《網(wǎng)絡(luò)空間安全概論》課件7-6量子技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)空間安全的影響

目錄量子技術(shù)是信息領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)12基于量子密鑰分發(fā)實現(xiàn)無條件安全3量子計算機(jī)帶來量子攻擊4抵御量子攻擊-抗量子密碼12量子科技發(fā)展是國家戰(zhàn)略22020年10月16日下午中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。習(xí)近平強(qiáng)調(diào)，要充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。1量子技術(shù)是信息領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)3人工智能移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)量子技術(shù)是信息領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)4大數(shù)據(jù)量子技術(shù)5。量子技術(shù)的應(yīng)用量子計算突破傳統(tǒng)芯片的經(jīng)典物理學(xué)極限，實現(xiàn)比傳統(tǒng)計算機(jī)快百萬倍的計算能力。量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。取代傳統(tǒng)通信加密技術(shù)，理論上能實現(xiàn)無條件的密鑰安全。量子探測量子雷達(dá)實現(xiàn)遠(yuǎn)程反隱身探測。量子傳感器具有超高靈敏度和微觀尺寸。量子計量以量子物理為基礎(chǔ)的自然基準(zhǔn)取代實物基準(zhǔn)，可實現(xiàn)高計量精度，如冷原子鐘等。52基于量子密鑰分發(fā)實現(xiàn)無條件安全67量子狀態(tài)的疊加態(tài)7傳統(tǒng)粒子：任何粒子都處在一個明確的狀態(tài)，是否測量都不會改變狀態(tài)。量子：同時處在不同的狀態(tài)，只是這些狀態(tài)各自有不同的發(fā)生概率（量子疊加性），但是一旦被測量，狀態(tài)就被確定（量子態(tài)的坍縮）。8測量疊加態(tài)的結(jié)果是隨機(jī)的8傳統(tǒng)位元：任一時刻，非0即1，確定的量子位元：測量結(jié)果具有隨機(jī)性上帝擲骰子？9薛定諤的貓910愛因斯坦與波爾論戰(zhàn)10量子糾纏是波爾理論的一個“荒誕”推論-相隔甚遠(yuǎn)的兩個物體可以瞬間影響彼此的行為愛因斯坦：“如果你那套理論是對的，那是在鬧鬼?！?1愛因斯坦與波爾論戰(zhàn)11愛因斯坦得出這么一個結(jié)論，物理量的值是預(yù)先確定的，與是否執(zhí)行測量無關(guān)，這個就跟他的隱變量是一樣的，叫定域?qū)嵲谡摗Ａ孔恿W(xué)告訴我們，單個粒子的物理量在測量前是沒有確定狀態(tài)的

12潘建偉：從愛因斯坦的好奇心到量子信息科技12我們的世界不是決定論的。本質(zhì)上是不確定的，允許我們有自主意識，可以有自由的思想。上帝到底擲不擲骰子，跟人到底有沒有自由意志，某種意義上是聯(lián)系在一起的。所以說，我獨一無二，我有自主意識，我的行為可以影響體系的演化，這是量子力學(xué)和牛頓力學(xué)根本的不同13約翰·貝爾提出了一個實驗方案131964年，物理學(xué)家約翰·貝爾提出讓一臺機(jī)器不斷向兩個方向發(fā)射一對對糾纏光子，然后隨機(jī)沿著不同的角度，分別對糾纏光子的偏振方向進(jìn)行測量14局域隱變量？14無論它們相距多遠(yuǎn)，只要你測量其中一個光子，另一個光子也會瞬間發(fā)生響應(yīng)。這是愛因斯坦說的“鬼魅般的超距作用”15實驗驗證鬼魅般的超距作用152011年10月在青海湖首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。2017年6月我國率先實現(xiàn)千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)16量子糾纏證實了愛因斯坦的“幽靈”—超距作用的存在16任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的，宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系17關(guān)于墨子號172016年8月，我國發(fā)射了一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。在世界上首次開展四項實驗任務(wù)以達(dá)成兩大科學(xué)目標(biāo)：進(jìn)行經(jīng)由衛(wèi)星中繼的“星地高速量子密鑰分發(fā)實驗”，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行“廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗”，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；及進(jìn)行“星地雙向糾纏分發(fā)實驗”與“空間尺度量子隱形傳態(tài)實驗”，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。星地雙向糾纏分發(fā)實驗，就是通過向地面發(fā)射一對對糾纏光子，來驗證一下在量子力學(xué)中，“上帝”到底“擲不擲骰子”。18關(guān)于墨子號18第一個是星地之間的量子密鑰分發(fā)，在1200公里的距離上，目前每秒鐘點對點可以送十萬個安全密鑰，這比相同距離光纖的傳輸速率提高了20個數(shù)量級第二個任務(wù)是實現(xiàn)了德令哈到烏魯木齊，德令哈到麗江之間，距離都差不多是1200公里的量子糾纏分發(fā)，驗證了即使相隔上千公里，量子糾纏之間的詭異互動也是存在的。第三個任務(wù)是實現(xiàn)了上千公里的量子隱形傳態(tài)?！澳犹枴?/p>

