技經觀察 | 量子計算VS量子密鑰分發技術，全球量子競賽展開

2020-10-13 全球技術地圖

近期，布魯金斯學會發布文章《中美量子數據安全競賽的現狀》。文章介紹了量子計算對傳統加密方法和安全通信的威脅，量子密鑰分發方法（QKD）及其在加密安全方面的優勢，以及各國在量子信息科學領域的進展和競賽。文章指出，中國快速發展的基於量子的安全通信鏈路可能有損於美國情報機構，並助其在中美有關太空活動的國際協定中獲取戰略利益，但基於中國在量子數據安全方面的領先地位，中美在相關基礎研究領域的合作將有益於美國了解最新技術。

量子計算威脅傳統加密方法和安全通信

傳統的網絡通信通過數值計算的方式在信息發送方和接收方之間傳遞用以編碼數據的密鑰，而現有計算機難以反向進行大整數分解計算，因而無法破解密鑰，從而保證了通信數據安全。但是，於1980年代提出的新型量子計算算法被證明可以從原理上更快解決數值分解問題，若未來的量子計算機成功運行，將威脅現有加密方法和安全通信，使基因組、醫學和財務數據等涉及國家安全的信息面臨被竊聽、複製和解密的巨大風險。因此，美國正在努力開發可在經典計算機上運行的後量子密碼方法（PQC），以及基於量子信道的量子密鑰分發方法（QKD）。未來的網絡信息安全可能需要基於數學的PQC和基於物理的QKD的混合，其中前者為經典數據通道所需的身份驗證提供安全性，後者確保密鑰的安全傳輸。

量子密鑰分發方法（QKD）在加密安全方面的優勢

QKD以量子態為信息載體，量子信道負責傳輸量子密鑰，經典信道負責傳輸測量基等額外信息。由於量子力學的測不準和量子不可克隆定理，量子密鑰以0和1的疊加態存在，直到被測量設備檢測，正確的測量基才能得到正確測量結果，錯誤的測量基將改變量子態。因此，攻擊者將無法複製量子密鑰，竊聽行為也將被發現。QKD較傳統加密方法可以改善軍事通信安全性，防止通過間諜活動獲取國家優勢信息。加快QKD研究一是為了防範對手對自身QKD系統的攻擊，二是可阻止對手安全使用QKD系統，驅使其使用安全性較低的通信方式，並對此加以利用。

各國在QKD等量子信息科學領域的進展與競爭情況

美國、日本、加拿大、新加坡及歐洲國家率先開始QKD系統的研究和部署，從研究點對點的QKD系統開始，致力於構建量子安全信息交換網絡。例如，美國DARPA於2003年在波士頓建立了第一個QKD網絡；歐洲於2008至2009年開展的FP6項目將多個QKD系統集成到維也納的QKD主系統中；2010年，日本開發了一種具有視頻加密功能的QKD網絡。而如今，中國已在QKD研究和開發中處於領先地位，尤其在使用糾纏光子和大型陸地量子網絡的天基QKD等幾個特定技術領域。2020年，中國完成了北京和上海之間跨越2000公裡的600多個光纖骨幹鏈路搭建，擬建立跨越北京、濟南、上海和合肥四個城市的量子網絡。此外，各國的關注點不同，美國和西方其他國家側重於對量子計算技術的研發，並主要由大公司推動；中國致力於QKD研發，體現出高層領導人對網絡安全的關注。

建議

文章認為，推動美國與歐洲國家、韓國、澳大利亞、日本等其他國家政府、企業和學術機構間的量子信息合作，有利於美國量子信息科學的發展和減少戰略失誤。同時，考慮到中國在多個QKD技術領域的領先優勢、QKD系統無法被竊聽的安全特性，以及兩國未來在網路安全和太空活動等方面的合作空間，美國應繼續與中國在量子信息科學領域進行技術交流與專家合作。

作者簡介

賈舒喆 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所戰略部，研究助理

研究方向：科技戰略、金融科技

聯繫方式：jshzh@drciite.org

作者丨賈舒喆

編輯丨翟麗影

研究所簡介

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