为快速、安全的量子通信铺平道路

量子密钥分发（QKD）将在下一代安全通信中发挥核心作用，大学研究人员的新软件有助于快速评估QKD的安全协议。

在安全量子通信的重大突破中，加拿大滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）的研究人员最近发现了一种评估QKD协议性能的有效数值方法。他们还开发了第一个可用的软件来快速评估QKD任何协议的安全性。

“鉴于世界各地的黑客活动，保密变得越来越重要。但它比通常认为的更重要，因为量子计算机可能在不久的将来上线，“IQC博士后研究员，发现和软件背后的研究人员之一Patrick Coles说。“量子计算机可能会破坏我们当前互联网安全的许多方面，这是基于某些问题的计算难度。这将是灾难性的。..因此，探索新的加密方法势在必行。

QKD的秘密集中在量子物理学的基础上，特别是海森堡的不确定原理。它允许被称为Alice和Bob的两方建立交换光子的共享密钥。由于光子的行为符合量子力学定律，因此您无法在不干扰量子物体的情况下测量它。因此，如果一个叫做夏娃的窃听者拦截并测量光子，它会引起爱丽丝和鲍勃可以检测到的干扰。没有干扰意味着爱丽丝和鲍勃可以保证他们共享密钥的安全性。

丢失和噪声会产生一些干扰，但小的干扰意味着 Eve 可以获得有关密钥的少量信息。通过描述如此大量的信息，Alice 和 Bob 可以以最终密钥的长度为代价将其从 Eve 中删除。QKD中的主要理论问题是如何计算任何给定协议的最终密钥的允许长度和实验观察到的距离。

“我认为量子物理学家能够在彻底改变我们进行秘密通信的方式方面发挥核心作用，并希望做出贡献，这真是令人难以置信，”科尔斯说。“我们的方法有三个主要优点：它强大、用户友好且相对快速。

他所说的“鲁棒”是指它可以处理任何协议，这令人印象深刻，因为以前的分析方法仅限于理想化的协议，没有实验缺陷。“我们的方法能够探索新的协议理念，特别是与现有光学硬件一起实现的协议，”Coles说。“此外，您的设备中的任何缺陷都可以在我们的软件中明确说明。稳健性对于分析真实、实用的系统至关重要。

到目前为止，世界上只有少数熟练的专家能够分析QKD协议的安全性。“我们的软件有可能将QKD分析带给更广泛的受众，”他指出。“您只需输入感兴趣的协议的描述，计算机就会进行计算。

然后是速度：“计算QKD协议的密钥输出本质上是一个优化问题，”Coles说。我们可以制作软件的主要原因是因为我们证明了一个数学定理，将问题重新表述为有效的可计算形式。运行我们的软件并获得问题的答案通常需要几秒钟。

而且，正如您可以想象的那样，QKD技术具有军事应用。“美国海军研究办公室对QKD感兴趣，用于海军舰艇之间的安全通信，”科尔斯指出。但对手也可能利用QKD，因此它回避了是否存在窃听潜力的问题。

随着量子计算的上线，量子安全密码学将变得必要。“这是指量子计算机无法有效攻击的加密方法，”Coles解释说。“但另一种方法是找到即使是量子计算机也无法有效解决的数学问题。

QKD不容易受到追溯攻击，而基于计算难度的方法则容易受到攻击。“追溯攻击是指窃听者记录密文和公钥，然后等待数年以提高计算能力，”科尔斯说。“一旦计算机变得足够快，窃听者就会获得私钥和明文。

因此，量子安全加密的未来很可能“最终成为QKD生成的密钥和通过计算困难的任务生成的密钥的某种组合，”Coles指出。

他说，QKD的未来进展将包括“全球网络，无论是在地面上还是通过卫星”。“我们需要为这些网络选择最佳协议，我们的软件应该是一个有用的工具，可以帮助指导这种选择。

审核编辑：郭婷