實現(xiàn)的天地之間的量子通信，再加上

“京滬干線”

所實現(xiàn)的千公里級光纖城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，一起構(gòu)成了天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形。1919墨子號衛(wèi)星的實驗結(jié)果，以封面文章的形式發(fā)表在Science雜志上，這個實驗表明，中國科學(xué)家有能力在太空中，向相距1200千米的兩個地面站發(fā)送糾纏光子對，這就為將來發(fā)展一種基于量子糾纏的量子保密通信打下了基礎(chǔ)。20牽頭研制“墨子號”-潘建偉202017年9月9日，“中國版諾貝爾獎”-“未來科學(xué)大獎”第二屆獲獎名單在北京揭曉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士獲得“物質(zhì)科學(xué)獎”。單項獎金為一百萬美元。21。量子通信21量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏直接傳輸量子信息量子密鑰分發(fā)利用量子態(tài)不可克隆，分發(fā)密鑰22量子隱形傳態(tài)22原物的量子態(tài)在測量時已被破壞掉—不違背量子不可克隆定理未知量子態(tài)(量子比特)的傳送需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息(即發(fā)送者的測量結(jié)果)，傳送速度不可能超過光速—不違背相對論的原理。23量子密鑰分發(fā)232425現(xiàn)代密碼學(xué)中“不可破譯”的密碼

“一次一密”加密方式明文011010XOR110010

XOR=Exclusive-OR101000密文通道101000密文XOR110010011010明文如果 1）密鑰的長度=信息的長度

2）密鑰只使用一次“一次一密”原理上絕對安全 (Shannon1949)如何在發(fā)送者與接收者間建立密鑰？密鑰分配問題發(fā)送者Alice竊聽者Eve接收者Bob密鑰密鑰量子技術(shù)時代確保信息安全必須同時滿足兩個條件

26“一次一密”加密算法.這要求密鑰生成率要足夠高密鑰“絕對”安全.當(dāng)前使用的密鑰分配都無法確保絕對安全.

為了應(yīng)對強(qiáng)大的量子計算機(jī)

我們需要無條件安全的一次一密的加密方案

為了解決密鑰竊取和一次一密中密鑰分發(fā)的困難

我們需要借助量子力學(xué)的力量

2728量子密鑰分發(fā)28量子力學(xué)：測量過程對量子態(tài)產(chǎn)生擾動…10111000001101…10011010001101AliceBobEve量子編碼Errors隨機(jī)數(shù)發(fā)生器過高的比特誤碼率

竊聽者的存在29303132Alice

Bob

90

量子密鑰分發(fā)-BB84協(xié)議Alice/Bob隨機(jī)改變“發(fā)送基”/“測量基”Alice/Bob只保留“相同基”的數(shù)據(jù)

表示偏振濾光器對角線方向+表示偏振濾光器水平或垂直方向約定編碼規(guī)則0：左對角線方向和水平方向1：右對角線方向和垂直方向3334Alice’s比特值1001011101Alice’s編碼基

Alice’s偏振光子

Bob’s測量基

Bob’s實際測量結(jié)果**Bob’s比特值00011101相同基00101

:垂直-水平基;

