6G时代量子安全技术展望

2021-12-04邓萍萍

通信电源技术 2021年21期

关键词：密钥量子密码

邓萍萍

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

量子信息技术是基于量子力学，将量子物理、信息科学这两门学科交汇而形成的一门新型学科[1]。近年来，量子信息技术已成为国内外关注的热点，它的发展与应用对未来6G、物联网、人工智能等新兴领域的发展将起到颠覆性的影响。

1 量子信息技术基本原理

20世纪初期，多位著名物理学家在共同探讨后，定义描述微观界运行规律的学科为量子力学，进而产生了量子信息技术。

量子信息技术，即通过对微观粒子系统及其量子态的人工观测与调控，获取、传送与处置信息的一门技术。目前，人类对量子信息技术的研究方向主要包括3个，分别是量子计算、量子通信、量子测量[2]。

1.1 量子计算

量子计算是一种新兴的、颠覆式的、由量子态受控演化的计算模式，可打破现有经典计算的物理极限，在信息容量、处置速度、检测精度、安全性等方面能发挥巨大作用，进而显著提升现有人们获取、传送与处置信息的能力，有望将来为大多数科技领域的迅猛发展提供强有力的支撑。量子计算机是实现量子计算技术的物理装置，它运算数据的速度将以多项式级来增长，这将成为人类处理信息的颠覆性的手段[3]。

1.2 量子通信

量子通信是通过量子纠缠效应现象来传送信息的，主要包括量子密钥分发和量子隐形传态。量子通信技术可以很好地解决信息传输过程中的安全问题，显著提升通信的安全性，这将对未来6G通信网络和信息安全领域产生重大影响与变革。

1.3 量子测量

量子测量利用了人造微观量子体系的叠加态与相干性易受到外界环境的影响而变化的高灵敏度[1]，以此实现量子态的精密测量，对被测系统物理量进行转换和信息输出。相比传统的测量技术，它在测量的精准度、灵敏度和稳定性等方面都有明显的优势[2]。

2 量子信息技术的安全风险与挑战

2.1 量子计算突破传统密钥体制

量子计算的发展对科学和经济有着深远的影响，同时也关系到国家、社会与个人的信息安全。目前先进的安全存储技术主要包括对称和非对称加密，尤其是非对称加密，它能有效抵御使用传统计算机的黑客攻击，因此被用来保护当今社会大规模的关键信息。然而，随着量子计算的发展，利用量子叠加效应来实现并行计算，分解大整数和求解离散对数等复杂数学问题的速度能实现指数级的增长，从而实现快速破解大部分公钥密码[4]。因此在未来十年至三十年里，非对称加密预计可能被破译，大多数公钥密码算法的安全性将会受到威胁。

量子计算机可以通过破译现代经典密码算法，瞬间入侵这些系统，中断它们的操作并窃取受保护的数据[3]。同时，量子计算机也可以被用来获取私钥，以破坏公钥密码体制PKC系统中建立身份和身份验证的信任。因此，必须尽早考虑设计全新的公钥密码算法以实现量子计算安全，使人们有充足的时间利用新的安全解决方案来规避量子时代可能发生的安全威胁。

2.2 已有隐私数据的安全挑战

如今公钥密码技术运用于大量关键基础信息的存储，其中不乏具有长期隐私和安全意义的数据，比如个人信息、病史或遗传信息、青少年犯罪记录、有损品牌的信息以及敏感的知识产权、国家实验室之间的通信以及物理安全协议信息等。一些攻击者们正在收集和存储此类敏感信息数据，虽然目前搜集这种数据也许并不可读，且不存在安全威胁，但只要几十年内量子计算机得以被实现，这些信息将能被瞬间解密，并对被攻击对象产生极大的影响[3]。

