量子密鑰分發(fā) （QKD） 是一種使用量子加密信息的安全通信方法,。雖然 QKD 的安全性原則上是牢不可破的,，但如果實(shí)施不當(dāng)，攻擊者仍可能竊取重要信息。這些被稱為旁道攻擊,，攻擊者利用信息系統(tǒng)設(shè)置中的弱點(diǎn)來(lái)竊聽(tīng)秘密密鑰的交換,。

　　新加坡國(guó)立大學(xué) （NUS） 的研究人員開(kāi)發(fā)了兩種方法，一種是理論方法,，一種是實(shí)驗(yàn)方法,，以確保 QKD 通信不會(huì)以這種方式受到攻擊。第一個(gè)是超安全的密碼協(xié)議,，可以部署在任何需要長(zhǎng)期安全的通信網(wǎng)絡(luò)中,。第二個(gè)是同類首創(chuàng)的設(shè)備，它通過(guò)創(chuàng)建功率閾值來(lái)保護(hù) QKD 系統(tǒng)免受強(qiáng)光脈沖攻擊,。

　　“量子計(jì)算和算法研究的快速進(jìn)步意味著我們不能再將當(dāng)今最強(qiáng)大的安全軟件視為理所當(dāng)然,。我們的兩種新方法有望確保我們用于銀行、醫(yī)療和其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的信息系統(tǒng)能夠抵御任何潛在的未來(lái)攻擊,，”新加坡國(guó)立大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系助理教授 Charles Lim 說(shuō),。以及領(lǐng)導(dǎo)這兩個(gè)研究項(xiàng)目的量子技術(shù)中心。

　　面向未來(lái)的量子通信協(xié)議

　　通常,，在 QKD 中,，使用兩種測(cè)量設(shè)置——一種用于生成密鑰，另一種用于測(cè)試通道的完整性,。在2021 年 5 月 17 日發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一篇論文中,，NUS 團(tuán)隊(duì)表明，通過(guò)他們的新協(xié)議,，用戶可以通過(guò)從兩個(gè)隨機(jī)選擇的密鑰生成設(shè)置而不是一個(gè)密鑰生成設(shè)置中生成一個(gè)秘密密鑰來(lái)獨(dú)立測(cè)試對(duì)方的加密設(shè)備,。研究人員證明，為用戶引入一組額外的密鑰生成測(cè)量可以使竊聽(tīng)者更難竊取信息,。

　　“這是開(kāi)創(chuàng)該領(lǐng)域的原始協(xié)議的一個(gè)簡(jiǎn)單變體,，但由于數(shù)學(xué)工具的重大發(fā)展，它現(xiàn)在只能得到解決,，”Valerio Scarani 教授說(shuō),，他是此類方法的發(fā)明者之一，也是該領(lǐng)域的合作伙伴,?！撐淖髡摺Ｋ麃?lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)物理系和量子技術(shù)中心,。

　　與原來(lái)的“設(shè)備無(wú)關(guān)”QKD 協(xié)議相比,，新協(xié)議更容易設(shè)置，對(duì)噪聲和損耗的容忍度更高,。它還為用戶提供了量子通信允許的最高級(jí)別的安全性,，并使他們能夠獨(dú)立驗(yàn)證自己的密鑰生成設(shè)備,。

　　通過(guò)團(tuán)隊(duì)的設(shè)置，所有使用“獨(dú)立于設(shè)備”的 QKD 構(gòu)建的信息系統(tǒng)都不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤配置和錯(cuò)誤實(shí)施,?！凹词构粽邠碛袩o(wú)限的量子計(jì)算能力，我們的方法也能讓數(shù)據(jù)安全地抵御攻擊者,。這種方法可以實(shí)現(xiàn)真正安全的信息系統(tǒng),，消除所有旁道攻擊，并允許最終用戶輕松自信地監(jiān)控其實(shí)施安全性,，”林助理教授解釋說(shuō),。

　　首創(chuàng)的量子功率限制器

　　實(shí)際上，量子密碼術(shù)使用光強(qiáng)度非常低的光脈沖在不受信任的網(wǎng)絡(luò)上交換數(shù)據(jù),。利用量子效應(yīng)可以安全地分發(fā)密鑰,、生成真正的隨機(jī)數(shù)，甚至可以創(chuàng)建數(shù)學(xué)上不可偽造的鈔票,。

　　然而,，實(shí)驗(yàn)表明，可以將強(qiáng)光脈沖注入量子密碼系統(tǒng)以破壞其安全性,。這種旁道攻擊策略利用注入的強(qiáng)光反射到外部環(huán)境的方式來(lái)揭示保存在量子密碼系統(tǒng)中的秘密,。

　　在2021 年 7 月 7 日發(fā)表在PRX Quantum上的一篇新論文中，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員報(bào)告了他們開(kāi)發(fā)的第一個(gè)解決該問(wèn)題的光學(xué)設(shè)備,。它基于熱光散焦效應(yīng)來(lái)限制入射光的能量,。研究人員利用強(qiáng)光的能量改變了嵌入設(shè)備的透明塑料材料的折射率這一事實(shí)，從而將一部分光發(fā)射出量子通道,。這強(qiáng)制執(zhí)行功率限制閾值,。

　　NUS 團(tuán)隊(duì)的功率限制器可以看作是電熔絲的光學(xué)等效物，只是它是可逆的,，并且在突破能量閾值時(shí)不會(huì)燃燒,。它具有很高的成本效益，并且可以使用現(xiàn)成的組件輕松制造,。它也不需要任何電源,，因此可以很容易地添加到任何量子密碼系統(tǒng)中以加強(qiáng)其實(shí)施安全性。

　　林助理教授補(bǔ)充說(shuō)：“如果我們要將量子安全通信用于未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng),，就必須縮小量子安全通信的理論和實(shí)踐之間的差距,。我們從整體上做到這一點(diǎn)——一方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了更實(shí)用的量子協(xié)議,，另一方面,，我們?cè)O(shè)計(jì)的量子設(shè)備與協(xié)議假設(shè)的數(shù)學(xué)模型非常一致。這樣做,，我們可以顯著縮小差距,?！?/p>