2019, Vol. 45
近年来, 量子密钥始终是研究者关注的焦点和快速发展的主题[1-3], 世界各国都积极争取在量子加密技术上占据制高点, 而目前量子通信应用已形成商业化产品。量子密钥在被用于执行一次一密的加密方式时, 所得到的协议是无条件安全的[4], 其将量子密钥与密码应用程序结合, 可实现基于信息论安全的保密通信, 同时量子密钥具有真随机性, 对于保障内容安全也是合适的密钥资源。
然而，目前对量子密钥实际应用的研究较少，不及量子通信设备研究的发展速度。为此，本文对比保障内容安全的加密方式，介绍量子密钥的产生过程并调研其发展现状，同时分析现有量子密钥的应用场景。在此基础上，展望量子密钥的研究方向，在扩大应用场景和充分发挥量子密钥资源作用方面给出合理建议。
1 密钥形式保障内容安全是指保护信息本身的安全, 实现内容的保密性、可控性、真实性和可用性保护。保护内容的机密性主要采用对传输数据和存储数据进行加密的方式, 现有的密钥形式对比如表 1所示。
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下载CSV 表 1 密钥形式对比 |
经典保密通信中应用经典密钥对数据进行加密, 加密方式是基于数学理论, 对数据进行代替和移位操作。经典密钥分为对称密钥和非对称密钥2种。对称密钥是指加密密钥和解密密钥相同, 主要的密钥算法有AES[5]、DES[6]、3DES[7]、IDEA[8]等。对称密钥加密速度快[9], 可达到一次一密的绝对安全, 但经典信道中密钥传输是不安全的[10], 可以采用物理技术获取经典光纤信道中的密钥数据, 并且这种窃听行为不能被监听, 密码系统是对外公开的, 密钥一旦被窃取将无任何安全性可言。
非对称密钥包含一对密钥, 即公开密钥(公钥)和私有密钥(私钥)。发送方采用公钥加密数据, 接收方采用私钥解密数据, 公钥可在网络上公开传输[11], 解决了公共网络上密钥传输问题, 但加解密速度慢, 主要的算法有RSA[12]、Elgamal[13]、ECC[14]等。采用公钥加密, 公钥在信道上可以直接获取, 公钥加密方法基于数学理论, 以现有计算机的计算力破解非对称密钥需要很大的时间代价。理论上已经证明了量子计算机可大幅提高计算的并行度, 缩减对公钥破解的时间[15], 虽然目前的量子计算机技术还不成熟, 但传统密码系统面临严重的威胁, 目前能够保障信息内容安全的密钥只有基于物理学原理产生的量子密钥。
与经典密钥相比, 量子密钥在内容安全保障方面有绝对的安全优势, 它被证明是无条件安全的, 不受攻击者的计算能力影响[16-17]。量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)产生的量子密钥是对称密钥, 具有加密速度快和绝对安全的优点, 同时量子密钥在信道传输过程中安全可靠、不被窃取、可监听信道中的窃听者是否存在。量子密钥的安全性基于海森堡不确定性原理、量子不可克隆原理、单光子不可分再分原理、测量坍缩原理和量子纠缠原理等量子力学原理[2]。由于量子的不确定性原理和不可克隆原理, 量子密钥具有真随机性和在量子信道中的不可复制性, 即使拥有量子计算机也不能破解量子密钥, 因此可保证公共网络的密钥分发安全。
2 量子密钥分发网络 2.1 分发过程通过量子态的传递和量子态测量, 通信双方协商产生共享密钥的过程, 称之为量子密钥分发, 其过程如图 1所示。
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| 图 1 量子密钥分发过程 | |
量子密钥分发是以量子态作为信息传递的载体, 基于量子力学原理, 主要实现2个功能:1)在数据传输两端建立共享对称密钥, 为数据的保密传输提供密钥资源; 2)检测是否存在监听, 完成监听的追踪。通过使用量子密钥对数据进行加密和监听跟踪, 保障数据内容的安全可靠。由于对光量子的可控性强, 目前的量子密钥分配主要设备为光量子设备, 对光子进行量子态编码和量子态测量。量子密钥分配的通信方式主要采用双信道通信方式, 利用量子信道进行量子态传递、经典信道进行密钥确认并传递加密数据。
