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量子通信每秒4000组密码防黑客破解环球彩票登录

发布时间:2019-11-21 03:36编辑:环球彩票登录网址浏览(183)

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    ​量子通信每秒4000组密码防黑客破解

    上海交通大学的研究人员们就成功发现,QKD 这个方法并不完美,他们成功借由一种称为注入锁定 (injection locking) 的方式。通过将具有不同种子频率的光子注入激光腔 ( lasing cavity) 来改变激光频率的方法。如果频率差异很小,激光最终会与种子频率 (seed frequency) 共振。通过这些实验,在可信源假设上提出并证明了基于 MDI-QKD 的黑客攻击策略仍然有效,并成功取得量子加密信息。

    图2. 安全检测效率和维度之间的关系, 传输效率和维度之间的关系,

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    科研人员通过把Bell基测量和纠缠态的非局域性定量联系在一起,在光学系统中实验实现了与设备无关的对Bell基测量的度量。实验中不仅包含了对纠缠交换产生的两体纠缠的自检验,而且对纠缠交换前的两对纠缠态的独立性也进行了自检验。这使得实验结果具有非常好的鲁棒性,最终对Bell基测量的保真度估值达到0.87。

    该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目(No. 11690030,11690032)和国家自然科学基金面上项目(No.61272418)的资助。

    记者了解到,济南专网是继济南量子通信试验网之后,第一个真正商用的量子通信专网。济南量子通信试验网目前是世界上规模最大、功能最全的量子通信城域网。

    然而事实上可能并不会这么顺利。

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    电缆通信和光纤通信存在两个问题:  窃听手段简单 窃听者无法被察觉   这是两个非常严重的问题,虽然我们可以通过软件加密,比如经典RSA公钥加密算法,该算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大质数相乘十分容易,但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难,因此可以将乘积公开作为加密密钥。

    “老鼠”胜了这一局,下一步,研究人员易地而处,转而从防止被锁定着手,寻求补上量子加密破绽的方法。

    传输效率和维度以及用于安全检测光子比例之间的关系

    在这里,单光子成分就是研究人员需要的“甘甜的井水”,多光子成分就是“致命的毒液”,该“蒸馏”掉多少“致命的毒液”?科学家们想出了一个好办法:通过“诱骗态方法”来解决准单光子传输的安全问题。

    但 A 方传送给 B 的信息在此时只是一堆杂凑的量子状态,而不是真正有意义的信息,为了让 B 可以取得有意义的信息,发送方 A 就必须通过传统的信号通道发送一次性密钥 (one-time pad) 给作为信息接收方的 B,而这个过程就产生了量子通信的漏洞。

    图4. 攻击后多光子率和原始多光子率的关系, 多光子率增长率和原始多光子率之间的关系, 攻击后多光子率和原始多光子率以及插入间谍光子概率的关系, 多光子率增长率和原始多光子率以及插入间谍光子概率的关系

    ​​通过量子通信,可以实现信息传递的“绝对安全性”——一旦发现窃听或复制信息,可以立刻察觉。量子通信的前景被广泛看好,5年之后,市场规模将达100亿元左右。

    据悉,这是国际上首个针对Bell基测量的自检验的原理性验证实验,为实现量子纠缠网络的自检验、保障量子网络的安全性解决了关键难题。

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    同时由于量子不可克隆原理,窃听者Eve无法克隆任意量子态,于是在窃听者Eve在窃听量子信道时,就不得不销毁他所截获到的这个量子态微粒。   一句话总结:如果窃听者Eve窃听了信息,那么必然会对信息的信号产生影响,因此接收端Bob可以通过检测误码率,或者是跟发送端Alice协商,通过分析信号是否正常,来判断是否存在窃听者Eve。

