量子中继器提出背景

在攻防双方的军备竞赛中，信息安全行业将目光放在了量子加密和量子密钥分发(QKD)上。然而，这也只能解决部分问题。

量子加密，也称为量子密码，将量子力学原理应用在消息加密上，让除预定收家之外的任何人都无法读取消息。这种方法利用了量子的多态优势，结合其“不变论”，形成不会被隐秘中断或干扰的特性。

加密古已有之，从亚述人保护陶器制作工艺，到德国人用恩尼格码保护军事秘密。今天，威胁比以往任何时候都多。所以，一些人就寻求用量子加密来保护数据了。

在“传统”计算机上，加密是这么进行的：二进制码(“0”和“1”)被系统性地从一个地方发送到另一个地方，然后用对称（私钥）或非对称（公钥）密钥加以解密。对称密钥加密，比如AES，使用同样的密钥加密消息或文件；而非对称加密，比如RSA，使用两个相关联的密钥——私钥和公钥。公钥是共享的，但私钥只有应该解密信息的人才知道。

然而，以大质数难以被分解为基础的公钥加密协议，比如Diffie-Hellman、RSA和椭圆曲线加密(ECC)，却日渐面临威胁。业内很多人士认为，这些加密协议可被终端或边信道攻击绕过，比如中间人攻击、密码攻击和后门。作为该脆弱性的样例，RSA-1024不再被NIS认为安全，而边信道攻击已被证明对RSA-4096有效。

另一种担忧是：随着量子计算机的出现，该情况只会越来越糟。据称，只需5-20年，量子计算机就能快速分解质数了。当这种情况发生，每种依赖于公钥加密的加密通信，都会失效。

苏格兰爱丁堡龙比亚大学计算机学院教授比尔·布坎南说：“量子计算机不太可能破解对称加密方法(AES、3DES等等)，但可以破解公钥加密，比如ECC和RSA。互联网往往通过增加密钥长度来克服破解问题。所以我确实期待密钥长度的增加可以延长RSA和ECC的寿命。”

量子加密是长期解决方案吗？

解释量子加密

原则上，量子密码可以让你的被加密信息除了指定接受者外无人可读。量子密码被定义成“利用量子力学属性执行加密任务的科学”，而外行人的定义则是：量子的多态及其“不变论”，意味着该加密方法不会被秘密中断或干扰。

正如BBC最近在视频中生动演示的，该加密方式就好像手持冰淇淋站在大太阳下。拿出冰柜，暴露在阳光下，冰淇淋就完全变形了。一篇2004年的斯坦福论文对此解释得更好，论文中称：“量子加密采用光量子并依靠量子物理定律，而不依赖‘超大数’，这是一种非常先进的技术，可以保证私密性，甚至拥有无限计算能力的窃听者都无法窥探。”

布坎南从中看到了很多市场机遇。

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量子加密应用有可能替代现有隧道方法，比如SSL和WiFi加密，创建光纤网络上的完全端到端加密。如果光缆应用贯穿连接始终，也就没必要再在其他层应用加密了，因为物理层的通信就已经是安全的。

量子加密其实就在于量子密钥分发

艾伦·伍德沃德，英国萨里大学计算系客座教授，称量子加密被错误地理解了，人们实际上说的是量子密钥分发(QKD)——密钥交换问题理论上的信息安全解决方案。QKD中，微观量子尺度上分发的光量子，可以被水平或垂直极化，但对它进行观测就会扰乱量子状态。这就是量子物理中的不可克隆原理。

看到位相差，你就会意识到消息已被干扰，于是不再信任该消息。如果手握密钥，就可以恢复到对称密钥加密。QKD最终就是要替代公钥基础设施(PKI)。

布坎南对QKD信心十足：“我们目前在物理层端到端分发中没有合适的安全通信方法。WiFi条件下，安全仅通过无线信道提供。为保持通信安全，我们又在通信之上覆盖上了其他隧道方法，比如VPN或SSL。有了量子加密，我们就能保护整个端到端连接，无需SSL或VPN。”

量子密钥分发有哪些应用？

伍德沃德指出，QKD已经有商业应用了，东芝、Qubitekk和ID Quantique等供应商有提供。但QKD很昂贵，而且需要独立的基础设施，不像后量子加密一样可以运行在已有网络上。

