量子芯片引领密码学迈向新里程

shuszhao · 发表于 2020-2-2 08:11:38

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未来当量子计算机出现后，很可能让我们的信息安全陷入风险，而新加坡南洋理工大学开发的量子芯片是否能提供解决之道？

量子技术竞赛日益引发关注。Google和IBM开始发展量子计算机，预计将以我们难以想象的速度彻底颠覆运算。量子技术还有一个令人引颈期盼的优势就是“密码学”(cryptography)。
随着物联网(IoT)和下一代5G的快速普及，创造安全的通道至关重要。相形之下，携带信息的量子信道存在安全协议，并内置于加密的数据中。每个通道之间彼此各不相同，从而降低了在传输过程中被拦截的风险。
为了保护数据传输的机密性和完整性，目前最安全、使用最广泛的方法是以对称密码学为基础，而一种更可靠的安全性则是提供一种数学上牢不可破的密码学形式，称为“一次性密码”(one-time pad；OTP)，它采用一种与加密数据长度相同的随机密钥来加密数据。

有了量子密码，当今所有的密码技术都将相形失色。如今，为了解密机密的加密信息，必须具有相对的私钥。而进行所谓的“暴力攻击法”(brute force attack，即尝试使用字母、特殊字符和数字的所有可能组合)将无法译码RSA密钥，因为我们现有的计算机都将花费很长的时间解密，而使用量子技术，相同的操作只需花费几秒钟。
新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的研究人员开发出一种量子芯片，其尺寸比当前的量子配置更小1,000倍。在NTU Singapore电气与电子工程学院教授Liu Ai Qun和副教授Kwek Leong Chuan的带领下，该研究团队的结果发表在近期的《自然光子学》(Nature Photonics)上。
其结果为许多金融系统建置量子密码学方法提供了新机会。该新芯片将以各种通讯方法提高安全应用，包括从ATM提领现金到在线购买商品等。当今的这些技术并不是十分安全，而且其通讯还可能会被拦截。该芯片宽仅3至4mm，采用量子通讯算法以及量子密钥分配(QKD)，因而能提供比现有标准更高的安全性。
QKD采用量子属性交换诸如加密密钥之类的机密信息，然后再将其用于加密经由不安全信道传输的讯息。QKD的安全性基础在于自然和物理学的基本定律，有助于提高运算能力、新的攻击算法或量子计算机。
以量子密码学的情况来看，密钥(针对讯息进行加密并因而再度具有可读性的介质)被编码为一系列光子，在必须共享讯息的双方之间传递(例如透过光纤)。根据海森堡不确定性原理(Heisenberg uncertainty principle；即不可能同时知道量子物体的两个特征)，任何对获得密钥感兴趣的人都无法在不干扰这些(极化)光子的情况下达到目的。事实上，任何干扰通讯的人都会改变其特征，留下使其提醒注意骇入的痕迹。
Liu说：“在当今的世界中，网络安全至关重要，因为我们的许多数据都是以数字方式储存以及进行通讯。几乎所有的数字平台和储存数据库都要求用户输入密码和生物辨识数据，只要存在这种情况，就可能会有被窃听或破解的风险。量子技术则消除了这种疑虑，因为密码和信息都整合在发送中的讯息，从而形成量子密钥。”

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微小的3mm量子通讯芯片（来源：NTU Singapore）
量子计算为人工智能(AI)、医疗诊断和药物治疗等领域带来的新发现让人难以想象。但量子计算机只是一种工具，有助于让实现特定结果所需的操作次数大幅减少。创新并不在于提高每次操作的速度，而在于减少达到结果所需的操作次数。
然而，信息的安全性会因为未来的量子计算机崛起而陷于风险，因为配备大量运算资源的量子计算机可能破解现有的加密技术。因此，量子密码学和后量子密码学将变得越来越重要。