    然而,现实还是相对骨感的,实际生活中的设备很难符合理论安全性证明的假设,这导致针对以 QKD 技术实作的某些设备的不完善性,仍可能持续遭受黑客的策略性攻击。

    提出的协议不仅更安全、更高效而且易于实现。研究团队仅使用延时光纤即为协议设计了可行的部署方案,证明以现有的技术条件完全可以实施该协议。

    这也导致了在香农发布了这一成果之后,根本没有人商业使用这种方式,据说只有莫斯科和华盛顿之间的通信,曾经使用过这种方法。

    到了现代,在网络上传播的信息中包含了庞大的个人隐私、财产,甚至国家安全的机密内容,因此我们需要更强大的加密技术来实现传输过程的信息保全工作。而量子通信技术的诞生,也让业界对所谓完美加密技术憧憬的实现更接近了一步。

    图3. 量子木马攻击策略, 量子木马防御策略

    他总结出了“一次一密”的无条件安全的条件,顾名思义即   密钥真随机且“只使用一次” 与明文等长且按位进行二进制异或操作   该方法的优点是理论上不可破译,且香农进行了严格的理论证明。

    从 20 世纪末期之后,量子加密技术来到世人面前,而世人也相信,量子加密代表的将是绝对安全的信息传输,未来从国家到个人的信息传递也将能得到更好的保护。

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    通过假信号判断“是否安全”

    黑客可以利用高功率激光照射到设备中,使其从内部的偏振器反射出来。反射的结果就表示了用于偏振与编码射出光子的方向,并从而得知其一次性密钥的内容。不过这只老鼠很快就被抓了出来。

    最近,南京大学计算机科学与技术系陈力军教授带领的量子通信研究团队在量子直接通信领域取得重要进展,研究成果发表在Scientific Reports期刊上(D. Jiang, Y. Y. Chen, X. M. Gu, L. Xie, L. J. Chen. Deterministic secure quantum communication using a single d-level system. Scientific Reports 7, 44934 2017)。

    电缆通信和光纤通信存在两个问题:  窃听手段简单 窃听者无法被察觉   这是两个非常严重的问题,虽然我们可以通过软件加密,比如经典RSA公钥加密算法,该算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大质数相乘十分容易,但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难,因此可以将乘积公开作为加密密钥。

    这时就得提到 QKD,这个量子密码学中最著名的应用,此技术能够在窃听者 (Eve) 的存在的假设前提下,让两个通信方之间分配安全密钥 (实验论文中将双方命名为 Alice 和 Bob)。在过去的几十年中,此技术已经取得了理论和实验成果,并为市场上现有的商用 QKD 系统提供了大幅增强的通信安全性。

    图5. 基于延时光纤的协议部署方案

    未来,一台台其貌不扬的黑色电话,将出现在济南市多个单位的业务部门。在检察院系统,对一些贪腐案件调查进行信息沟通时,通过量子通信电话可以保证信息安全性,不存在泄露或窃听;一些政府部门在政务信息的沟通中,通过它也可以做好机要信息的安全保护。

    量子加密通信技术商用火热,全球竞相投入背后存隐忧?

    (计算机科学与技术系 科学技术处)

    但其缺点是需要大量密钥,而密钥的更新和分配存在漏洞!即存在被窃听的可能性!   所以不解决密钥分发的问题,就不可能实现无条件安全。

    借由量子键分布 (QKD) 利用叠加和非克隆的量子机械性质,可以通过合并基于密码学专家 Claude Shannon 严格证明过的一次性填充算法,来保证最高的安全性。同时研究人员也在构建实用和商用 QKD 系统方面做了大量工作,特别是设计了用于检测光子数量分裂攻击单光子源漏洞的光子诱饵状态,并且测量设备无关量子密钥分发协议 (MDI-QKD) 进一步关闭了检测端的所有漏洞,从而形成了一个看似完全可靠没有瑕疵的量子加密传输过程。

