抵抗量子電腦問世的威脅,清大首次成功測試戶外量子加密通訊

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 26 日 17:15 | 分類 尖端科技 , 網路 , 資訊安全 follow us in feedly


量子電腦強大的運算能力讓我們看見了資安漏洞,以往被稱為絕對安全的加密手法,在量子電腦面前彷彿沒穿衣服的小孩。面對量子電腦,可以說最安全的加密通訊方法是「量子加密」。台灣雖然量子通訊技術起步晚,但也已端出成績,由清大前瞻量子科技研究中心團隊領先全台,首次成功實現戶外量子加密通訊測試。

全球投入量子領域研究已超過 20 年,在量子電腦出現之前,科學家還能說通訊方面擁有超級電腦也破解不了的「絕對安全加密」。然而美國科技龍頭谷歌在今年 10 月底宣布,他們研發多年的「量子電腦」僅花費 200 秒時間,就完成目前全球最快超級電腦需花 1 萬年才能處理完畢的數學運算,直接挑明未來資安將嚴重受到量子電腦的挑戰。

儘管量子電腦尚未真正問世,但顯然有必要開始防範量子電腦的威脅,科學家正在加快腳步發展能抵禦量子電腦攻擊的「量子加密」。1989 年 11 月,美國率先成功進行全球第一次量子加密通訊(但是距離只有 30 公分);2017 年時,中國成功發射全球第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」,並成功實現 1200 公里遠距離量子加密通訊(量子纏結光子方法)。

而台灣起步較晚,科技部從去年才開始有系統性的投入量子通訊技術研究,目前國內握有核心技術的專家也僅寥寥十來位,不過今年 7 月,清大前瞻量子科技研究中心副教授褚志崧團隊已成功實現 25 公里室內光纖量子加密通訊;今年 9 月則成功實現 4 公里戶外光纖量子加密通訊。

▲ 清大前瞻量子科技研究中心團隊合影。(Source:科技新報)

量子加密不僅無法被駭客破解,還能提醒接收者及發送者,有駭客正躲在某處嘗試破解傳送中的密鑰,可以迅速示警並停止傳輸密碼。為何量子加密能讓駭客無所遁形?這來自極低能量光子所展現的量子特性:光子此時無法被 100% 測量狀態。

測不準原理告訴我們,在量子力學中,只要有任何量測手法介入想測量一個粒子的性質(比如位置、動量),都會導致粒子狀態立刻發生改變,而利用光子在光纖網路內傳遞密鑰的「量子加密」便是仰賴這種量子特性:一旦有駭客嘗試攔截密鑰就會改變光子狀態,密鑰接收者可以透過監控儀器得知光子狀態改變,並立刻告知密鑰發送者停止傳輸。

雖然其他國家早已發展出戶外量子加密通訊,但清大物理系特聘教授牟中瑜指出,台灣在這裡擁有一個極具優勢的獨家技術:高效能單光子源。

密鑰位元傳送的第 1 個步驟是準備光子,一般都使用雷射衰減產生光子,然而這種方法可能一次產生多個光子,讓駭客有更多機會嘗試破解密鑰而不被發現;清大團隊對此掌握了一種高效能單光子源技術,每操作一次只會生產 1 顆光子,每顆光子隨機編碼一個位元,讓量子加密通訊更加隱密。

戶外場所由於有各種干擾,給量子加密通訊增加不少挑戰,褚志崧團隊於是把每個光子均勻散佈在數個脈衝波內,再讓光子進入數公里長的清大校園光纖網路傳遞密碼,光子陸續抵達接收端的「量子解碼器」後,被進行分析並產生完整密碼,這些完全保密的密碼最後經過「一次性密碼本」完成最終加密通訊。

雖然台灣的量子通訊技術才剛起步,但科學家們已跨出第一步,褚志崧團隊接下來目標在新竹科學工業園區旁建置一個量子加密通訊網路,希望為更大型的量子網路鋪路。

▲ 量子加密通訊網路規劃。(Source:清大團隊簡報)

(首圖來源:科技新報)

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