量子计算机对现代通信的安全性构成了巨大威胁,破译了将使常规计算机永远破解的加密代码。但是,利用量子行为的属性也可以提供真正安全加密的途径。

各地的国防,金融,社交网络通信都依赖于加密安全。密码学涉及根据代码或密钥来混淆消息,这些代码或密钥具有太多组合,即使是非常强大的计算机也可以尝试。

但量子计算机具有优势。与以明确的零和零的“位”处理信息的常规计算机不同,量子计算机以“量子比特”处理信息,其状态在最终计算之前仍然不确定。

结果是量子计算机可以有效地并行尝试许多不同的密钥。对常规计算机来说难以理解的密码学可能只需几秒钟即可破解量子计算机。

可用于破解加密的实用量子计算机预计将持续数年甚至数十年。但这不应该是任何保证:即使黑客现在无法破译机密信息,他们也可以保存它并等到量子计算机可用。

“问题已经存在,”西班牙巴塞罗那光子科学研究所的Valerio Pruneri教授和量子安全项目CiViQ的协调员说。“黑客可以采取现在存储的内容,并在以后打破它的密钥。”

普鲁内里教授说,答案是另一种量子技术。它被称为量子密钥分发(QKD),它是一组用于加密信息的规则 - 称为加密协议 - 即使是量子计算机也几乎不可能破解。

窃听

QKD涉及共享随机量子密钥的两方,根据该密钥,编码一些单独的信​​息。因为在量子理论中不可能在没有破坏它的情况下观察某些东西,双方将知道是否有其他人窃听了密钥 - 因此是否安全或不共享他们的编码信息。

到目前为止,QKD通常涉及专业技术,如单光子探测器和发射器,这对实验室外的人来说很难实现。然而,在CiViQ项目中,Pruneri教授和他的团队正在开发一种与传统电信技术相结合的QKD变体。

他们已经创建了原型,并进行了一些现场演示。现在,研究人员正在与行业电信客户合作,包括西班牙的Telefónica,法国的Orange和德国的Deutsche Telekom,以创建符合各自要求的系统,希望第一批系统能够在三年内联机。

Pruneri教授希望创建高达100公里的高度安全的通信系统,适用于城市内的政府,金融,医疗和其他高风险行业。它甚至可以被日常消费者使用,尽管Pruneri教授说QKD目前比常规通信距离更短,速度更慢。

随机

与普通加密一样,QKD首先需要生成随机密钥 - 数字串。这些密钥越随机,系统的安全性就越高,因为密钥被猜测的可能性就越小。但问题是传统方法产生的数字通常不是完全随机的。

在这里,量子力学可以再次拯救。原子,光子和电子的行为被认为是真正随机的,这可以用作产生无法预测的数字的方式。

瑞士日内瓦大学的Hugo Zbinden教授说:“量子随机数发生器从量子物理学的内在随机性中获益,而经典的真随机数发生器是基于混沌系统,它是确定性的,在理论上,在某种程度上可预测的。”

量子随机数发生器已经存在,但为了使它们得到更广泛的应用,Zbinden教授和他的同事正在开展一个名为QRANGE的项目,他们正在提高速度和可靠性,并降低成本。目前,他们正在尝试开发具有“高技术准备水平”的原型 - 换句话说,原型证明该技术在现实世界中已经成熟。

这项工作是确保在对我们当前通信的安全构成威胁的同时量子方法也为更安全的系统提供途径的重要一步。

量子计算机威胁经典密码术,“Zbinden教授说。”量子密码学可以是一种解决方案,(但)它需要高质量的随机数。“