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量子通信打造网络信息安全

供稿:中国工控网 2018/6/6 15:07:49

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2016 年 12 月 19 日,国务院印发“十三五” 国家战略性新兴产业发展规划,强调信息技术建设和发展, 量子通信作为重要的战略新兴产业方向,受到重点关注。

量子通信


量子信息是量子力学和信息科学两个学科的融合,其应用可分为量子计算和量子通信(Quantum Communication)。


量子通信是由量子态携带信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。而按照传输的比特类型、应用原理等,量子通信类型主要可以分为:量子密钥分配(QKD, Quantum Key Distribution)和量子隐形传态(Quantum Teleportation),二者具有较大的不同。


量子通信学科分类

 

量子密钥分配是使用量子态不可克隆的特性来产生二进制密码,为经典比特建立牢不可破的量子保密通信。目前量子保密通信已经步入产业化阶段,开始保护我们的信息安全


量子隐形传态是利用量子纠缠来直接传输量子比特,目前还处于基础研究阶段,未来将应用于量子计算机之间的直接通信。


由于量子密钥分配已经实现产业化,因此我们通常说的量子通信狭义上指的就是量子密钥分配或者量子保密通信。量子保密通信是目前唯一接近成熟应用的量子通信,也是中国科学家在全球技术领先的项目之一。简单来类比,量子通信可视作单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备,实现基于物理加密的保密通信。


经典有线通信主要通过电缆和光缆进行传输,两种方法在安全性上都存在窃听手段简单,窃听者无法被觉察等问题。在电缆通信中,窃听者可以将万用表或者示波器接在传输电缆上实现窃听。而通过光纤弯曲,使得部分光信号外泄并被相应的探测器探测到,从而实现光缆线路的窃听。


量子通信实现无条件的安全性


基于量子不可克隆定理和量子不可分割实现存在窃听必然被发现。 


量子通信的关键要素是“量子密钥”,它用具有量子态的物质作为密码,一旦被截获或者被测量,其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息,而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。


基于一次一密,完全随机实现加密内容不可破译。

 

用光量子通信网,虽然跟平常通信一样,却不用担心被窃听,相互之间通信绝对安全。这是因为,量子通信采用的是“一次一密”的加密方式,两人通话期间,密码机每分每秒都在产生密码,牢牢“锁”住语音信息;一旦通话结束,这串密码就会立即失效,下一次通话绝对不会重复使用,而且量子通信所提供的密钥无法被破解。


量子通信绝对安全原理


量子通信相比经典通信的优点


时效性高、传输速度快。 


量子通信的线路时延近乎为零,量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍,并且量子信息传递的过程没有障碍,传输速度快;


抗干扰性能强。 


量子通信中的信息传输与通信双方之间的传播媒介无关,不受空间环境的影响,具有完好的抗干扰性能,同等条件下,获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低 30~40dB;


传输能力强。 


量子通信与传播媒介无关,传输不会被任何障碍阻隔,量子通信的其中一种方式——隐形传态,还能穿越大气层,既可在太空中通信,又可在海底通信,还可在光纤等介质中通信。


量子通信的发展概况


1、量子理论的建立

  

1905年,Einstein引入光量子概念,成功解释了光电效应,并因此获得1921年度诺贝尔物理学奖。1913年,Bohr在卢瑟福原子模型基础上建立了原子的量子理论。1923年,发过物理学家de Broglie提出物质波的概念。1925年,德国物理学家Heisenberg建立了量子理论的第一种数学描述——矩阵力学。1926年,薛定谔建立了描述量子波形特性的偏微分方程式,即著名的薛定谔方程,给出了量子理论的第二种描述——波动力学。1927年,在意大利矩形的国际物理学讨论会上,Bohr作了关于量子力学的报告,被看作是量子力学的正式建立仪式。


2、量子通信的提出


1984年,来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议—BB84协议。该协议实际上是一个通过量子信道产生和传送密钥的方案。量子信道的载体是单个光子,可以用其偏振状态(极化方向)、相位或者频率等物理量来携带量子密钥信息。由于量子信道的非理想化,还需要采用经典信道来配合进行量子态测量方法的协商和码序列的验证。假定窃听者在不被察觉的情况下无法窃听量子信道的信息,然而能够在不篡改数据的前提下窃听经典信道的信息,此时可以证明密钥传输的安全性。利用量子密钥对通信信息进行逐比特加密后在经典信道上传输,理论证明可以达成无条件安全通信(也称之为绝对安全通信)。1991年,牛津大学的Ekert提出了E91协议。第二年,Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信——B92协议。


3、发展历程


从 1993 年到 2005 年这个阶段,实验技术发展迅猛。 1995 年,中国科学院物理研究所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。 2000 年,该小组又与中国科学院研究生院合作利用单模光纤完成了 1.1 公里的量子密钥分发演示实验。


2002 年至 2003 年间,瑞士日内瓦大学 Gisin 小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在 67 公里和 50 公里光纤中演示了量子密钥分发。


2005 年,中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了 125 公里光纤的量子密钥分发演示性实验。


2006 年,中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超 100 公里的光纤量子密钥分发实验。同时,美国 Los Alamos 国家实验室-美国国家标准局联合实验组和奥地利的 Zeilinger 教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过 100 公里量子密钥分发。 量子诱骗态打开了量子通信技术应用的大门,开始从实验室演示走向实用化和产业化。


