高速量子加密如何帮助保护未来的互联网

量子计算承诺计算速度达到以前无法想象的阈值。在这个大数据和新的数据驱动的科学发现的世界中，拥有可访问的量子计算技术有许多实际好处。然而，当前一代的安全代码和密码学依赖于具有现代能力的计算机需要太多处理时间才能成为威胁的原则。即将推出的量子计算机并非如此，需要一种新的密码技术制度来为银行、医疗保健、政府和军事系统提供安全性。

根据俄亥俄州立大学物理学教授 Daniel Gauthier 的说法，我们现在很可能拥有一台功能正常的量子计算机，它可能能够在不久的将来开始破解现有的密码代码。“我们现在真的需要认真思考可以用来保护互联网安全的不同技术，” Gauthier 说。

来自美国几所大学和新加坡一所大学的研究人员一直在努力开发一种商业上可行的方法来阻止量子计算机带来的安全问题。他们的解决方案是使用其他量子现象来提供可证明安全和高速的量子密钥分发。与许多影响深远的研究项目不同，这些研究人员使用商用现成组件构建了他们的系统，并利用了一种协议，该协议也可用于自由空间量子通道，而不仅仅是光纤和基于基础设施的量子通道。

该小组寻求解决的主要问题之一是早期量子密钥分发系统的低密钥生成率，这比传统的密钥分发系统慢几个数量级。由于密钥生成率如此之低，早期系统不适合与许多高数据速率通信过程一起使用。其他先前的工作以基于超导纳米线单光子探测器和量子比特（量子比特）的量子密钥分发系统为特色，这提高了但仍然限制了密钥生成速率。

“在这样的速率下，量子安全加密系统无法支持一些基本的日常任务，例如托管加密电话或视频流，”杜克大学物理学研究生 Nurul Tamir Islam 说。

与早期的量子密钥分发系统相比，这项最新研究提出使用高维 （d》2） 量子态或“qudits”，以提供更大的鲁棒性和更高的效率。Qudit 提出了一个有趣的承诺，因为可以在 qudit 上编码的位数是无限的，与 d 成对数缩放。Qudits 还可用于提高受单光子探测器饱和限制的系统中的密钥生成率，并且 Qudits 具有更强的量子通道噪声抵抗能力，与基于量子位的系统相比，它允许更低的误码率。

“它改变了光子的这些额外属性，使我们能够将获得的安全密钥速率几乎提高一倍，如果我们没有这样做的话，”以杜克大学物理学教授的身份开始这项工作的Gauthier 说在搬到俄勒冈州立大学之前。

这种新的量子密钥分发系统的安全性基于 qudits 的熵不确定性关系，这是一种最近开发的技术。这个新过程为相互无偏的状态启用了有限密钥边界，因此相对于连贯攻击是安全的。使用三强度诱饵状态方法估计单光子统计数据并提取密钥，可提取密钥长度的界限由测量数据确定。

“我们想找出系统中的每一个实验缺陷，并将这些缺陷纳入理论，这样我们就可以确保我们的系统是安全的，并且没有潜在的旁道攻击，” Islam 说。“所有这些设备，除了单光子探测器，都存在于电信行业，通过一些工程，我们可能可以将整个发射器和接收器安装在一个计算机 CPU 一样大的盒子里。”

鉴于量子计算对传统密码学和安全技术的威胁，需要更多的研究工作来实现商业上可行的系统来保护关键信息。如果这些加密系统可以在可访问的量子计算出现之前提供，我们可以避免即使是最安全的传统加密技术也很容易被黑客入侵的时代。　　

      审核编辑：彭静