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保密科技

量子通信助力信息安全保密

2018-08-27 00:00:00.0 新闻来源:《保密工作》杂志

作者周德旺 皇安伟

 信息的安全传输是人类千百年来的梦想之一。传统的信息传输易被窃取,保障信息安全的方法通常是加密传输。然而,随着超算、破译等技术的快速发展,信息传递难以做到绝对安全保密。20世纪90年代,量子通信技术及其系统的问世,重新燃起了人们对打造绝对安全的保密通信系统的希望。

量子通信具有天然技术优势

 2016年8月16日,世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射,这是我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建了天地一体的量子保密通信与科学实验体系。“墨子号”卫星开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力试验的大门,使我国抢占了量子科技创新的制高点,并成为此领域国际同行的佼佼者,实现了从“跟跑者”到“并跑者”再到“领跑者”角色的华丽转变。随着“墨子号”卫星正式交付中国科技大学、中科院等单位使用,引发了人们对量子通信技术研究的极大热潮。

 20世纪90年代以来,欧、美、日等国家和地区竞相研发量子通信技术,纷纷投入大量人力物力财力,逐步从理论走向实验应用,并加速实现产业化发展。目前,量子通信技术在国际上走在前列的主要有中国、美国和欧洲,欧洲在理论研究方面遥遥领先,中国则在产业应用方面走在前列,并率先建立多个城际量子通信干线网。

 量子通信,是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术,它是利用量子力学基本原理和量子纠缠现象达到传递信息、传输数据的一种先进通信技术。量子保密通信技术提供了迄今为止唯一高度安全的通信保密方式,突破了传统信息技术的安全保密和信息容量极限。量子通信在应用方面主要是通过光纤实现短距离的通信,通过量子中继器实现较远距离的通信,通过卫星中转实现可覆盖全球的远距离的通信。

 相较于传统通信技术而言,量子通信有着无可比拟的技术优势,其安全性源于量子力学的基本原理。量子力学中的海森堡测不准定理、未知量子态不可克隆定理和非正交量子态不可区分定理,从理论上确保了量子通信过程中的任何窃听行为都必将被检测到。量子通信技术具有3大优点:一是理论上绝对安全保密。量子通信利用单光子量子态不可克隆特性,使得量子信道上任何的监听或复制行为都会被侦测到,无法改变或破坏量子态原始状态,因此,理论上量子通信可实现“绝对安全保密”。二是超光速传输。量子纠缠理论使得双方量子之间存在“心灵感应”,双方会随着彼此改变而瞬间变化,信息传输时延几乎为零,从而实现超光速传输通信。三是超空间通信。量子通信不需要借助任何传输媒介,不受任何障碍阻隔,不受距离远近的限制,可以实现“超空间”通信,这种特性使它能够实现人类与太空、深海、极地等空间领域的自由通信。

量子技术发展的国际竞争格局初显

 目前,除中国外,欧洲、美国及日本等国家和地区都在进行量子通信技术的研究和实用,并取得了巨大成果,推动了量子通信技术的飞速发展。

 欧洲。欧洲在量子通信理论奠基方面做出了巨大贡献,量子保密通信的物理基础正是德国物理学家海森堡发现的测不准定理。早在20世纪90年代,欧洲就意识到量子信息处理和通信技术的巨大潜力,从欧盟第五研发框架计划开始,就持续对欧洲乃至全球的量子通信研究给予重点支持。从1993年至2012年,欧盟量子远程传输距离从10公里光纤传输拓展到143公里的隐形传输。2008年欧盟还发布了《量子信息处理与通信战略报告》,提出了欧洲在未来5年和10年的量子通信发展目标,包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。从2007年至2014年,欧盟开始致力于量子密码通信和量子编码研究,实现了量子漫步、太空和地球之间的信息传输,为卫星之间以及卫星与地面站之间进行量子通信提供了可能性。2016年3月,欧盟委员会发布了《量子宣言》,称将在2018年启动一项10亿欧元的量子技术旗舰项目。其中,在量子通信方面,规划5年内突破量子中继器核心技术,实现点对点安全量子通信,10年内实现远距离量子网络、量子信用卡应用等,旨在“保卫欧洲互联网安全”。