    图1. 协议执行流程图

    而现在,我们可以通过量子力学原理,解决一次一密中的密钥分发问题。   于是在1984年,IBM公司的Bennett和加拿大的Brassard提出来了量子密钥分配的新概念,和对应的量子密钥分配协议——BB84协议。

    图丨 Quantum Xchange 宣布建设全美首个量子互联网

    量子通信(Quantum Communication)基于量子力学海森堡不确定性原理和量子不可克隆定理,以量子态为信息载体,可以在通信双方之间实现无条件安全的通信。自1984年Bennett和Brassard提出第一个量子通信协议以来,量子通信技术发展迅猛并受到世界各国学术界、企业界和政府部门的高度重视,成为研究的热点以及关乎国家安全的新兴产业。现有量子通信协议中应用最广的是量子密钥分发(Quantum Key Distribution),该技术可无条件安全的在通信双方分发密钥以加密、解密信息。但密钥分发过程中通信双方对基会造成大量光子的浪费,因而此类协议一直饱受低效问题的困扰。虽然有很多研究组试图通过不同方法提升量子密钥分发效率,但效果非常有限。

    自人类使用语言以来,通过密钥给信息加密的技术就伴随着通信需求而不断发展。特别是近几年,中国科学家已经将量子密钥分配技术作为一种不可破解的密钥共享方案,进行了深入研究。周飞向记者表示:“我们现在的量子通信运用单光子的编码传输。绝对的单光子传输足够安全,但现实应用还没有完美的理想单光子源。我们只能用准单光子传输(非理想的单光子),非单光子就是多光子,就有可能受到光子分束的攻击,这种攻击会使得其安全性降低。”

    文章来源:中国新闻网

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    从技术到产品,从研发到应用,济南专网测试的完成,意味着量子通信即将奔向商用领域。

    上海交通大学研究团队提出了一套方法,他们使用了一种被称为隔离器的设备,只允许单一光子在一个方向上行进,不过这个方法也不完美,由于该技术并不能完全阻绝非理想状态的光子行进方向,因此只能将入侵成功率从原本的 60% 降到 36%,而不能完全根绝。

    虽然已有相应的攻击和防御策略,但并没有相关工作深入研究攻击和多光子率之间的关系。针对此问题研究团队对量子木马攻击建模并得到如下结论:1、若攻击者在每个合法信号后插入间谍光子,会显著增加多光子率; 2、即使攻击者只在很少一部分合法信号后插入间谍光子,只要光源的原始多光子率足够低,也会显著提升多光子率。比如原始多光子率为5%,攻击者插入间谍光子的概率仅为10%,攻击后多光子率仍增长了95%。因此用户可以探测到Eve的攻击,这为量子木马攻击的防御奠定了理论基础。

    首先保密通信需要使用密钥,分别在发送端对信息进行加密,然后使用相同密钥在接收端解密。   基于此我的祖师爷,信息论创始人香农,在上世纪50年代对无条件安全做出过开创性的研究。

    此前,李传锋、陈耕等人已经实现了纠缠态自检验和高维纠缠态的自检验,然而对于Bell基测量,学术界一直没有找到合适的方法来度量其品质,因而无法对其准确性进行定量表征,更无法实现对它的自检验。

    因该类协议需将光子在合法用户间来回传输两次,攻击者Eve可以在Alice发送向Bob的合法信号后插入一个间谍光子,当Bob将信息编码到信号中并发送回Alice时,Eve截取间谍光子,对其测量可以获得Bob编码的信息,这种攻击策略称为量子木马攻击(Trojan Horse Attack)。因间谍光子不会对合法信号造成任何影响,因此Eve可以在不留下任何痕迹的情况下窃取Bob的信息。为防御这种攻击,Bob可以随机选取部分信号,用分束器对其分束然后对两个信号进行测量。如果系统受到Eve的攻击,则多光子率势必会增高,因此可以通过计算多光子率来判断系统是否受到攻击。