量子计算机有望在未来十年内商业化，这将严重威胁到现代已有隐私数据的安全。针对量子计算机的指数级或多项式级的计算能力，人类需要设计一种全新的公钥密码算法。

2.3 量子通信无法真正实现信息论安全

量子通信技术的发展使人们的生活变得更加便利，理论而言，它可以真正实现密码无法被破译。然而，就量子通信技术本身而言，关键技术的应用还有待进一步完善和突破。

首先，量子通信的一次一密的原则要求必须满足密钥随机生成，密钥长度和加密数据等长，且不重复使用。如果量子密钥传输一定长的大数据，必须有等长的密码传输，它的传送的效率将低到无法接受的地步，可实施性非常差。

另外，普通环境下时刻存在轻微扰动、声音和光线等干扰，这些都可能导致量子比特的退相干，而当给定的量子比特退相干时会失去其叠加性，以量子方式进行计算所需的能力就会消失，最终影响量子密钥的传送效率。因此，大部分量子计算机都需要在真空和超低温条件等特殊环境下构建[3]。

最后，量子通信网络在传输信息的距离上是有限的，需要开发相应的量子中继器，使得在长距离上变得可行，而目前量子中继的技术尚未成熟。

2.4 后量子时代攻击无法感知

后量子时代，来自量子计算机的攻击几乎是无法被人们察觉的，这是因为攻击者可以轻松通过量子计算机破解出私钥，以此伪装成受攻击系统的用户。因此，受攻击网络中的用户需要注意出现的异常行为以检测攻击，但即使如此，也很难界定这个异常行为是由量子攻击还是其他类型的网络攻击引起的。非对称加密可被通用量子计算机攻破的那一日，将是一个隐形的珍珠港袭击事件，直到发现为时已晚，造成的损失已无法弥补[3]。幸运地是，有一个解决方案可以应对量子计算机攻击所带来的威胁，那就是必须优先研究和应用量子网络安全的关键技术。

2.5 延续经典密码体系的缺陷

软件的缺陷或者内部人员滥用数据访问权限，这类安全问题是加密也不能解决的。即使数学方法是无法攻破的，使用密码的方式也可能存在问题。例如，微软最近确定了两个无意中向公众透露其私有加密密钥的应用程序，这使得它们的通信变得危险。

物理安全是经典密码体系典型存在的安全问题，该隐患在量子信息技术研究领域同样存在。量子密码学被称为具有绝对的安全性，这意味着量子密码不能用数学方法来破译，只能通过各种物理方法入侵量子通信设备。如果说存在量子密码泄密的可能性，那只能是因为量子通信设备被攻击。

2.6 适应6G网络安全调整

目前5G的标准依旧是依赖于传统公钥加密技术，而未来十年内量子计算机的实现会使得绝大多数公钥密码算法变得不再安全，因此5G并不能解决量子计算的问题。预计6G网络的安全体系结构将会更加复杂，在当前的传输层安全标准的主导下，对公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）的依赖性越来越强，核心网络将完全依赖于底层PKI的功能和安全性。为了满足6G体系结构的预期性能和功能，需要进一步研究来确定量子安全密码的正确应用，并在在 6G 标准化和研究过程中发挥作用。

量子密码将与6G网络深度融合，以满足6G时代的安全需求，会面临6G新架构、新技术等挑战，对6G标准也有新的要求。因此，量子安全要从设计需求入手，结合6G网络的特点和架构，形成适用于6G发展的量子密码技术，以支撑高效安全的互联需求。

3 量子网络安全的应对策略

虽然量子计算会引起严重的网络信息安全威胁，但量子网络安全却可以利用同样的量子物理学原理对此提供相应的安全解决方案。

保障量子网络安全的主要措施，通常包括量子安全的技术、人员、制度三个方面。

3.1 量子安全关键技术应用

3.1.1 基于数学问题的后量子密码算法

正如非对称加密使用困难的数学问题来阻止传统的计算机威胁一样，后量子密码（ Post-Quantum Cryptography，PQC）将基于困难的数学问题尚未找到有效的量子算法，来抵御量子计算机的威胁。目前的挑战在于创造对这一目标有用的数学问题，使之无论在经典计算机还是量子计算机上运行，都是绝对安全的。目前研究的主要算法包括：基于格密码、哈希函数、编码理论和多变量的密码体制。

