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2018-11-17 15:36 来源:药都在线

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没有加密的完美加密方案 清华大学量子计算云平台领军人龙桂鲁教授提QKD新协议

http://www-c114-com-cn.aattt.cn ( 2018/10/19 07:50 )
(记者于立霄)

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如何加密(密码编码学)并防止被解密(密码分析学)一直是现代密码学中最重要的课题,而应对量子计算威胁并以实现保密和检测窃听为目标而生的则是量子密码学(区别于后量子密码学)。

根据量子力学,微观世界的粒子不可能确定它存在任何位置,即海森堡不确定性原理,粒子以不同的概率同时存在于不同的地方,位置与动量不可被同时确定;同时这意味着观察/测量粒子会改变其行为,即我们无法在不改变其行为的前提下测量出量子系统的特征,也无法在测量这些特性之前记录下整个系统的所有特征,这保证了我们不可能创造任意未知量子态的副本,即量子的不可克隆定理。

量子密码学便是利用这两个特性,构造安全的通信通道,使任何在信道上的窃听行为不可能对通信本身产生影响,从而达到使窃听失败的目的,以保证信道的安全性。

在量子密码学中最知名以及最突出的应用便是量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD),而且与依赖数学的后量子密码学(量子抗性公钥密码技术)不同,量子密钥分发依赖的是量子力学特性,即它对于量子计算机的安全性或者强度是由物理学特性决定的。

虽然从理论上证明了QKD方案是一种绝对安全的量子密钥分发方案。但是,由于现实应用环境、测量设备和量子信号源的非完美性,量子密钥分发系统在实际应用中并不能保证传输信息的绝对安全。例如光子探测器就容易受到"时移"、"强光致盲"等各种类型的攻击;窃听者还可以利用量子信号源的非完美性进行攻击,例如利用光源的非完美性进行"光子数分流攻击"。

为了解决这些问题,研究人员提出了许多可行性方案,其中包括使用诱骗态进行的量子密钥分发方案(QKD with the decoy-state method)和基于设备无关量子密钥分发(Device Independent QKD,DI-QKD)方案。后者的优点是:不需要掌握QKD设备的运转状态,就可以通过贝尔不等式来判断是否存在窃听者。但由于DI-QKD方案很难用于实际,Hoi-Kwong Lo教授,Edward S. Rogers等人又提出了基于测量设备无关的量子密钥分发协议(Measurement Device Independent QKD,MDI-QKD)。

近日,由中国四大量子计算云平台之一——核磁共振量子计算云平台NMRCloudQ项目组的领军人物清华大学物理系龙桂鲁教授,领导的一个研究小组在MDI-QKD的基础上又提出了一种基于EPR纠缠对的测量设备无关量子安全直接通信(MDI-QSDC)协议。

清华大学NMRCloudQ项目组,龙桂鲁教授(中)

清华大学NMRCloudQ项目组,龙桂鲁教授(中)

量子安全直接通信(QSDC)是量子密码学中一种独特的量子通信形式,信息不再经过经典物理信道而是直接通过量子信道传输。与传统的安全通信概念截然不同,QSDC不需要密钥分发、密钥存储和密文传输,并且完全消除了加密过程。因此,原则上避免了传统安全通信中与密钥和密文相关的所有安全漏洞。

同时在实际应用中各种设备缺陷的不可避免性更是造成QKD方案非完美的首害,在种种设备缺陷中,测量设备的设备缺陷是最突出和最严重。而MDI-QSDC协议则消除了与测量设备相关的所有漏洞,解决了实际量子安全直接通信中的关键障碍。

据介绍,该协议的优点十分突出,不仅有很高的安全性,而且该协议的实现非常容易;其次,这个协议在传输距离上相对于传统QKD系统也有很大的优势,具有可扩展的通信距离和高通信容量,即使在MDI-QKD系统中使用普通二极管发出的激光光源,它的通信距离也几乎是传统QKD系统的两倍。

MDI-QSDC协议图示。

MDI-QSDC协议图示。Credit:Science China Press

这是一种全新的量子通信协议,在该协议下不需要再依靠共同的参考框架。由于避免了设备以及信道的根本问题,实现这一目标将标志着远程甚至全球规模QSDC迈出了重要一步。

而在量子密码学之外,任何严重依赖量子纠缠性质的领域,例如凝聚态物理领域和多体系统的研究都将从中获益。

本文来自量子大观(微信公众号:C114-quantum)

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作者:北山   来源:量子大观

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