中国在将QKD推向市场方面做了第一个吃螃蟹的人。今年早些时候，奥地利和中国科学家成功进行了首次量子加密的视频电话，比常规加密至少安全100万倍。试验中，中国人利用了其卫星“墨子号”——专为进行量子物理实验而发射的卫星，并使用了速率可达1Mbps的纠缠量子对。

伍德沃德称，使用公钥加密的任何事务，都可以用QKD，中国对此感兴趣的原因之一是：如果物理上安全，就可以避免来自美国国家安全局(NSA)和民族国家的监视。

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没有后门，也没有精明的数学技巧——椭圆曲线攻击，就是基于物理定律，比数学定律简单多了。

他预计，量子加密最终会用在政府、银行和其他高端应用中。“如今有几家公司在卖设备，确实有效，但也很贵，不过成本应该还会下降。人们可能会在银行和政府之类高安全领域首先看到量子加密的身影。”

其他样例包括：

牛津大学、诺基亚和 Bay Photonics 的研究人员发明了一套系统，可以加密支付信息，然后在智能手机和销售终端(PoS)间安全传输量子密钥，同时还监视对传输过程的任何黑客攻击活动。

2007年开始，瑞士的联邦和地区选举中就在用量子密码进行安全在线投票。在日内瓦，选票在中央计票站被加密，然后通过专用光纤将结果传输到远程数据存储设施。投票结果经由量子加密保护，而数据交易中最脆弱的部分——选票从计票站传到中央存储的过程，是无法被扰乱的。

名为Quintessence Labs的一家公司，正在为美国航空航天局(NASA)做义工项目，确保卫星和宇航员与地球间的通信安全。

小型加密设备QKarD，可令智能电网工作人员用公共数据网络发送完全安全的信号，来控制智能电网。

巴特尔实验室就在与ID Quantique合作，在其总部和华盛顿特区之间打造一条650千米的链路。去年，巴特尔就用QKD保护其俄亥俄州哥伦布市的网络。

实际问题和国家干预

然而，量子加密未必是信息安全的万灵丹。伍德沃德提到了在嘈杂混乱的宇宙中那居高不下的错误率——不可靠性，还有产生QKD所需单个光量子的技术困难。另外，基于光纤的QKD只能传输一定距离，于是你还需要中继器——“弱点”。

布坎南还指出了基础设施问题，端到端都需要宽带光纤。

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我们距离端到端全光纤系统还有很长一段路要走，因为通信信道的最后一公里往往还是铜缆。同时，我们是混合通信系统互连的，因而我们无法在端到端连接中保护物理通信信道安全。

不存在所谓万灵丹的说法。一些研究人员最近发现了贝尔定理中的安全问题，政府的涉入也有可能造成麻烦。毕竟，这是一个政客不懂加密的时代，机构总想破解端到端加密，特别喜欢在主流技术公司里安插后门。

于是，英国国家安全中心最近一份把QKD批得体无完肤的报告，也就不那么令人惊讶了。

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量子密钥分发技术有着严重的实际局限，解决不了大部分安全问题，对潜在攻击知之甚少。相反，后量子公钥加密体系，可对现实世界通信系统，提供有效得多的缓解措施，用以抵御未来量子计算机的威胁。

加密的未来有可能是混合

伍德沃德提到了密码学家和物理学家之间的一点小争议，尤其在所谓“绝对安全”的构成因素方面。因此，他们各自开发不同的方法。而伍德沃德也承认，他看不到这些不同方法融合的未来。

NSA去年开始计划转向量子辅助的加密，而NIST则是在推动后量子算法工作。欧盟在后量子和量子加密两方面都有努力，谷歌指望在其Chrome新希望系统中依赖后量子网格。

伍德沃德说：“我预计未来会是后量子和量子密钥分发的混合。在投钱进基础设施有意义的方面，你会看到QKD，终端用户方面，则会有数学方法可用。”比如说，QKD会是传输旅程的一部分，或许就是从用户到WhatsApp服务器这一段，而后量子加密则负责从服务器到消息收家这一段。

量子密钥分发无疑是信息安全行业令人兴奋的巨大机会，但在被主流广泛采纳成为现实之前，我们可能还要再等上一段时间。