2004 年,美国雷神公司组和波士顿大学在 DARPA 支持下建了世界上第一个量子密码通信网络; 2008 年,欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络” (SECOQC)研发项目组建的 7 节点量子保密通信演示验证网络运行成功;2009 年,由日本国家情报通信研究机构( NICT) 主导,联合日本 NTT、 NEC 和三菱电机,并邀请到东芝欧洲有限公司、瑞士 ID Quantique 公司和奥地利 AllVienna 共同协作在东京建成了六节点城域量子通信网络“Tokyo QKD Network”; 2010 年起,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室秘密构建了城域量子通信网络,直到 2013 年才公布。


量子通信技术已经获得了空前的发展,特别是 QKD(量子密钥分配)技术,已经可以进行上百公里的传输实验,并且大规模的 QKD 网络已经初步建成;量子离物传态技术也已经获得了传输 16 km 的实验进展。近年来的量子通信突破性进展层出不穷,尤其是随着关键量子器件技术的成熟,部分成果已经达到实用化水平,完全脱离了纯理论阶段,基本进入了应用阶段。


我国量子通信技术现状


我国在量子通信领域处于世界领先水平,已经实现了超过两百公里的安全信息传输,实用化安全传输距离已达到几十公里,量子通信网络技术已发展成熟。从目前的实际情况来看,将量子通信网络与现有网络进行融合是其最优的发展战略。我国量子通信技术经过多年研究,已经处在产业化阶段。



2016 年 8 月,世界首颗量子科学实验卫星——墨子号发射成功,我国成为世界上首个实现卫星和地面之间量子通信的国家。


2017 年 3 月,全球首条量子通信商用干线——沪杭干线正式全线接通, 该干线将实现杭州和上海两地间的量子安全级别语音电话、视频电话、文件传输业务。沪杭量子通信商用干线总长 260 公里,总投资 1.7 亿元, 沪杭量子通信商用干线作为全球第一条量子通信商用干线,标志着量子通信产业化时代的到来,拉开了量子通信产业市场化运营的序幕。


2017 年 9 月,世界首条量子保密通信干线——京沪干线正式开通。建成后的量子通信京沪干线,实现了连接北京、上海,贯穿济南和合肥全长 2000 多公里的量子通信骨干网络,将推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用。


专网的行业应用方面, 量子通信已实现在国内银行业的首次成功应用:安徽量子通信有限公司的量子通信系列产品于 2015 年 2 月在中国工商银行通过用户验证并投入使用,成功实现了该行北京分行电子档案信息在同城间的量子加密传输。

2017 年 9 月,我国第一个商用量子保密通信专网“济南党政机关量子通信专网”于在济南完成全网验收并正式投入使用,未来将向全省和全国推广。


量子通信列入国家十三五规划重点,上至国家顶层设计、国家领导人讲话,下至各部委工作部署,量子通信都是国家未来重点发展的方向。在最新的文件中即“发改委关于组织实施 2018 年新一代信息基础设施建设工程的通知”,提出要建设国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程,并对建设内容,指标要求,负责机构,投资要求做出了明确规定,相信量子通信新一期建设将很快落地。


基于量子密码技术的保密通信不仅可用于军事、国防安全,还可用于涉及秘密数据、票据,以及政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等国民经济各个领域和部门。 21 世纪信息科学从“经典”时代跨越到“量子”时代,将成为各国未来高技术的战略竞争焦点之一。


量子通信在信息安全领域的应用


由于量子通信绝对安全的特性,量子通信在军事通信、政府保密通信、民用通信上都将带来颠覆性的变革,未来市场容量极大。



在国防和军事领域


量子通信能够应用于通信密钥生成与分发系统,向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥,构成作战区域内机动的安全军事通信网络;能够应用于信息对抗,改进军用光网信息传输保密性,提高信息保护和信息对抗能力;能够应用于深海安全通信,为远洋深海安全通信开辟了崭新途径;利用量子隐形传态以及量子通信绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点,建立满足军事特殊需求的军事信息网络,为国防和军事赢得先机。


量子通信保密热线已经成为安保信息传输的重要路线,在国家最重大的场合经历了实际应用考验,并获得国家领导人的高度认可。十八大上,量子通信网络更是为中央会议提供了安全警卫信息通信的保障。


在国民经济领域和部门


量子通信可用于金融机构的隐匿通信等工程以及对电网、煤气管网和自来水管网等重要基础设施的监视和通信保障,促进国民经济的发展。


量子通信技术引领金融安全,未来在银监会与各相关银监局、各相关银行之间可建立一套切实可用的信息报送和管理系统,并且可进一步拓展到银行、证券、基金、期货等行业多种业务应用。


互联网应用开创“量子+”时代


2015 年 10 月,阿里云与中科院旗下国盾量子联合发布量子加密通信产品。目前双方已在阿里云网络环境建立了多个量子安全传输域(Quantum Portal),通过量子传送门实现同城数据中心互联组网,为客户提供无条件安全数据传输服务。


目前,量子通信在军工、政府,金融上的应用比较快,未来随着技术和产业化的逐渐成熟,量子政务云、能源云,量子白板、量子手机、量子 POS 机、量子签名、量子电话等产品将全面普及,很快会迎来“量子+”时代。


以量子信息技术为代表的第二次量子革命也一定会带来人类社会物质文明的巨大进步,同时也给了中国一个从经典信息技术时代的跟随者、模仿者转变为未来信息技术引领者的伟大机遇。


本文转载自微信公众号【传感器技术】

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