:對角線基;*:沒有探測到光子（損耗）353536量子密鑰分發(fā)36無竊聽，A向B發(fā)送2n個光子脈沖，協(xié)議平均可以生成n個共享的密鑰比特B可以通過泄露給A若干位比特，以檢測是否有竊聽若捕獲并測量A發(fā)送的光子脈沖，再發(fā)送同樣的光子脈沖給B，但只能以1/2的概率猜對A的濾光器設(shè)置，因而發(fā)送給B的脈沖會引入錯誤，協(xié)議會發(fā)現(xiàn)竊聽。竊聽者存在單個量子誤碼率是25%37，A與B得到篩后數(shù)據(jù)后，通過公開信道交換部分篩后數(shù)據(jù)，比較誤碼率，確定有無致命性的竊聽3839量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用39在應(yīng)用方面，國內(nèi)外已有多款量子密碼商業(yè)產(chǎn)品問世。結(jié)合一次一密的加密技術(shù)，能達(dá)到無條件安全生成的安全密鑰用于其他需要使用密鑰的加密算法，如AES，DES。實現(xiàn)BB84協(xié)議的技術(shù)困難物理學(xué)家提出了若干量子密碼協(xié)議(如BB84),并從信息論證明,這類協(xié)議是絕對安全的任何真實物理體系都無法達(dá)到量子密碼協(xié)議所需求的理想條件,存在著各種各樣的物理漏洞,使得研制出來的實際量子密碼系統(tǒng)無法達(dá)到“絕對”安全,只能是“相對”安全這種相對安全的“量子密碼”是否可獲得實際應(yīng)用呢?答案是肯定的.如果能驗證真實的量子密碼體系可以抵抗現(xiàn)有所有手段的攻擊,就可以認(rèn)定這類“量子密碼”在當(dāng)下是安全的,可以用于實際.

40實現(xiàn)BB84協(xié)議的技術(shù)困難單光子源單光子探測器信道無干擾設(shè)備的非理想性需要身份認(rèn)證、密鑰存儲等技術(shù)改良配合412005年北京–天津125km量子保密通信演示網(wǎng)42中國科學(xué)院量子信息重點實驗室

2005年發(fā)明了量子密碼系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法,首次在商用光纖實現(xiàn)從北京到天津125km的量子保密通信演示2007年北京4節(jié)點量子保密通信演示網(wǎng)432007年發(fā)明了量子路由器,在商用光纖網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)4節(jié)點的量子保密通信2009年安徽蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)442009年構(gòu)造了蕪湖量子政務(wù)網(wǎng),演示了

量子密碼的實際應(yīng)用

當(dāng)前量子密碼的研究狀況45城域(百公里量級)網(wǎng)已接近實際應(yīng)用,密鑰生成率可滿足“一次一密”加密的需求,現(xiàn)有各種攻擊手段無法竊取密鑰而不被發(fā)現(xiàn)城際網(wǎng)的實用仍然相當(dāng)遙遠(yuǎn),關(guān)鍵問題是可實用的量子中繼器件尚未研制成功經(jīng)由航空航天器件實現(xiàn)全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò),建造這個網(wǎng)絡(luò)困難重重,除了密鑰安全性及高速率的密鑰生成器的問題之外,還有如何能實現(xiàn)全天候量子密鑰高速分配

郭光燦：量子信息技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來3量子計算機(jī)帶來量子攻擊46量子計算機(jī)47量子計算發(fā)展簡史示意圖

量子計算機(jī)48量子計算關(guān)鍵技術(shù)

量子算法與量子衍生技術(shù)分類

49量子計算能力的釋放還依賴于在具體問題與應(yīng)用領(lǐng)域的算法設(shè)計量子計算機(jī)50量子計算機(jī)將經(jīng)歷3個發(fā)展階段量子計算機(jī)原型機(jī).原型機(jī)的比特數(shù)較少,信息功能不強(qiáng),應(yīng)用有限,但“五臟俱全”,是地地道道地按照量子力學(xué)規(guī)律運行的量子處理器.IBMQSystemOne就是這類量子計算機(jī)原型機(jī).

IBMQ量子計算機(jī)51量子霸權(quán).量子比特數(shù)在50～100左右,其運算能力超過任何經(jīng)典的電子計算機(jī).但未采用“糾錯容錯”技術(shù)來確保其量子相干性,因此只能處理在其相干時間內(nèi)能完成的那類問題,故又稱為專用量子計算機(jī).“量子霸權(quán)”實際上是指在某些特定的問題上量子計算機(jī)的計算能力超越了任何經(jīng)典計算機(jī)

量子霸權(quán)52量子霸權(quán)是指量子計算裝置在特定測試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計算機(jī)的計算能力谷歌2019年發(fā)表于《自然》雜志的論文宣布實現(xiàn)了量子霸權(quán)。開發(fā)了“Sycamore”的54個量子比特的處理器。在世界第一超算Summit需要計算1萬年的實驗中，谷歌的量子計算機(jī)只用了3分20秒量子計算機(jī)53通用量子計算機(jī).這是量子計算機(jī)研制的終極目標(biāo),用來解決任何可解的問題,可在各個領(lǐng)域

獲得廣泛應(yīng)用.通用量子計算機(jī)的實現(xiàn)必須滿足兩個基本條件,一是量子比特數(shù)要達(dá)到幾萬到幾百萬

量級,二是應(yīng)采用“糾錯容錯”技術(shù).

