量子技術競賽日益引發關注。Google和IBM開始發展量子電腦,預計將以我們難以想像的速度徹底顛覆運算。量子技術還有一個令人引頸期盼的優勢就是「密碼學」(cryptography)。

隨著物聯網(IoT)和下一代5G的快速普及,創造安全的通道至關重要。相形之下,攜帶資訊的量子通道存在安全協議,並內建於加密的資料中。每個通道之間彼此各不相同,從而降低了在傳輸過程中被攔截的風險。

為了保護資料傳輸的機密性和完整性,目前最安全、使用最廣泛的方法是以對稱密碼學為基礎,而一種更可靠的安全性則是提供一種數學上牢不可破的密碼學形式,稱為「一次性密碼」(one-time pad;OTP),它採用一種與加密資料長度相同的隨機密鑰來加密資料。

有了量子密碼,當今所有的密碼技術都將相形失色。如今,為了解密機密的加密資訊,必須具有相對的私鑰。而進行所謂的「暴力攻擊法」(brute force attack,即嘗試使用字母、特殊字符和數字的所有可能組合)將無法解碼RSA密鑰,因為我們現有的電腦都將花費很長的時間解密,而使用量子技術,相同的操作只需花費幾秒鐘。

新加坡南洋理工大學(NTU Singapore)的研究人員開發出一種量子晶片,其尺寸比當前的量子配置更小1,000倍。在NTU Singapore電氣與電子工程學院教授Liu Ai Qun和副教授Kwek Leong Chuan的帶領下,該研究團隊的結果發表在近期的《自然光子學》(Nature Photonics)上。

其結果為許多金融系統建置量子密碼學方法提供了新機會。該新晶片將以各種通訊方法提高安全應用,包括從ATM提領現金到線上購買商品等。當今的這些技術並不是十分安全,而且其通訊還可能會被攔截。該晶片寬僅3至4mm,採用量子通訊演算法以及量子密鑰分配(QKD),因而能提供比現有標準更高的安全性。

QKD採用量子屬性交換諸如加密密鑰之類的機密資訊,然後再將其用於加密經由不安全通道傳輸的訊息。QKD的安全性基礎在於自然和物理學的基本定律,有助於提高運算能力、新的攻擊演算法或量子電腦。

以量子密碼學的情況來看,密鑰(針對訊息進行加密並因而再度具有可讀性的介質)被編碼為一系列光子,在必須共享訊息的雙方之間傳遞(例如透過光纖)。根據海森堡不確定性原理(Heisenberg uncertainty principle;即不可能同時知道量子物體的兩個特徵),任何對獲得密鑰感興趣的人都無法在不干擾這些(極化)光子的情況下達到目的。事實上,任何干擾通訊的人都會改變其特徵,留下使其提醒注意駭入的痕跡。

Liu說:「在當今的世界中,網路安全至關重要,因為我們的許多資料都是以數位方式儲存以及進行通訊。幾乎所有的數位平台和儲存資料庫都要求用戶輸入密碼和生物辨識資料,只要存在這種情況,就可能會有被竊聽或破解的風險。量子技術則消除了這種疑慮,因為密碼和資訊都整合在發送中的訊息,從而形成量子密鑰。」

Quantum Chip, NTU Singapore

微小的3mm量子通訊晶片(來源:NTU Singapore)

量子計算為人工智慧(AI)、醫療診斷和藥物治療等領域帶來的新發現讓人難以想像。但量子電腦只是一種工具,有助於讓實現特定結果所需的操作次數大幅減少。創新並不在於提高每次操作的速度,而在於減少達到結果所需的操作次數。

然而,資訊的安全性會因為未來的量子電腦崛起而陷於風險,因為配備大量運算資源的量子電腦可能破解現有的加密技術。因此,量子密碼學和後量子密碼學將變得越來越重要。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Quantum Chip Brings Advances in Cryptography,by Maurizio Di Paolo Emilio)