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    为解决量子密钥分发低效问题,2000年量子直接通信(Quantum Direct Communication)被提出。和量子密钥分发不同,量子直接通信可直接将信息编码到量子态中进行通信,它无需在通信双方分发密钥,避免了光子被浪费的问题,因此近年来受到广泛关注。研究团队基于成组传输和光子重排技术,使用高维单光子作为信息载体,提出一种确定性安全量子通信(Deterministic Secure Quantum Communication)协议。其中成组传输和光子重排技术保证了信号前向和后向传输的安全性。使用高维量子系统使协议实现了更高的安全检测效率和信息传输效率。

    为什么量子通信安全,而传统通信存在“隐患”?   我们都知道现在有线通信主要有两类介质,电缆和光线。我们在一些谍战片里都看过,为了窃听对方的电话,间谍直接爬上电线杆,然后把窃听设备接头插在电线上,就能截获电话信息。

    除了战争以外,对现代通信技术领域而言,保护与破解一直以来都是盾和矛之间的战争,一方面,信息保护者通过对各种加密技术的发展,以及相关计算硬件的改进,来达到更安全有效的加密机制,防止信息在传输过程中被截取,另一方面,信息盗取者也努力找寻各种加密技术的漏洞,意图在固若金汤的防护之下找出嗅探信息海洋的最佳方式,并从中获得利益。

    我国量子通信世界领先

    借由设置一个移位窗口并在之后切换光子回射的频率,Eve 原则上可以获得所有键而不需要终止实时 QKD。上海交通大学研究者通过观察注入光子的半导体激光器的动态,最终获得达到 60%的信息盗取成功率。

    信息安全是目前大众关注的焦点,使用量子技术对信息进行加密是目前最有效的办法。由于日常通信遭遇日益严重的黑客攻击和窃密威胁。

    根据 Quantum Xchange 的资料显示,该网络采用的 Quantum Xchange 自行开发 QKD 系统 Phio,而 Quantum Xchange 也在公司官网上表示,Phio 是美国第一个也是唯一一个量子安全网络,将保证商业企业和政府机构能够无视距离并且绝对安全地传输数据,提供重要数字资产的安全防御措施。

    商业价值百亿

    但值得注意的是,尽管量子加密通信技术成果发展受到全球瞩目,但不少安全专家仍质疑量子加密的有效性。由于量子加密技术太过前沿,还没有经过充份的严格测试与实地验证。而只有经过这些测试,才能使它得到持怀疑态度的密码学家的认可。

    “无条件安全”的量子通信日益受到重视。近日,我国首个商用量子通信专网——济南党政机关量子通信专网完成了测试。

    事实上,就在美国在 2018 年底开始有公司推出量子加密通信商用服务之际,全世界的量子加密通信网络也正在如火如荼的发展建置中,从美国、欧洲、亚洲都有多国正在布建自有的量子加密通信网络,其中有多项网络已经进入可以准商用的阶段,希望以此作为未来强化整体安全保护的重要基础。

    举例来说,由于测量光子的量子特性,使得其携带的信息随时都在改变,理论上,如果窃听者想要截取信息,就必须不断调整并监听通过光子传输的所有变化,A 方和 B 方可能在传输过程中不断的重复发送的过程,直到双方确定中间没有人可以监听到。

    据中科院量子技术与应用研究中心博士、济南量子科学研究院院长助理周飞介绍,济南专网8月份建成之后,在国防、金融、电力等领域将作为示范进行推广。量子通信技术被认为是“保障未来信息社会通信机密性和隐私的关键技术”,目前我国在这方面处于世界领先水平。

    加密技术最早被应用在军事上,两军交战时,情报的传递就必须经过加密,用特定的规则来打乱文字的排序,敌军截取了信息之后,除非掌握钥匙,也就是解密的规则,否则只能看到杂乱无序,或毫无意义的文字。

    济南党政机关量子通信专网(中国黑客协会)内的所有通信数据,都通过核心机房的专业设备,量子加密后,与周边数百平方公里的近200个终端进行保密通信。专网从5月起完成了50多个项目的测试,所有用户之间的通信实现了每秒产生4000多个密码的绝对保密性。

    二战期间,德国采用 Enigma 加密机来加密与解密文件,这是最早的自动化加解密流程,而现代电脑之父图灵,在成功攻破了 Enigma 加密机后,不只成功破解了德军的机密军情,更成为提早结束整个二战的最大功臣。

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    量子通信的罩门?一场猫抓老鼠的游戏?

