【IEEE好文分享】量子網(wǎng)絡(luò)解析：超安全網(wǎng)絡(luò)的未來

隨著量子計算的發(fā)展，現(xiàn)有的加密技術(shù)面臨被破解的風(fēng)險，因此量子網(wǎng)絡(luò)成為保障未來通信安全的解決方案。歐洲研究人員利用現(xiàn)成部件，成功發(fā)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(fā)（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(xiàn)有加密算法的時代做準(zhǔn)備。

2025年初，歐洲研究人員實現(xiàn)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(tǒng)通常需要低溫冷卻，但該項目使用的是現(xiàn)成部件和商用電信網(wǎng)絡(luò)。

此外，這也標(biāo)志著量子密鑰分發(fā)技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑，為構(gòu)建超高安全性的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ) —— 這類網(wǎng)絡(luò)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(xué)的奇特特性 —— 量子粒子的行為方式似乎違背了經(jīng)典物理學(xué)定律 —— 以一種與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(fā)送經(jīng)過特殊制備、處于量子態(tài)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(fā)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(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)運作的一些基本原理。

當(dāng)你在網(wǎng)上購物時，發(fā)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(fā)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(shù)，這涉及兩個數(shù)學(xué)上相互關(guān)聯(lián)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(fā)密鑰的方法最早于1975年在英國被開發(fā)出來，最初用于國家安全領(lǐng)域。它的出現(xiàn)早于互聯(lián)網(wǎng)，不過由于高度保密，發(fā)明者在20多年的時間里都不能對外談?wù)撨@項技術(shù)。后來，其他研究人員獨立研發(fā)出了類似版本，將其用于商業(yè)用途。

當(dāng)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(fù)雜的數(shù)學(xué)問題之上 —— 如果沒有密鑰，普通計算機可能需要數(shù)年時間才能破解。

為什么量子密鑰分發(fā)更具優(yōu)勢？

然而，量子計算機或許能極快地解密這些信息。面臨風(fēng)險的不僅是信用卡信息，還包括各國政府和大型企業(yè)持有的各類敏感數(shù)據(jù)。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(xiàn)。

因此，科學(xué)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(fā)便是其中之一。

借助量子密鑰分發(fā)技術(shù)，發(fā)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(xué)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(tài)，從而向發(fā)送方和接收方發(fā)出警報。

“當(dāng)前的加密技術(shù)依賴于難解的數(shù)學(xué)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(guī)組成部分，仍需數(shù)年甚至數(shù)十年的時間。

Rana表示，盡管研究人員已經(jīng)證明遠距離傳輸量子信號是可行的，但 “在整合現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和擴展傳輸范圍方面，仍存在許多技術(shù)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(wěn)定、超低溫的環(huán)境。即便量子計算機被成功研制出來，低級別的網(wǎng)絡(luò)詐騙者可能在數(shù)十年內(nèi)都無法接觸到這類設(shè)備。

而且，量子技術(shù)的全面推廣也不會一蹴而就。

“對于普通人來說，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施可能會在5到10年內(nèi)采用量子安全通信，而處理敏感數(shù)據(jù)的企業(yè)則可能在10到20年內(nèi)將量子安全技術(shù)應(yīng)用于高價值通信，”Rana說。

消費類設(shè)備或許會融入量子安全功能，但未來數(shù)十年，日常通信很可能仍會依賴傳統(tǒng)技術(shù)。

“確切預(yù)測很難，”Rana表示，“如今技術(shù)發(fā)展太快了。”

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