量子计算VS量子密钥分发技术，全球量子竞赛展开

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来源：全球技术地图

作者：贾舒喆

近期，布鲁金斯学会发布文章《中美量子数据安全竞赛的现状》。文章介绍了量子计算对传统加密方法和安全通信的威胁，量子密钥分发方法（QKD）及其在加密安全方面的优势，以及各国在量子信息科学领域的进展和竞赛。文章指出，中国快速发展的基于量子的安全通信链路可能有损于美国情报机构，并助其在中美有关太空活动的国际协定中获取战略利益，但基于中国在量子数据安全方面的领先地位，中美在相关基础研究领域的合作将有益于美国了解最新技术。

量子计算威胁传统加密方法和安全通信

传统的网络通信通过数值计算的方式在信息发送方和接收方之间传递用以编码数据的密钥，而现有计算机难以反向进行大整数分解计算，因而无法破解密钥，从而保证了通信数据安全。但是，于1980年代提出的新型量子计算算法被证明可以从原理上更快解决数值分解问题，若未来的量子计算机成功运行，将威胁现有加密方法和安全通信，使基因组、医学和财务数据等涉及国家安全的信息面临被窃听、复制和解密的巨大风险。因此，美国正在努力开发可在经典计算机上运行的后量子密码方法（PQC），以及基于量子信道的量子密钥分发方法（QKD）。未来的网络信息安全可能需要基于数学的PQC和基于物理的QKD的混合，其中前者为经典数据通道所需的身份验证提供安全性，后者确保密钥的安全传输。

量子密钥分发方法（QKD）在加密安全方面的优势

QKD以量子态为信息载体，量子信道负责传输量子密钥，经典信道负责传输测量基等额外信息。由于量子力学的测不准和量子不可克隆定理，量子密钥以0和1的叠加态存在，直到被测量设备检测，正确的测量基才能得到正确测量结果，错误的测量基将改变量子态。因此，攻击者将无法复制量子密钥，窃听行为也将被发现。QKD较传统加密方法可以改善军事通信安全性，防止通过间谍活动获取国家优势信息。加快QKD研究一是为了防范对手对自身QKD系统的攻击，二是可阻止对手安全使用QKD系统，驱使其使用安全性较低的通信方式，并对此加以利用。

各国在QKD等量子信息科学领域的进展与竞争情况

美国、日本、加拿大、新加坡及欧洲国家率先开始QKD系统的研究和部署，从研究点对点的QKD系统开始，致力于构建量子安全信息交换网络。例如，美国DARPA于2003年在波士顿建立了第一个QKD网络；欧洲于2008至2009年开展的FP6项目将多个QKD系统集成到维也纳的QKD主系统中；2010年，日本开发了一种具有视频加密功能的QKD网络。而如今，中国已在QKD研究和开发中处于领先地位，尤其在使用纠缠光子和大型陆地量子网络的天基QKD等几个特定技术领域。2020年，中国完成了北京和上海之间跨越2000公里的600多个光纤骨干链路搭建，拟建立跨越北京、济南、上海和合肥四个城市的量子网络。此外，各国的关注点不同，美国和西方其他国家侧重于对量子计算技术的研发，并主要由大公司推动；中国致力于QKD研发，体现出高层领导人对网络安全的关注。

建议

文章认为，推动美国与欧洲国家、韩国、澳大利亚、日本等其他国家政府、企业和学术机构间的量子信息合作，有利于美国量子信息科学的发展和减少战略失误。同时，考虑到中国在多个QKD技术领域的领先优势、QKD系统无法被窃听的安全特性，以及两国未来在网路安全和太空活动等方面的合作空间，美国应继续与中国在量子信息科学领域进行技术交流与专家合作。

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