量子密钥分配分为2种:1)离散变量QKD, 其对单光子进行编码和测量, 代表协议有标准BB84协议[18]、B92协议[19]; 2)连续变量QKD, 其针对单光子的制备和探测困难的问题, 采用基于相干态、压缩态或纠缠态的密钥分发方式, 代表协议有诱骗态BB84协议[20]、测量设备无关QKD协议(Measurement-Device-Independent QKD, MDI-QKD)[21]、单向连贯协议COW[22]、Ekert91协议[23]。由于单光子制备困难, 因此研究者采用弱相干光源解决这一问题, 但也同样带来了一些问题, 例如不能做到绝对安全。目前发展较为成熟且应用广泛的协议是BB84协议和基于BB84协议改造的诱骗态BB84协议。
不同的QKD协议虽然从光源到测量设备都不相同, 但量子密钥分发过程大致相同。首先发送端随机选择量子态对光子进行量子态编码或者量子纠缠态编码, 通过量子信道发送接收端, 接收端随机选取测量基进行测量。同时发送端通过经典信道传递量子态编码的编码基, 如果测量基和编码基相同, 则把该数据作为协商出的量子密钥, 再将所选的密钥位置发送给发送端, 发送端和接收端同时拥有相同的密钥信息。
2.2 发展现状自从BB84协议[18]被提出以来, 世界各科技强国都在积极整合资源并投入大量人力物力促进量子密钥快速发展。美国在量子通信技术中发展最早, 1969年哥伦比亚大学的WIESNER提出利用量子理论可提升信息安全的设想[24], 并于1984年提出BB84量子密钥分发协议[18], 2006年Los Alamos国家实验室实现了基于诱骗态的107 km光纤量子通信实验[25], 2013年建成美国首个商业量子网络“巴特尔量子网络”[26]。日本基于量子密钥分发技术, 2010年在京东建成了有6个网络节点的城域量子通信网络, 名称为Tokyo QKD Network[27]。奥地利联合小组于2012年实现了143 km的自由空间量子隐形传态[28]。
中国量子保密通信技术起步相对较晚, 但发展迅速, 目前已在国际上处于领先地位。中科院吴令安团队于1995年完成了我国最早的量子密钥分发演示实验[29], 2000年完成1.1 km的全光纤量子保密通信实验[30]。随后中国科学技术大学潘建伟团队在量子保密通信技术领域做出了极大贡献, 2008年将基于诱骗态密钥分发安全距离突破至200 km[31], 2016年在国际上首次实现抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发, 安全距离超过404 km[32]。
对于量子密钥分发网络的评价标准, 最主要的两点是密钥可传输最远距离和密钥分发速率, 同时也包括对环境的适用性(如温度)、对设备要求(如信道材质、探测器材质)等, 本文根据近年来量子密钥分发网络的研究进展, 对量子密钥分发网络研究进行总结, 如表 2所示, 其中, SNSPD为超导纳米线单光子探测器, InGaAs为铟镓砷探测器。
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下载CSV 表 2 量子密钥分发网络参数对比 |
量子密钥分发过程中产生的密钥资源, 在保障内容安全方面可归纳为以下2种:
1) 完全随机的真随机数和随机数池。密钥协商过程中, 由于编码态随机和测量基选取随机, 所以协商出来的密钥是完全随机的真随机数。同时对随机数进行存储并周期性更新, 可形成随机数池。完全随机的随机数和周期更新的随机数池, 都是密码学中理想的密钥资源。
2) 分发安全的对称密钥。在量子密钥分发过程中, 通过量子信道传输量子态编码, 经典信道进行确认量子态测量基, 协商后通信双方同时拥有一个相同的密钥串, 该密钥为对称密钥, 与传统对称算法相结合可实现绝对安全的点到点链路通信。量子密钥分发成功后, 协商出来的密钥不需要经过量子信道和经典信道进行传输, 避免了密钥在信道间被窃取的可能性。
3.2 优缺点分析量子密钥的优缺点主要由量子物理学和量子密钥分发网络的优缺点决定。
量子密钥的缺点主要包括:
1) 密钥生成速率低, 传输距离受限。根据表 2量子分发网络参数表可以看出, 文献[32]量子密钥分发传输距离最长为404 km, 但密钥生成速率却只有3.2×10－4 bit/s。实现基于信息论的绝对安全要求一次一密, 即密钥长度与数据长度相同, 然而现有光纤网络传输数据可轻松达到Gb/s量级, 目前对于文献[39]百公里的城域网可达到Mb/s量级的密钥分发速率, 但也远不能满足实现绝对安全的要求。密钥生成速率低的原因为:单光子发生器制备速度慢, 采用弱激光制备光源也慢。单光子探测器探测速度慢, 探测的过程是个纠缠的过程。密钥生成速率受信道损失影响, 信道损失越大, 误码率越大。由于存在测量坍缩原理, 信道中如果存在DOS攻击, 则密钥率可降低至0。
2) 对设备的要求高。量子态的探测是量子系统和探测量子系统的纠缠过程, 其对光量子的探测设备要求很高[40], 目前主要采用超导纳米单光子探索器(SNSPD)和铟镓砷(InGaAs)探测器。同时光量子的传输对光纤的损耗要求也较高, 对于长距离传输采用超低损耗光纤, 有助于提高密钥分发速率。
3) 对环境的要求高。光量子态制备主要采用弱激光, 如果未及时散热, 会影响激光的稳定性, 从表 2可以看出量子密钥分发过程对温度的要求全部在0℃以下, 需要低温来保障实验环境。
4) 易受拒绝服务式攻击。由于量子的测量坍缩原理, 信道中窃听的监听行为造成额外的误码率, 当误码率超过阈值(例如对于具有单向经典通信[41]的BB84协议而言, 此阈值为11%), 共享的密钥则不可用, 因此方式对量子信道进行拒绝服务式攻击, 可造成量子密码系统不可用。
5) 应用费用高。量子设备及其对环境的高要求, 带来的经济上的缺陷就是采用量子设备进行保密传输的费用高, 与传统保密通信费用相比可高数倍。
量子密钥的优点主要包括:
1) 真随机。量子具有海森堡不确定性原理, 在密钥协商过程中产生的密钥资源具有真随机性。密钥的随机性越高, 对密钥的破解可能性就越低, 量子密钥是由量子物理特性决定的真随机数[42-44]。
2) 无条件安全。尽管在量子密钥分发初期与非身份验证原语相结合, 依赖于一些计算假设[45-46], 但身份验证机制之后的任何时间进行攻击, 都不能破坏生成密钥的安全性。利用该资源, 可实现一次一密的绝对安全通信[47], 无论窃听者多么强大, 都不可破译密码系统。
3) 分发方式安全。对称密钥是指加密双方具有相同的密钥, 一旦密钥被截取, 数据的安全性即不存在。因此, 对于分发方式的安全性具有极高的要求。量子密钥不需要经过任何信道传输密钥, 而是通过量子信道和经典信道协商产生, 如第2节所讨论的内容, 从分发方式的安全性来讲是绝对安全的。同时量子具有不可克隆特性, 在密钥协商过程中, 窃听者无法窃听和拷贝量子密钥。
4) 窃听监听。由于量子的测量坍缩原理, 如果量子信道中存在窃听者, 会引入额外的误码率, 当误码率超过阈值[41], 则表示有窃听者在, 以此监听是否存在窃听者。
5) 长度随机、实时更新。长度随机是指对加密数据量的大小选取密钥长度, 根据一次一密原理, 达到绝对安全加密。量子密钥分发形成的密钥池资源, 可以实现随机选取长度随机的密钥。量子密钥随着协商的持续进行, 量子密钥池实时更新。
量子密钥以其真随机、无条件安全和分发安全等特点, 在内容安全的安全性保证方面性能远超其他密钥, 但量子密钥分发和使用过程中仍存在密钥量少、传输距离不够等诸多问题。为实现密钥量足够多、传输距离远、对设备和环境不敏感的量子密钥系统, 满足量子密钥的实用化要求, 还需要进一步研究量子密钥分发网络。
4 量子密钥应用 4.1 现有应用场景量子密钥具有真随机、无条件安全、实时更新的特点, 采用量子加密可以做到内容绝对安全。现有量子密钥的应用场景如表 3所示, 其中场景可分为4类:根据量子密钥改造通信协议, 创建基于量子的新型通信模式; 对传统应用软件中的数据保护部分采用量子密钥进行内容安全保护; 将量子密钥分发、量子加密模块加入硬件设备, 构建新型保密硬件设备; 针对量子密钥缺点改造量子密钥的资源, 提供基础密码服务。
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下载CSV 表 3 量子密钥应用场景 |