谷歌542018年，谷歌就推出過一個72量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)——Bristlecone。量子計算機(jī)與傳統(tǒng)的電子計算機(jī)的最大區(qū)別在于量子態(tài)疊加性質(zhì)使得單個量子比特可以同時表示0和1兩種狀態(tài)1024個量子比特可以同時表達(dá)2^1024個數(shù)據(jù)。這就使得量子計算天然具備指數(shù)級的并行計算能力，可以輕松解決指數(shù)級數(shù)據(jù)空間的搜索問題。谷歌55google未來五年為了超導(dǎo)量子計算上大概會增加投入10億美元左右，他們希望通過十年左右能夠構(gòu)造出一臺大概能夠達(dá)到百萬比特的量子計算機(jī)，可以來破解2千多位RSA的密碼當(dāng)然，這方面我們國家其實整體上的水平還是不錯的，早在2012年的時候在拓?fù)淞孔蛹m錯上做了一些比較好的工作，近期已經(jīng)完成50個光子的高斯玻色采樣，按現(xiàn)在初步估計和數(shù)據(jù)分析，應(yīng)該能夠比google的量子優(yōu)越性大概快100萬倍左右。在超導(dǎo)量子計算方面，目前正在開展60個超導(dǎo)比特的量子相干控制，如果做成，大概在性能方面可以比google快三個數(shù)量級左右，這是目前正在開展的一些工作。（潘建偉）IBM的量子路線圖56量子攻擊57量子物理攻擊，難度較大1994年Shor提出了著名的量子整數(shù)分解算法，該算法使用量子計算機(jī)可以在多項式時間內(nèi)找到大整數(shù)的因子。Shor量子算法是一種專用搜索破譯算法，其擴(kuò)展算法能以多項式時間攻破RSA、DH和ECCGrover提出的量子搜索算法可以對無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的搜索加速。設(shè)在一個大小為N的無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間中有M個解，量子搜索通過大約N1/2次操作，可以找到一個解。Grover算法屬于一種通用搜索破譯算法，可以將密鑰長度縮減為原來的一半，直接威脅對稱加密算法

量子計算機(jī)的威脅58RSA的設(shè)計是基于大整數(shù)分解問題的困難性。據(jù)估計，破解2048比特的RSA算法需要2048*3個量子比特的通用量子計算機(jī)。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，目前超導(dǎo)量子計算機(jī)還停留在20-70個量子比特之間，而且尚未完成糾錯和全糾纏等運行Shor算法需要的功能。量子計算機(jī)的威脅59量子計算的快速發(fā)展，對當(dāng)前廣泛成熟使用的經(jīng)典密碼算法產(chǎn)生了極大的威脅和挑戰(zhàn)。一旦實用化量子計算出現(xiàn)，將導(dǎo)致當(dāng)前所使用基于離散對數(shù)、整數(shù)分解的公鑰密碼體制直接被攻破，并導(dǎo)致全球絕大多數(shù)的信息網(wǎng)絡(luò)不安全。60。量子計算機(jī)的威脅對當(dāng)前密碼系統(tǒng)的威脅一旦量子計算實用化，基于大數(shù)分解問題、有限域上離散對數(shù)、橢圓曲線上離散對數(shù)問題的公鑰密碼將被攻破，并且將降低對稱密碼的安全性。對長期保密性的威脅密碼算法的生命周期非常長，例如根據(jù)歐盟的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)需要50年的保密期，因此需要考慮的是數(shù)據(jù)在50年內(nèi)是否安全對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全的威脅互聯(lián)網(wǎng)中最重要、最常用的協(xié)議TLS、SSH等依賴于公鑰加密、數(shù)字簽名和密鑰交換算法60量子計算機(jī)的威脅