量子密鑰分發(fā)（QKD）將在下一代安全通信中發(fā)揮核心作用，大學(xué)研究人員的新軟件有助于快速評(píng)估QKD的安全協(xié)議。

在安全量子通信的重大突破中，加拿大滑鐵盧大學(xué)量子計(jì)算研究所（IQC）的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種評(píng)估QKD協(xié)議性能的有效數(shù)值方法。他們還開(kāi)發(fā)了第一個(gè)可用的軟件來(lái)快速評(píng)估QKD任何協(xié)議的安全性。

“鑒于世界各地的黑客活動(dòng)，保密變得越來(lái)越重要。但它比通常認(rèn)為的更重要，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)可能在不久的將來(lái)上線，“IQC博士后研究員，發(fā)現(xiàn)和軟件背后的研究人員之一Patrick Coles說(shuō)。“量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)破壞我們當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)安全的許多方面，這是基于某些問(wèn)題的計(jì)算難度。這將是災(zāi)難性的。..因此，探索新的加密方法勢(shì)在必行。

QKD的秘密集中在量子物理學(xué)的基礎(chǔ)上，特別是海森堡的不確定原理。它允許被稱為Alice和Bob的兩方建立交換光子的共享密鑰。由于光子的行為符合量子力學(xué)定律，因此您無(wú)法在不干擾量子物體的情況下測(cè)量它。因此，如果一個(gè)叫做夏娃的竊聽(tīng)者攔截并測(cè)量光子，它會(huì)引起愛(ài)麗絲和鮑勃可以檢測(cè)到的干擾。沒(méi)有干擾意味著愛(ài)麗絲和鮑勃可以保證他們共享密鑰的安全性。

丟失和噪聲會(huì)產(chǎn)生一些干擾，但小的干擾意味著 Eve 可以獲得有關(guān)密鑰的少量信息。通過(guò)描述如此大量的信息，Alice 和 Bob 可以以最終密鑰的長(zhǎng)度為代價(jià)將其從 Eve 中刪除。QKD中的主要理論問(wèn)題是如何計(jì)算任何給定協(xié)議的最終密鑰的允許長(zhǎng)度和實(shí)驗(yàn)觀察到的距離。

“我認(rèn)為量子物理學(xué)家能夠在徹底改變我們進(jìn)行秘密通信的方式方面發(fā)揮核心作用，并希望做出貢獻(xiàn)，這真是令人難以置信，”科爾斯說(shuō)。“我們的方法有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：它強(qiáng)大、用戶友好且相對(duì)快速。

他所說(shuō)的“魯棒”是指它可以處理任何協(xié)議，這令人印象深刻，因?yàn)橐郧暗姆治龇椒▋H限于理想化的協(xié)議，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)缺陷。“我們的方法能夠探索新的協(xié)議理念，特別是與現(xiàn)有光學(xué)硬件一起實(shí)現(xiàn)的協(xié)議，”Coles說(shuō)。“此外，您的設(shè)備中的任何缺陷都可以在我們的軟件中明確說(shuō)明。穩(wěn)健性對(duì)于分析真實(shí)、實(shí)用的系統(tǒng)至關(guān)重要。

到目前為止，世界上只有少數(shù)熟練的專家能夠分析QKD協(xié)議的安全性。“我們的軟件有可能將QKD分析帶給更廣泛的受眾，”他指出。“您只需輸入感興趣的協(xié)議的描述，計(jì)算機(jī)就會(huì)進(jìn)行計(jì)算。

然后是速度：“計(jì)算QKD協(xié)議的密鑰輸出本質(zhì)上是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，”Coles說(shuō)。我們可以制作軟件的主要原因是因?yàn)槲覀冏C明了一個(gè)數(shù)學(xué)定理，將問(wèn)題重新表述為有效的可計(jì)算形式。運(yùn)行我們的軟件并獲得問(wèn)題的答案通常需要幾秒鐘。

而且，正如您可以想象的那樣，QKD技術(shù)具有軍事應(yīng)用。“美國(guó)海軍研究辦公室對(duì)QKD感興趣，用于海軍艦艇之間的安全通信，”科爾斯指出。但對(duì)手也可能利用QKD，因此它回避了是否存在竊聽(tīng)潛力的問(wèn)題。

隨著量子計(jì)算的上線，量子安全密碼學(xué)將變得必要。“這是指量子計(jì)算機(jī)無(wú)法有效攻擊的加密方法，”Coles解釋說(shuō)。“但另一種方法是找到即使是量子計(jì)算機(jī)也無(wú)法有效解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題。

QKD不容易受到追溯攻擊，而基于計(jì)算難度的方法則容易受到攻擊。“追溯攻擊是指竊聽(tīng)者記錄密文和公鑰，然后等待數(shù)年以提高計(jì)算能力，”科爾斯說(shuō)。“一旦計(jì)算機(jī)變得足夠快，竊聽(tīng)者就會(huì)獲得私鑰和明文。

因此，量子安全加密的未來(lái)很可能“最終成為QKD生成的密鑰和通過(guò)計(jì)算困難的任務(wù)生成的密鑰的某種組合，”Coles指出。

他說(shuō)，QKD的未來(lái)進(jìn)展將包括“全球網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論是在地面上還是通過(guò)衛(wèi)星”。“我們需要為這些網(wǎng)絡(luò)選擇最佳協(xié)議，我們的軟件應(yīng)該是一個(gè)有用的工具，可以幫助指導(dǎo)這種選擇。

審核編輯：郭婷