子密钥。借助这些密钥,中国和奥地利的科学家能够交换和解密加密图像。

2017年9月29日,中国科学院(Chinese Academy of Sciences)与奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences)的研究人员通过该系统举行了一场75分钟的加密视频会议。

该项目的成功表明,基于卫星的量子加密技术能够让全球用户远距离安全地交换数据。为确保未来的数字安全,许多国家和公司正在建立这些网络。“这绝对是量子通信的一大突破”,索邦大学(Sorbonne University)的量子物理学家Eleni Diamanti说。

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☝  正在建造和测试的Mozi卫星的实际图像。

图片来源:Cai Yang(新华社)

量子密码学正变得必不可少,因为另一种新兴技术——量子计算机正威胁着通信加密技术,而通信加密技术目前正保护着在线金融交易、手机通话和短信,以及许多其他通信类型。

为了阻止窥探者,目前支持这些传输的加密过程需要两个密钥——公钥和私钥。尽管任何人都可以访问公钥,但黑客无法破译他们拦截的通信,因为他们缺少私钥。

破解密钥是非常困难的,因为它涉及将大量数字分解为素数或解决其他复杂的数学问题。但量子计算机的速度比现在的机器快很多倍,破解这些密钥的难度降低。

安全专家预测,一台高速量子计算机可以在不到一天的时间内破解1024 bit的Rivest-Shamir-Adleman(RSA)加密(这是当今的标准之一)。路易斯安那州立大学(Louisiana State University)的理论物理学家Jonathan Dowling说,目前还没有量子计算机原型具备这种能力,但它们的计算能力每六个月就会翻一番。

依赖于量子加密技术的通信网络将具有更高的安全性,因为它们编码了在光子流中解密消息所需的密钥。由于量子行为规则,这些密钥的优点是有一个内置的警报。如果窃听者截获了密钥并传递副本,密钥就会更改并提醒合法用户他们的密钥已被窃取。

虽然一些陆基量子网络已经开始运行,但卫星可能会克服它们最大的局限性:传输信号会在几百公里的距离内消失。世界上最长的地面量子网络于2017年开始运行,从上海至北京距离超过2000 km。相比之下,卫星信号主要通过空间移动并且减弱得更慢,因此它们可以进一步传输量子密钥。

潘建伟和他的同事计划发射更多的卫星,以提高Mozi的性能。不过,“与地面通信相比,量子通信还有很长的路要走”Clark说。例如,Mozi只能在夜间发射,而且它的低地球轨道意味着它大部分时间都在地面站的范围之外。

Diamanti和Dowling认为,量子通信的下一步发展可能是纳米卫星舰队。Dowling表示,每台智能手机大小的设备都可以生产和发射大数据,并且可以用激光指示器的方式传输数据,生产成本低廉,数量庞大。这种基于纳米卫星的网络可以有效地执行必要的量子密钥分发,从而在全球范围内实现高度安全的远距离通信。


☟ 改编原文

Mitch Leslie.Quantum Cryptography via Satellite[J].Engineering,2019,5(3):353-354.

来源:CAE-Engineering 中国工程院院刊

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MTUwNjU3NQ==&mid=2651031407&idx=5&sn=8a8ba3c31320b228611f2f08141fbe19&chksm=84dba88fb3ac2199ddcccef97a801f2c1dc908fe10d174f89d802feda62991fbc717ac3a28f1&scene=27#wechat_redirect

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