    如今,“量子概念”正处在时代的“风口”。在黑客入侵等事件的影响下,“无条件安全”的量子通信日益受到重视。据业内专家估算,量子通信可应用于专网、公众网、云安全等特殊应用领域,未来5年左右,量子通信市场规模预计在100亿左右。

    图丨此次论文

    当信息以量子为载体时,根据量子力学原理,微观世界中粒子位置是不可能被确定的,它总是以不同的概率存在于不同的地方,这一点可以参考薛定谔的猫。而对未知状态系统的每一次测量都必将改变系统原来的状态。也就是说,测量后的微粒相比于测量之前,必然会产生变化。

    从传统加密到量子加密

    “有一口井,大家都想喝到其中甘甜的井水,但不幸的是,这井里混合了一种毒液,必须把毒液蒸馏掉才能尽情饮用健康的井水。那么问题来了:蒸馏掉多少合适呢?”清华大学教授、济南量子技术研究院院长王向斌这个有趣的比喻,指向了量子通信在工程化之前遇到的第一块“硬骨头”——量子通信的技术难题。

    2018 年 11 月美国公司 Quantum Xchange 宣布建设全美第一个量子互联网,从华盛顿到波士顿沿美国东海岸总长 805 公里,成为美国首个横跨串接州际的商用量子密钥分发网络。

    因为量子是能量最基本、最小、不可分割的单元。未知量子态无法精确克隆,只要有人试图复制,就会产生误码而被发现,这些特性保证了量子通信在传输过程中有了绝对安全性。

    记者3月12日从中国科学技术大学获悉,该校郭光灿院士团队在量子纠缠网络的研究中取得重要进展——首次实验演示纠缠交换过程的自检验。该研究成果近日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。量子纠缠是量子通信和量子计算的重要资源。在构建量子纠缠网络的过程中,不仅需要制备高品质的量子纠缠态,还需要在节点之间进行高品质的纠缠交换,才能把各个节点纠缠起来。

    但研究人员强调,要设想出不同的防制方式并不难,然而与这个入侵手法被发现并被验证的同时,他们也同时揭露了,与设备无关的量子密码学的其他物理缺陷是确实存在着的。

    因为,以上海交通大学团队所发表的研究来看,上海交通大学的研究人员们成功发现目前被广泛应用在量子通信中的 QKD方法并不完美,研究团队通过将具有不同种子频率的光子注入激光腔 ( lasing cavity) 来改变激光频率的方法,进而观察注入光子的半导体激光器的动态,最终居然获得高达 60%的信息盗取成功率。

    研究人员也指出,他们想为业界带来一个重要的信息,那就是量子加密还不如理想中的可靠,它是有缺陷、能被攻破的技术,而攻破这个最强的加密之盾的工具,却不是什么神兵利器,而是盾本身就存在物理缺陷。当然,这个问题的发现,对于那些已经开始提供量子加密服务的公司,以及他们的客户而言,都不会是太好的消息。

    纠缠交换需要通过Bell基测量来实现。比如一开始Alice这个节点上有A1和A2两个粒子是纠缠的,Bob这个节点上B1和B2两个粒子也是纠缠的,但是Alice和Bob的粒子之间不纠缠,Alice和Bob可以分别把A2和B2这两个粒子(通常是光子)发送到一个约定的地点进行Bell基测量,以测量消耗掉A2和B2两个粒子为代价,就可以使得处于不同节点的原本不纠缠的A1和B1两个粒子纠缠起来了。与设备无关的纠缠态和Bell基测量的品质检验被学术界称为纠缠的自检验,通过自检验可以在设备不可信的情况下依然保障构建的量子纠缠网络的安全性。

