量子保密通信京滬幹線為何能抵禦所有已知的黑客攻擊?專訪工程總師...

2021-01-09 騰訊網

北京時間1月7日凌晨，中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、彭承志等與中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院以及中國有線電視網絡有限公司合作，在國際學術期刊《自然》雜誌發表了題為「跨越4600公裡的天地一體化量子通信網絡」的論文，證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟，我國構建起廣域量子保密通信網絡雛形。

是不是有些「不明覺厲」？量子通信為何是一種「原理上無條件安全」的通信方式？它在哪些領域得到了應用？解放日報•上觀新聞記者專訪了量子保密通信京滬幹線工程總師、中國科技大學教授陳宇翱。

【量子密鑰是一個隨機產生的結果】

早在約公元前7世紀時，古希臘斯巴達人就使用加密術來進行信息傳遞了。不過，依賴於計算複雜度的經典加密算法，原理上都會被破解。

量子密鑰最大的特點就在於隨機性，它的生成是基於物理機制而非數學算法。在網上傳輸信息時，都要先把信息轉換成比特0或1。交易的甲方首先生成一串由0和1組成的隨機數，通過光的偏振發給交易的乙方，乙方收到後，也採取隨機檢測，這樣就會得到另一串由0和1組成的隨機數。只有發送工具和檢測工具相同，才會得到相同的數字，於是雙方再交流一下分別採取了哪些工具，乙方把用不同工具得到的結果刪除，剩下的數字就成了一串密鑰。「有意思的是，這串密鑰從一開始就沒有被交易雙方傳送過，它是一個隨機產生再比對的結果，因此從原理上說是無法破譯的。」

如果「隔牆有耳」怎麼辦？「哪怕被竊聽，也不會產生影響。」 由光量子產生的隨機數本身並沒有任何意義，假設被竊聽了一部分，任意一個光量子不是表示比特0就是表示比特1，每一次破譯就像是猜啞謎，猜對一個光量子的機率只有一半，而要想蒙對一長串光量子的可能性微乎其微。

量子保密通信是否可以應對黑客的攻擊呢？「我們做了光子數分離攻擊、致盲攻擊、時移攻擊、波長依賴攻擊和一些潛在的特洛伊木馬攻擊等安全性測試，結果表明京滬幹線可以抵禦目前所有已知的量子黑客攻擊。同時，我們也在發展一些新型協議，可以抵禦針對所有測量器件的攻擊，這類協議後續也會集成到京滬幹線信息系統中。」

【地面接收系統未來有望「可單人搬運」】

科學家普遍認為，實現遠距離量子通信安全性的最佳解決方案是基於糾纏的量子密鑰分發。

按通信信道的不同，量子密鑰分發主要有光纖和自由空間兩種實現方式。光纖的信道穩定性較好，不易受到溫度、溼度等環境因素影響，可以實現基本恆定的安全碼率，在城域城際範圍內可以方便地連接到千家萬戶；而在超遠距離、移動目標、島嶼和駐外機構等光纖資源受限的場景，可以通過衛星中轉的自由空間信道連接。將地面光纖和自由空間結合，則可以實現大規模、全覆蓋的全球化量子通信網絡。

在現有技術水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離，比如2017年開通的世界首條量子保密通信京滬幹線，正是通過32個中繼節點，貫通了全長2000公裡的城際光纖量子網絡，是目前世界上最遠距離基於可信中繼方案的量子安全密鑰分發乾線，其密鑰分發量可以支持1.2萬以上用戶同時使用；利用量子科學實驗衛星「墨子號」作為中繼，在自由空間信道則進一步拓展到了7600公裡的洲際距離。

世界首條量子保密通信京滬幹線

陳宇翱介紹，研究團隊實現了地面跨度4600公裡的多用戶量子密鑰分發，並進行了長達兩年多的穩定性和安全性測試，證明了廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟。

相比2017年，「京滬幹線」星地之間密鑰生成速率提高了40倍，達到47.8千比特/秒。如此一來，可以提供更多的量子密鑰分發服務。「高效的星地鏈路收集技術，可以將量子衛星載荷的重量由現有的近600千克降低到50千克以下。我們現在做實驗的地面接收系統已經從過去的2噸大幅降低到了100千克以下，未來有望進一步做到可單人搬運。」

地面接收系統未來有望做到可單人搬運

【已接入金融、電力、政務等150多家行業用戶】

天地一體化量子通信網絡目前在哪些領域得到了應用？「已接入金融、電力、政務等150多家行業用戶，比如北京電力城域網、合肥電子政務外網、濟南黨政機關專網和武漢電子政務網等。這些都是在現有業務系統中增加量子安全加密路由器，同時將用戶節點接入到量子通信網絡。」

當下，量子通信網絡在全球大規模推廣還面臨哪些挑戰？

「需要發展新的光纖量子通信技術，如量子中繼等，從而實現更遠距離的量子通信。可以進一步發展小型化、集成化的量子通信產品，與現有光網絡進行有效的融合。還需全球各相關研究所、大學、公司、標準化組織等機構攜手推進量子通信協議及設備的國際標準化。」據介紹，我國已經與奧地利、義大利、俄羅斯、加拿大等國際知名團隊，在星地量子鏈路建立、衛星與地面站的量子通信等多方面展開了合作實驗。

接下來的目標是什麼呢？「主要是實現天地一體化大範圍、多用戶的量子通信網絡。一方面結合量子密鑰分發技術和微納衛星技術，開發小型化量子密鑰空間終端與地面站終端，推進實用化進程。另一方面，將量子密鑰分發技術推向中高軌衛星，發展全天時、萬公裡級關鍵技術，從而實現長時間和大範圍覆蓋。」陳宇翱說。

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歐美等國陸續加快推進量子通信基礎設施建設。2020年，美國發布《量子網絡戰略願景》和《量子網際網路國家戰略藍圖》，其中《量子網絡戰略願景》提出，「未來5年，美國將展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發」；歐盟發布量子旗艦計劃《戰略研究議程》，提出「3年願景是利用量子密鑰分發協議和具有可信中繼節點的網絡實現全球範圍的安全密鑰分發，6-10年願景是使用量子中繼器在光纖上實現800公裡以上的量子通信」。

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