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抵抗量子电脑问世的威胁,清大首次成功测试户外量子加密通讯

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量子电脑强大的运算能力让我们看见了资安漏洞,以往被称为绝对安全的加密手法,在量子电脑面前彷彿没穿衣服的小孩。面对量子电脑,可以说最安全的加密通讯方法是「量子加密」。台湾虽然量子通讯技术起步晚,但也已端出成绩,由清大前瞻量子科技研究中心团队领先全台,首次成功实现户外量子加密通讯测试。

全球投入量子领域研究已超过 20 年,在量子电脑出现之前,科学家还能说通讯方面拥有超级电脑也破解不了的「绝对安全加密」。然而美国科技龙头谷歌在今年 10 月底宣布,他们研发多年的「量子电脑」仅花费 200 秒时间,就完成目前全球最快超级电脑需花 1 万年才能处理完毕的数学运算,直接挑明未来资安将严重受到量子电脑的挑战。

儘管量子电脑尚未真正问世,但显然有必要开始防範量子电脑的威胁,科学家正在加快脚步发展能抵御量子电脑攻击的「量子加密」。1989 年 11 月,美国率先成功进行全球第一次量子加密通讯(但是距离只有 30 公分);2017 年时,中国成功发射全球第一颗量子科学实验卫星「墨子号」,并成功实现 1200 公里远距离量子加密通讯(量子缠结光子方法)。

而台湾起步较晚,科技部从去年才开始有系统性的投入量子通讯技术研究,目前国内握有核心技术的专家也仅寥寥十来位,不过今年 7 月,清大前瞻量子科技研究中心副教授褚志崧团队已成功实现 25 公里室内光纤量子加密通讯;今年 9 月则成功实现 4 公里户外光纤量子加密通讯。

▲ 清大前瞻量子科技研究中心团队合影。

量子加密不仅无法被骇客破解,还能提醒接收者及发送者,有骇客正躲在某处尝试破解传送中的密钥,可以迅速示警并停止传输密码。为何量子加密能让骇客无所遁形?这来自极低能量光子所展现的量子特性:光子此时无法被 100% 测量状态。

测不準原理告诉我们,在量子力学中,只要有任何量测手法介入想测量一个粒子的性质(比如位置、动量),都会导致粒子状态立刻发生改变,而利用光子在光纤网路内传递密钥的「量子加密」便是仰赖这种量子特性:一旦有骇客尝试拦截密钥就会改变光子状态,密钥接收者可以透过监控仪器得知光子状态改变,并立刻告知密钥发送者停止传输。

虽然其他国家早已发展出户外量子加密通讯,但清大物理系特聘教授牟中瑜指出,台湾在这里拥有一个极具优势的独家技术:高效能单光子源。

密钥位元传送的第 1 个步骤是準备光子,一般都使用雷射衰减产生光子,然而这种方法可能一次产生多个光子,让骇客有更多机会尝试破解密钥而不被发现;清大团队对此掌握了一种高效能单光子源技术,每操作一次只会生产 1 颗光子,每颗光子随机编码一个位元,让量子加密通讯更加隐密。

户外场所由于有各种干扰,给量子加密通讯增加不少挑战,褚志崧团队于是把每个光子均匀散布在数个脉冲波内,再让光子进入数公里长的清大校园光纤网路传递密码,光子陆续抵达接收端的「量子解码器」后,被进行分析并产生完整密码,这些完全保密的密码最后经过「一次性密码本」完成最终加密通讯。

虽然台湾的量子通讯技术才刚起步,但科学家们已跨出第一步,褚志崧团队接下来目标在新竹科学工业园区旁建置一个量子加密通讯网路,希望为更大型的量子网路铺路。

▲ 量子加密通讯网路规划。

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