【IEEE好文分享】
隨著量子計算的發展，現有的加密技術面臨被破解的風險，因此量子網絡成為保障未來通信安全的解決方案。歐洲研究人員利用現成部件，成功發送了超過250公里的量子信號。該項目凸顯了量子通信和量子密鑰分發（QKD）的可行性，而各國政府也在為未來量子計算機可能破解現有加密算法的時代做準備。 2025年初，歐洲研究人員實現了250公里的量子信號傳輸。這一成就令人矚目的原因有很多，其中包括：盡管量子系統通常需要低溫冷卻，但該項目使用的是現成部件和商用電信網絡（https://spectrum.ieee.org/quantu ... on-commercial-fiber）。 此外，這也標志著量子密鑰分發技術發展的一個重要里程碑，為構建超高安全性的量子網絡奠定了基礎 —— 這類網絡能夠檢測竊聽者，且極難被黑客攻擊。 什么是量子通信？ 量子通信利用量子物理學的奇特特性 —— 量子粒子的行為方式似乎違背了經典物理學定律 —— 以一種與傳統網絡截然不同的根本方式傳遞信息。 “量子通信并非通過電線傳輸電信號或通過空氣傳輸無線電波，”IEEE高級會員Shaila Rana表示，“而是發送經過特殊制備、處于量子態的單個光粒子，即光子。” 如今的在線加密是如何運作的？ 量子密鑰分發是量子通信工具箱中最重要的工具。但要理解其重要性，你得先了解當今互聯網運作的一些基本原理。 當你在網上購物時，發送給零售商的信用卡信息會被加密（即打亂信息順序）。但在交易發生之前，你的電腦和零售商需要先約定一個用于加密的密鑰 —— 可以把這個密鑰想象成一個密碼。如果有人獲取了這個密鑰，就能解密信息并竊取你的信用卡信息。那么，你的電腦和零售商是如何安全地共享這個密鑰，避免被他人攔截的呢？ 他們采用一種名為公鑰加密的技術，這涉及兩個數學上相互關聯的密鑰。其中一個是公鑰，可公開獲取，但僅能用于加密信息；另一個是私鑰，僅由零售商持有，且只能用于解密信息。 這種安全分發密鑰的方法最早于1975年在英國被開發出來，最初用于國家安全領域。它的出現早于互聯網，不過由于高度保密，發明者在20多年的時間里都不能對外談論這項技術。后來，其他研究人員獨立研發出了類似版本，將其用于商業用途。 當零售商使用自己的私鑰解密你的密鑰后，你們雙方就擁有了相同的秘密信息。之后，零售商便能使用這個密鑰，在收到你的信用卡信息后對其進行解密。雖然竊聽者有可能截獲加密后的信用卡信息，但這種加密方式的安全性建立在極其復雜的數學問題之上 —— 如果沒有密鑰，普通計算機可能需要數年時間才能破解。 為什么量子密鑰分發更具優勢？ 然而，量子計算機或許能極快地解密這些信息。面臨風險的不僅是信用卡信息，還包括各國政府和大型企業持有的各類敏感數據。盡管目前還沒有已知的、足夠強大到能破解加密信息的量子計算機，但許多專家認為，這一里程碑可能會在2030年前實現。 因此，科學家和研究人員正急于尋找改進加密方法的途徑，而量子密鑰分發便是其中之一。 借助量子密鑰分發技術，發送方和接收方可以在不安全的信道上共享隨機的秘密密鑰，這些密鑰通常被編碼在光子中。然而，由于量子力學的奇特特性，如果有人試圖攔截量子信號，對其進行測量的行為會干擾量子態，從而向發送方和接收方發出警報。 “當前的加密技術依賴于難解的數學問題，而量子安全則基于基本的物理定律，” Rana說，“從概念上講，這完全不同，想起來確實很不可思議！” 量子倒計時 量子計算機和量子通信要成為我們生活中的常規組成部分，仍需數年甚至數十年的時間。 Rana表示，盡管研究人員已經證明遠距離傳輸量子信號是可行的，但 “在整合現有互聯網基礎設施和擴展傳輸范圍方面，仍存在許多技術障礙”。 此外，盡管過去幾年取得了顯著進展，量子計算機仍處于初級階段，其運行需要超穩定、超低溫的環境。即便量子計算機被成功研制出來，低級別的網絡詐騙者可能在數十年內都無法接觸到這類設備。 而且，量子技術的全面推廣也不會一蹴而就。 “對于普通人來說，關鍵基礎設施可能會在5到10年內采用量子安全通信，而處理敏感數據的企業則可能在10到20年內將量子安全技術應用于高價值通信，”Rana說。 消費類設備或許會融入量子安全功能，但未來數十年，日常通信很可能仍會依賴傳統技術。 “確切預測很難，”Rana表示，“如今技術發展太快了。” 了解更多：來自世界各地的通信工程師在IEEE通信協會的這個視頻合集里分享了他們開創性的研究和職業故事。這是一個了解通信技術創新不同視角的好機會：https://www.youtube.com/playlist ... QINm_0E5zpdyhYL6jdD。 |
