知新论点:“量子互联网”已经悄无声息地来到我们面前

2020-06-04 04:29 admin

量子互联网的到来可能比你想象中的要快,在大多数人都没有觉察到的时候,我们的互联网世界即将迈入到量子时代。新的时代也许和你猜想的不一样,朋友圈里疯传的所谓“量子卫星地图”、“量子高清照片”等东西,现在根本就是子虚乌有。但是,开启新时代的第一步就是建立新的规则,它将会保护我们的互联网、保护你的数据免受目前还不存在的新型计算机的攻击。

尽管名字很花哨,“量子互联网”并不会是某种未来新颖的在线导航方式。它也不会产生任何令人兴奋的新内容,至少在未来几十年内是不会的。量子互联网看起来与你现在使用的互联网大同小异,对你来说甚至感觉不到什么变化。但是,科学家和密码学家希望“量子互联网”不仅能抵御理论上的威胁,还能防范那些未来的、我们还没有想到的威胁。

那么,量子互联网到底能为我们做什么?科学家们的解释是,量子互联网的主要贡献,是允许以一种完全安全的方式进行网络加密通信,而且原则上是不会被窃取、被破坏的。简而言之,量子互联网有望在可预见的未来,保护我们免受黑客、网络窃贼甚至是最新型、最强大的计算机的攻击。

那么,什么是量子互联网呢?其实,就是当你把量子力学的奇怪规则,应用于计算机网络相互通信的方式时所发生的事情。

专业的说法,量子力学的解释是,最小的物体,如亚原子粒子,被限制在特定性质(例如,它们的能量)的不同值的列表中。当你不观察它们的时候,它们可能会进入一个状态的叠加,这意味着同时具有几个值,例如,最低能量状态和次低能量状态。但是,一旦它们被测量,它们就只假设其中一个值。你看到的值是根据一些固有的概率确定的。但是,你也可以纠缠这些粒子的状态,也就是说,当你重复测量很多次时,它们之间的联系似乎比你从两个遵循通常概率规则的独立事物中得到的联系还要紧密。

听起来是不是很奇怪?有些超出我们的想象?没关系,我们只需知道科学家们是怎么利用这些奇怪的规则的。

现在,研究人员正致力于将这些奇怪的规则整合到计算机和网络中。比如,依赖于量子处理器的计算机,基于量子位元,可以呈现叠加态或纠缠态,可以快速创建分子的精确模拟,增强人工智能,并且能比普通计算机更快地解决其他问题。遗憾的是,目前还没有一家公司在实验上能够证明量子计算机,可以在任何方面打败经典计算机。尽管,科学家们正在努力的尝试,但一台真正能达到如此超级算力的量子计算机可能还需要几十年的时间才能出现。

目前,量子计算机在解决当今加密技术方面具有先天的优势,它所应用的那些奇观规则,既可以造就完美的加密模式,又可以轻松破解当前的加密技术。其实,这正是最令人担忧的问题。

密码技术专家告诉我们,如果量子计算机真的问世,那么我们就需要为互联网做好准备,使其免受量子计算机的攻击。

今天,互联网通信是通过诸如(Diffie-Hellman)密钥交换或RSA (rivist - shamir - adleman)系统这样的算法来保护的。简单的说,这些算法使用一个数学公式将消息打乱,并插入一些非秘密密钥。解密消息则需要将加密的文本插回公式,并插入只有消息接收者知道的私钥。私钥和公钥在数学上是相关的,但是,要弄清楚私钥是什么却非常困难。所以,目前我们在互联网上的通信安全才得以保证。

然而,由于一种名为Shor算法的量子算法,当如今的加密方案面在对量子攻击时,将不再安全。幸运的是,目前还没有一台量子计算机可以强大到足以运行Shor算法,能够破解当今的加密技术。但从理论上讲,强大的量子计算机迟早都会出现,密码学家必须提前做好准备,设计一种全新的加密数据的方法以应对危机。

所以,当量子互联网真正来临时,你的上网操作和体验可能根本不会有什么变化。也许,只是链接到安全web页面的网络地址将以“httpq”开头,而不再是以“https”开头。而真正的变化则是在后台,一种被无法被量子计算机攻破的新算法将对在线通信进行加密保护。

这些变化被称为“后量子密码学”,它们即将到来。NIST(美国国家标准与技术研究院)早在2017年末,就收到了第一份关于后量子加密策略的意见书。一个月后,NIST的科学家们就选出了69名“完整和合适的”候选人。然后,在今年1月宣布了26名第二轮候选人名单。第三轮(或最终的算法选择过程)预计将于2020年至2021年进行,新的后量子密码标准可能将在2024年之前出台。

看到这里你可能会猜想,科学家们是在用“量子加密”来对抗“量子解密”吗?其实,“后量子密码学”只是在寻找量子计算机无法破解的经典算法,而并非采用所谓的“量子加密”。也许,这看起来令人失望,但我们只需知道后量子密码学是量子计算将给你的生活带来的最重要和最相关的改变。甚至,比特币的加密也面临着量子攻击的威胁。因此,这项工作和它带来的变化将有利于网络安全的整体发展。

在未来的一段时间里,密码学家会努力重建(网络安全)一些基础设施。在我们所有的数字平台上,改造网络最为基本的密码系统,为未来最好准备。

其实,后量子密码学只是第一步。科学家们已经制定了一个路线图,详细规划了量子技术运用于计算机网络的每一个步骤。不如,“墨子号”量子卫星已经允许研究人员通过在两个位置之间发送纠缠光子来传递加密信息,并在确认纠缠后,生成一个量子密钥供研究人员解码加密信息。

总有一天,“量子中继器”将会向网络上的计算机发送被称为光子的纠缠光粒子,以建立量子链路。这将允许用户访问类似于量子安全的私有Slack通道。在那里,网络中的每台纠缠的计算机都可以传递秘密消息,屏幕上还会有一个基于纠缠度测量的图标,向用户显示是否有人在窃听网络。目前,科学家正在研究一种方法来测试这样一个网络,而不需要依赖、信任它的制造商或中继器的制造商,以达成真正的安全。

最终,研究人员希望量子互联网将不仅仅只是一个安全的网络。未来,一旦量子处理器更加成熟,量子互联网将允许用户通过云上的安全量子链路来利用量子处理器的处理能力。这一点很重要,据目前而言,家庭使用的环境无法满足量子处理器的需求(比如接近绝对零度的温度要求)。

也许,量子处理器的量子链接可以让公众在遥远的未来获得想象不到的好处。关于这些好处也有很多推测,包括一些非常酷的东西。比如量子算法,它将使在线搜索信息更快,或者由于量子计算机对人工智能的潜在改进,游戏领域可能会取得革命性的进步。也许,这会导致出现一个量子区块链,由于量子无克隆定理(quantum no- clone theorem),人们不可能(按照物理定律的定义)怀疑某个东西的真实性等等。而这一切推测都不是既定的,也许它们永远不会发生,但如果没有量子互联网,它们肯定不会发生。

今天的量子计算机还没有任何杀手级的应用程序,而且可能几十年内都不会对你的计算机体验带来什么惊人的变化。但互联网将慢慢地纳入量子启发的安全协议,然后可能是实际的量子链接。也许有一天,你将会运行包含量子算法的程序。这一切终将会来到,现在我们只是迈出了一小步。