 美国。美国将量子技术作为“六大科研前沿”之一,认为人类正站在下一代量子革命的门槛上,量子通信正在导致革命性变革,必须加大投入力度进行交叉学科研究。美国20世纪末就将量子通信列入国家战略和国防安全的研发计划,同时,美国国家标准技术研究院也将量子信息作为3个重点研究方向之一。美国国防部高级研究计划局也启动了多项量子通信相关研究计划,旨在将其应用于军事作战领域。1989年,美国IBM公司在实验室中以10 bit/s的传输速率成功实现了世界上第一个量子信息传输,拉开了量子通信研究的序幕。2000年,洛斯•阿莫斯国家实验室宣布在全日照条件下实现了1.6公里自由空间的量子密钥分发,使量子通信向实用化迈进一大步。2003年,美国国防部高级研究计划局又领衔建设了量子通信技术试验网络。2006年,洛斯•阿莫斯国家实验室基于诱骗态方案实现了能保证绝对安全的107公里光纤量子通信实验。2013年,该实验室公布了一种基于量子通信技术的量子互联网,并宣称他们解决了量子系统的可伸缩问题,可以使用较廉价的硬件实现量子密钥分发。此外,美国Google、IBM、微软公司也都投入力量研究量子通信技术,以量子计算机研究为突破点,延伸至物质科学、生命科学、能源科学领域。2015年12月,Google公司推出的D—Wave量子计算机,在解决问题时能够比其他任何计算机快出1亿倍;2017年3月,IBM公司宣布推出全球第一个商业化量子计算云服务IBM Q,可高效处理传统电脑无法解决的复杂计算问题。

 日本。日本对量子通信技术的研究起步较晚但发展迅速,其主要研究极限容量广域光纤与自由空间量子保密通信网络。2004年,日本研究人员用防盗量子密码技术传送信息获得成功,传递距离可达87公里。同年,日本电气股份有限公司改进单光子探测器信噪比,使得量子密码传输距离达到150公里。2007年,日本研究团体开发的量子密钥技术,实现了信息经光纤的安全传输。2008年,日本东芝公司研究人员在量子密码通信中将密钥的传输速度成功提高,使其更加实用化。2016年,日本研究团队联合开发了世界最高水准的大容量光通信系统,该系统首次融合量子噪声保密和量子密钥分发技术,以100 GT/s的传输速度成功实现了100公里的单信道量子通信传输,有望实现抵抗网络攻击的极强安全通信。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继技术,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

量子保密通信助力国家信息产业发展

 量子通信具有保密性强、鲁棒性高、速率快、容量大、远距离传输等优点,这些特征决定了量子通信具有无法估量的应用前景。目前,量子通信已在政务、国防、金融、公安等重要领域凸显巨大应用价值。量子通信技术与现有网络的融合是当前主要发展方向,未来还会应用于专网、公众网、云安全等诸多领域。

 量子通信主干网提升国家安全。2013年,国家批准立项的量子保密通信“京沪干线”,由国家发改委立项、中国科学技术大学承建,已于2017年8月完成全网技术验收。该干线连接北京、上海两地,全长2000多公里,是世界上首条量子保密主干网,可以实现高清量子保密视频会议系统和其他多媒体跨域互联应用,将大幅提高我国政务、能源、金融、交通等领域系统的通信安全性。针对我国发射的“墨子号”量子通信卫星,美国“大众科学”网站认为,在全球电子监控和网络窃密时代,世界各国都在寻找任何可能的办法来保护通信安全,中国启动了可将信息量子化并传入太空的项目,在一定程度上使得中国的信息网络牢不可破,抵挡任何入侵企图。

 量子通信提升军事通信网络安全。“棱镜”事件的发生,给我国防通信网络安全带来了严峻挑战,对量子加密的探索有可能解决我国的信息安全问题。量子通信能够用于通信密钥生成与分发系统,构成作战区域内机动的安全通信网络;能够用于光网信息保密传输,以此提高信息保护和信息对抗能力;还能够应用于深海安全通信,为远洋深海安全通信开辟崭新途径和目标,提升军队保密打赢能力。此外,在破解量子通信复杂的加密算法上,现有计算机系统需要几万年的时间,在现实中没有任何实用价值,但是量子计算机却能在几分钟内将传统的加密算法破解。因此,以往的密码体制将处于危险之中,唯有量子通信技术能够抵御这种破解和威胁,为提升未来我国防信息网络安全提供了坚实屏障。

 量子通信体系将改变传统的技术产业形态。量子通信开创了通信和保密领域新的发展方向,这无疑会对传统的通信和保密模式产生巨大冲击。由于在速度、容量、抗干扰等方面所具有的独特优势,量子通信模式将会彻底颠覆传统的电缆、光缆、卫星等通信方式,对现有已经布设的国家和军事信息网络体系产生冲击。由于在安全保密方面的优势,量子通信将彻底颠覆传统的网络安全公司,使现有各类基于传统通信和运用的网络安全保密体系全部落后,从而可能会导致整个信息安全产业洗牌。但是,由于量子通信的信息保密技术应用目前大部分还停留在理论层面,未来是否有更为强大的破译方式还难以预估,因此,量子通信技术的发展反过来也会促进更加先进的破译技术的发展。

 正像“墨子号”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士所说的那样:历史经验表明,再好的加密技术都可能随着攻击者能力的提高遭到破解,国家和大众的信息安全每天都面临着风险。但量子通信从原理上具有不可破解、不可窃听的特性,因而是更安全的信息传输方式。

 当前,量子通信技术已从科学研究进入实验应用,随着其技术体系的不断完善成熟,未来将进一步向规模化商用方向发展,量子通信的高保密性也决定了其在军事通信以及金融、交通、能源等方面的巨大应用前景。

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