利用量子密钥改造通信协议的方法如下:将通信协议中利用公钥和对称密钥分发、加密处理部分, 变成利用量子密钥分发产生的量子密钥资源, 同时由于量子密钥资源的特点, 产生新的解决方案, 不改变协议的整体框架, 在保证性能的同时, 提高协议的安全级别。为做到无条件安全, 也存在密码系统中加入一次性密码本(One-time Pad, OTP)的解决方案, 进行一次一密加密操作, 安全性提高, 但随着密钥量需求的增加, 协议的可用性降低。量子密钥改造现有通信传输协议, 实现光纤量子通信与传统网络相结合, 可达到高度可信的IP网络数据的加密传输, 通过量子密钥分发过程中量子密钥不可截获的特点, 实现无条件安全通信。改造后的量子保密通信网络可承载所有网络数据, 可应用的业务范围广泛, 如视频系统、电力系统、医疗系统、轨道运输管理系统等, 涉及国防、医疗、金融、政务等多个领域。
将量子密钥应用于应用软件中的应用方法为:利用量子密钥隐藏私有信息, 实现内容安全, 根据具体应用场景, 加密数据不同对密钥量和更新频率要求不同, 提出具体针对性的解决方案, 保障数据的完整、安全。
将量子密钥应用在硬件设备改造中的方法为:在DSP板、ARM板中嵌入QKD任务、加密算法、网络管理等模块, 目的是构建专业的信号处理, 产生一个高度安全的嵌入式系统, 通过点对点的公共网络将不同的安全的基础设施链接起来。基于量子密钥分发, 构建新型的嵌入式密码系统, 实现直接和便携的网络支持, 同时封装不必要访问的密钥数据, 提高系统安全性。
将量子密钥应用于密码资源改造时, 由于量子密钥资源有限, 利用有量子密钥与传统密码方法结合, 可产生更多安全可靠的密码资源, 构建密钥服务平台。采用这种方法会降低密钥安全性, 但可产生大量密钥资源为更多应用提供密码服务, 通过密钥服务平台给出的接口也可为未加入量子通信网络中的设备服务。
5 研究展望关于量子密钥的研究至今已经历30多年的发展，其应用已形成商用化产品，但在量子密钥与实际应用的结合以及改善量子密钥资源方面仍需要深入研究。此外，目前关于改进安全通信协议和建立新型安全通信机制的研究也存在诸多不足。为此，可根据量子密钥特点，将量子密钥与传统安全机制相融合，在保障内容安全可靠和通信系统健壮性的同时建立新型的安全通信机制。量子密钥现有的应用主要包括量子IPSEC、量子密钥应用于SSL VPN、身份认证、数字证书等，后续也可将其应用于各层通信协议。在扩大量子密钥应用方面，未来研究可从以下方面展开：
1) 根据具体业务特点以及对数据加密处理的不同要求，结合量子密钥对原有系统进行改造。根据量子密钥安全性依赖于量子物理学原理的特点，构建不依赖于人的新型应用，例如将其应用于区块链，利用量子密钥的加密特点，构建安全可信、去中心、分布式的数据库。此外，还可将量子密钥应用于彩票的发行，利用其随机性仅依赖于量子物理的特性，避免人为干扰产生的不公平。
2) 开发新型量子硬件设备，将量子密钥分发、量子加密过程和网络管理集成，从而提高系统安全性，在保证量子密钥资源随机性的同时提高密钥量。
3) 扩大量子密钥应用场景的瓶颈是量子密钥生成速率低，密钥量不能够达到绝对安全的加密要求。因此，可在不改动量子密钥分发设备的同时采用软件的方法，在保障随机性的同时提高密钥量，使其能够满足保障内容安全可靠的需求。
4) 为解决密钥量和传输距离受限的问题，最关键的是量子密钥分发网络的研究。量子密钥资源的改良受制于量子密钥分发网络的瓶颈，主要技术有量子密钥分发、量子存储、量子直接通信等。下一步可通过优化量子密钥分发网络，达到提高安全成码率和增长安全通信距离的目的。例如：研究量子隐形传态技术，实现基于量子纠缠分发的密钥协商的实用化，在保障安全性能的同时致力于提高传输速率；研究量子存储，实现从通过量子存储技术来改变现有密钥协商协议；研究量子直接通信技术，实现稳定的量子通信，不借助经典信道直接通过量子编码进行传输。
6 结束语量子密钥作为密码学的新型资源，具有真随机、无条件安全、分发方式安全、可实现窃听监听的特点，在保障内容安全上具有绝对优势。量子密钥分发产生的真随机数和对称密钥资源，可应用于更多的应用场景，提高系统的的安全性。目前对量子加密的应用技术仍不成熟，实用化商业场景较少，需要通过对量子密钥应用的深入研究，逐步优化量子加密技术，保障内容的安全可靠。本文通过对量子密钥特点、应用场景、应用方法的调研，总结其未来发展方向，指出后续可采用软件的实现方式扩大量子密钥应用的场景，通过量子密钥构建去中心化的架构、研究量子身份认证等，利用量子的真随机性提高安全性和公平性。
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