信息安全保护神量子通信解读

技术宅

量子通信加密 看上去高大上的技术

说到数据通信，作为网虫的我们几乎每时每刻都在使用。比如日常的手机通讯、QQ聊天、发送Email，这些操作都在使用通信来传输数据。目前主流的通信加密技术是非对称密码体制（也叫公钥加密技术），不过这种加密主要依赖的是算法加密（如现在的算法加密秘钥体系是RSA体系）。虽然RSA加密目前破解难度大，但是随着电脑计算能力和性能的不断提升，RSA的破解并不是不可能，随着量子计算机的出现，它就能够完全攻破RSA（图1）。

传统RSA加密技术

因此目前通信加密技术仍然存在一定的安全隐患，为了能够获得更为安全的加密，科学家对量子通信进行了研究。那么什么是“量子”？根据科学家的定义，量子并不是一种类似原子、电子之类的物理粒子，而是一种概念。例如，我们说一个“光量子”，是指一个光量子的能量是光能量变化的最小单位（图2）。量子通信加密正是基于光量子的一种先进加密技术，它是结合量子技术与现代通信技术的一种新兴通信技术，在理论上可实现无条件安全的链路数据传输，被认为是保障未来通信安全最重要的技术手段。

光量子示意图

安全加密的背后——认识量子通信加密技术

大家知道，如果要实现高强度的加密，首先我们就要保证数据传输介质的不可复制性，因为如果传输的数据被人为复制，那么他人就可以通过对数据进行分析从而进行破解。比如现在数据传输都是通过网线进行传输，这样很多黑客就是通过抓包就可以获取我们的通信数据。当使用QQ和好友传输文件时，黑客如果侵入我们的电脑，那么理论上黑客只要抓到足够的数据就可以轻易破解出你的传输文件。显然数据可复制性会给我们的通信带来一定的安全隐患（图3）。

黑客通过抓包可以窃取文件

量子通信加密则可以彻底杜绝可复制的安全隐患，在量子通信技术中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。例如我们现在通过QQ传输文件abc给好友B，采用量子通信技术后文件abc的信息被分解为单光子的状态。因为光在传播的同时还在振动，包括沿水平方向振动和沿竖直方向振动。这样我们只要把水平振动状态叫做“0”，竖直振动状态叫做“1”，利用这两个状态就可以加载一个比特的信息，从而将传输文件分解为计算机可以识别的“0”、“1”这种数字信号实现传输（图4）。

光量子文件传输图解

由于光量子是光能量变化的最小单位，它不可再分割，而且不能被复制。因此在文件传输过程中就彻底杜绝了数据被复制的安全隐患。当然光量子在传输过程中可能被窃听者截取，但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，如果窃听者对光量子状态进行改变，发送给接收方的光子状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方利用这个偏差就可以探测到窃听者对光子的测量扰动，从而使得接收者可以知道文件在传输过程中被窃取，密码验证自然失效，从而杜绝了数据泄密的可能。

其次，量子通信加密还使用了“一次一密”的安全加密方式。一次一密是目前最为先进的加密技术，它可以在每次双方通讯（可以精确到每秒甚至万分之一秒）的时候随机产生不同的密码，这种高频率密码数据借助光纤大容量数据吞吐可以轻松实现。在量子通信技术无线通讯中，假设A、B两人在使用量子通信加密的手机通话，那么在A、B两人手机连通的时候，量子通信的密码机会在每分每秒都产生密码，一旦A、B两人的通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用。这样即使黑客知道当前的通信密码，那么在下一秒又会产生新的密码，这种高频率、高强度的密码可以说目前没有什么设备可以进行破解，从而有效保证数据通信的安全可靠（图5）。

量子通信使用一次一密码图解

小知识

RSA加密和量子通信加密有什么区别

RSA加密使一种是用RSA算法进行的非对称加密算法，既能用于加密，也能用于数字签名，我们平时使用的网银、支付宝加密都是这一算法。其公钥和私钥是一对大素数（100到200位十进制数或更大）的函数，然后通过一定的算法实现加密与解密，不过RSA的安全性依赖于大数的因子分解，随着高性能计算机的出现，实现RSA破解并非不可能。量子通信加密则是一种“算法+光量子传输”的加密手段，和RSA只是一种单纯算法加密相比，它除了使用一定算法加密外，还借助光量子不可复制和无法分解的特性实现更为安全的加密。

量子安全通信 人人都需要的加密技术

说到数据通信的泄密，大到国家层面的窃听（如前段时间闹得沸沸扬扬的棱镜计划），小到我们在日常网络活动中泄露的各种隐私数据。随着互联网技术的发展和硬件性能的提升，我们都面临着数据通信泄密的威胁。显然我们都希望能够有更安全的通信加密技术来保护各种重要数据不被人窃取，量子通信加密技术利用光量子不可复制和一次一密的加密技术，可以让我们的通信更加安全。

量子通信加密技术看上去很神秘，其实现在已经有些行业投入了实用。早在2015年2月1日，工行就成功应用量子通信技术实现了该行北京分行电子档案信息在同城间的加密传输，这是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。当然作为普通消费者，我们更期待该技术早日在个人消费领域实现普及。试想一下，在量子通信技术普及后，情侣之间的亲密通话、总公司和子公司之间的重要商业数据传输、好友支付宝之间的转账，这些数据都只是在双方之间安全传输，这是不是会给我们的生活带来更多的便利呢？