    量子通信通常在加密过程中使用了光子编码信息,由一方将光子发送给另一方,再由接收方来进行量测,并显示信息。然而这个过程中存在可能被突破的通道。

    不过加密与破解并不存在绝对的正邪关系,加密也可能用来保护,并传递对社会进行破坏的关键信息,破解加密也有可能是用来保护可能被相关恶意信息危害的人们。

    而此次上海交通大学研究团队的发现,就是一次测试,让我们重新思考过去一段时间被高度期望的量子加密技术,或许还未到成熟的阶段。

    根据《麻省理工科技评论》的报道,研究团队之所以会进行攻破量子通信加密技术的研究,正是因为希望提醒在量子通信持续快速发展的现在,许多公司甚至已经开始尝试提供商业化服务,但必须注意的是,这其中仍存有许多的物理漏洞缺陷,进而成为黑客攻击的可趁之机,毕竟,在网路安全重要性已然从个人隐私、企业机密、上升到国家安全之际,量子加密技术曾经被高度期望能够解决一些问题,但在此一新兴前沿技术真正开始为世界解决安全问题之前,势必要经历过最严苛最激烈的攻击,这不只是安全性的验证测试,在过程中,科学研究的创新也在一步步的推进,猫捉老鼠游戏的持续升级破关,在某一程度上,正是这个研究迷人之处。

    今日,一篇在预印本 arXiv 上发表的文章显示,上海交通大学研究团队近來在经过不断的实验与尝试之后,发现了现有量子加密技术可能隐藏着极为重大的缺陷,攻破这个最强的加密之盾却不需要什么神兵利器,而是利用“盾”本身就存在的物理缺陷。这个研究这将可能导致量子加密从原本印象中的坚不可破,转而变成脆弱不堪。

    据悉,量子网络可分为量子密钥网络、量子存储网络、量子计算网络3个阶段。现在我们国家建成的量子保密通信京沪干线就是量子密钥网络的具体应用,而量子存储网络则是量子密钥网络的下一个关键阶段,可以进行更为高级的量子信息任务。而在量子存储网络上,现在我们发展也很不错,已经获得非常重要的进展,当然还要感谢中国科学技术大学的潘建伟、包小辉研究团队,他们成功地将分离的3个冷原子量子存储器纠缠起来,为构建多节点、远距离的量子网络奠定了基础。

    网络安全研究人员已经指出,发送密钥的过程是可被破解的,由于这种信号的传输,通常是将数据以光子的偏振方式进行编码:举例来说,垂直偏振光子代表 1,而水平偏振光子则代表 0。

    通过在窃听者 (Eve) 端使用随机选择的极化瞄准器激光器中注入非共振光子,其中只有当 Eve 的选择与发送者的状态匹配时,才会发生移位频率的注入锁定。为确保发生这种情况,研究人员注入 4 个光子,每个光子具有不同的方向:水平,垂直和正负 45 度。然后他们等着看这是否会改变爱丽丝外出光子的频率。如果频率被改变,那么入射光子的极化就必须与输出光子的极化相匹配。

    到目前为止,量子加密通信技术的进展确实是让人兴奋的,这一点从许多公司针对投入商用服务跃跃欲试就可以看得出来,这背后隐含的是庞大且明确的安全通信需求。

    当然,密码学的发展也随着这样的攻防而越来越精进,从早期在书信中使用特定文字排序方式的加密,到后期使用电脑进行复杂编码的过程,可以说,从有了文字,信息加密就一直与人类历史共同发展至今。而攻破这个加密的过程,也同样成为人类发展史上的永恒挑战之一。

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