3.1.2 基于物理问题的量子密码技术

基于量子物理的密码技术主要包括量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子随机数发生器（Quantum Random Number Generator，QRNG）及量子数字签名等。QKD通过量子的信息载体进行远程秘钥分发，利用了量子的不可分割、量子态不可复制、量子测不准原则，实现密钥分发的“信息理论安全”。QRNG不同于经典力学的伪随机数，它利用量子力学的基本原理，产生真随机数，并通过添加真随机数，可获得最强加密密钥。

3.2 全面布局专业人才梯队建设

量子信息技术是量子物理与计算科学交叉形成的一门新生学科，入门难度大，准入门槛高。量子时代的到来尚且需要较长时间，但量子人才的培养刻不容缓，这关乎到我国在核心技术、综合话语权方面的国际竞争力，甚至将直接影响我国的国家安全[2]。近年来，国内外领军企业纷纷加入量子计算领域，但该领域研究人员数量依旧很少，尤其有计算机背景的研究人员，亟待填补巨大的人才缺口。

为弥补这一人才短板，我国需要加强对量子领域专业人才梯队建设的整体布局。首先，围绕量子前沿技术研究所需专业素养，重新规划高校在量子计算方向的学科建设，推动部分高校开设相关专业，并引导高校和企业协助联合培养，努力增加人才储备[2]。同时，立足市场环境，通过政策引导，鼓励企业通过内部培训、外聘专家等形式建设量子精英团队，帮助其了解量子计算及对本行业的潜在影响和未来前景[2]。

3.3 积极构建量子计算应用生态体系

一方面，加强产业协同合作，鼓励行业龙头企业在量子计算机的软硬件研发方面发挥主导作用；支持量子技术产业上下游企业通过等多种形式，加强产业协同和技术交流合作；加快形成国内量子计算全产业链发展格局[2]。另一方面，成立量子计算联盟，支持量子行业协会、相关科研机构和头部企业等深化合作，共同开展量子领域关键共性技术研究，推进量子技术的标准化[4]。

4 量子技术的国内外发展态势

20世纪90年代以来，量子技术的研究进入了一个快速发展的时期，且目前已成为世界前沿科技的一大热门，世界主要国家高度关注量子信息技术发展，纷纷加大政策和资金投入，努力抢占量子技术革命的制高点。

我国历来重视量子信息技术的研究、应用与建设，近年来更是逐步加大对量子领域的支持力度，先后启动“自然科学基金”、“863”计划、“973”计划等一批重大专项计划，以支持量子信息技术的技术研发和应用[4]。

近几年，我国在量子技术领域研究发展迅速，在量子通信方面处于不可撼动的领先地位。2016年，我国成功发射世界上第一颗自主研制的量子科学实验卫星“墨子号”，初次实现了地星直接量子通信。2017年，我国的量子保密通信“京沪干线”通过验收，它成功搭建了一个从上海到北京、几乎无法被攻破的2 000公里的量子保密通信骨干线路，为世界量子保密通信网络的建设奠定了坚实的科学技术基础[6]。

5 6G时代量子技术展望

当前人类对6G技术的研究还处于起步阶段，对技术路线、关键指标与应用场景还没有明确统一的定义，但预计其速度将是5G技术的1 000倍。正如5G为物联网而生，6G将为量子计算、DNA解码等人工智能科技而生。据加拿大国家科技术发展署（NSTDA）统计，5G与6G网络、量子计算、人工智能（AI）和移动服务是未来五年最具影响力的关键技术。

6G将能够应用于量子计算和量子通信工程，并推动物联网和传感器技术的进步。同时它可实现更强大的计算，解决复杂的计算难题，如解码DNA[7]。量子计算和通信可以与6G相结合，提供高安全性和远距离的量子联网网络。它将与6G共同成熟，并可能在6G 标准化和研究中发挥作用。

预计在6G时代，量子计算技术将得到大规模应用，它将连接整个物联网中的人、个人装置、机器和动物，计算能力和计算密度也可能呈现倍数级的增长，6G超高速的网络连接速度将于超高速的云端数据中心结合，实现超高速计算。