從 20 世紀(jì)末期之后，量子加密技術(shù)來到世人面前，而世人也相信，量子加密代表的將是絕對(duì)安全的信息傳輸，未來從國(guó)家到個(gè)人的信息傳遞也將能得到更好的保護(hù)。

然而事實(shí)上可能并不會(huì)這么順利。

今日，一篇在預(yù)印本 arXiv 上發(fā)表的文章顯示，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近來在經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)與嘗試之后，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有量子加密技術(shù)可能隱藏著極為重大的缺陷，攻破這個(gè)最強(qiáng)的加密之盾卻不需要什么神兵利器，而是利用“盾”本身就存在的物理缺陷。這個(gè)研究這將可能導(dǎo)致量子加密從原本印象中的堅(jiān)不可破，轉(zhuǎn)而變成脆弱不堪。

因?yàn)椋陨虾＝煌ù髮W(xué)團(tuán)隊(duì)所發(fā)表的研究來看，上海交通大學(xué)的研究人員們成功發(fā)現(xiàn)目前被廣泛應(yīng)用在量子通信中的 QKD（Quantum Key Distribution，量子密鑰分發(fā)）方法并不完美，研究團(tuán)隊(duì)通過將具有不同種子頻率的光子注入激光腔 ( lasing cavity) 來改變激光頻率的方法，進(jìn)而觀察注入光子的半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)，最終居然獲得高達(dá) 60％的信息盜取成功率。

根據(jù)《麻省理工科技評(píng)論》的報(bào)道，研究團(tuán)隊(duì)之所以會(huì)進(jìn)行攻破量子通信加密技術(shù)的研究，正是因?yàn)橄Ｍ嵝言诹孔油ㄐ懦掷m(xù)快速發(fā)展的現(xiàn)在，許多公司甚至已經(jīng)開始嘗試提供商業(yè)化服務(wù)，但必須注意的是，這其中仍存有許多的物理漏洞缺陷，進(jìn)而成為黑客攻擊的可趁之機(jī)，畢竟，在網(wǎng)路安全重要性已然從個(gè)人隱私、企業(yè)機(jī)密、上升到國(guó)家安全之際，量子加密技術(shù)曾經(jīng)被高度期望能夠解決一些問題，但在此一新興前沿技術(shù)真正開始為世界解決安全問題之前，勢(shì)必要經(jīng)歷過最嚴(yán)苛最激烈的攻擊，這不只是安全性的驗(yàn)證測(cè)試，在過程中，科學(xué)研究的創(chuàng)新也在一步步的推進(jìn)，貓捉老鼠游戲的持續(xù)升級(jí)破關(guān)，在某一程度上，正是這個(gè)研究迷人之處。

從傳統(tǒng)加密到量子加密

加密技術(shù)最早被應(yīng)用在軍事上，兩軍交戰(zhàn)時(shí)，情報(bào)的傳遞就必須經(jīng)過加密，用特定的規(guī)則來打亂文字的排序，敵軍截取了信息之后，除非掌握鑰匙，也就是解密的規(guī)則，否則只能看到雜亂無序，或毫無意義的文字。

二戰(zhàn)期間，德國(guó)采用 Enigma 加密機(jī)來加密與解密文件，這是最早的自動(dòng)化加解密流程，而現(xiàn)代電腦之父圖靈，在成功攻破了 Enigma 加密機(jī)后，不只成功破解了德軍的機(jī)密軍情，更成為提早結(jié)束整個(gè)二戰(zhàn)的最大功臣。

除了戰(zhàn)爭(zhēng)以外，對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域而言，保護(hù)與破解一直以來都是盾和矛之間的戰(zhàn)爭(zhēng)，一方面，信息保護(hù)者通過對(duì)各種加密技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)計(jì)算硬件的改進(jìn)，來達(dá)到更安全有效的加密機(jī)制，防止信息在傳輸過程中被截取，另一方面，信息盜取者也努力找尋各種加密技術(shù)的漏洞，意圖在固若金湯的防護(hù)之下找出嗅探信息海洋的最佳方式，并從中獲得利益。

不過加密與破解并不存在絕對(duì)的正邪關(guān)系，加密也可能用來保護(hù)，并傳遞對(duì)社會(huì)進(jìn)行破壞的關(guān)鍵信息，破解加密也有可能是用來保護(hù)可能被相關(guān)惡意信息危害的人們。

當(dāng)然，密碼學(xué)的發(fā)展也隨著這樣的攻防而越來越精進(jìn)，從早期在書信中使用特定文字排序方式的加密，到后期使用電腦進(jìn)行復(fù)雜編碼的過程，可以說，從有了文字，信息加密就一直與人類歷史共同發(fā)展至今。而攻破這個(gè)加密的過程，也同樣成為人類發(fā)展史上的永恒挑戰(zhàn)之一。

到了現(xiàn)代，在網(wǎng)絡(luò)上傳播的信息中包含了龐大的個(gè)人隱私、財(cái)產(chǎn)，甚至國(guó)家安全的機(jī)密內(nèi)容，因此我們需要更強(qiáng)大的加密技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳輸過程的信息保全工作。而量子通信技術(shù)的誕生，也讓業(yè)界對(duì)所謂完美加密技術(shù)憧憬的實(shí)現(xiàn)更接近了一步。

量子加密通信技術(shù)商用火熱，全球競(jìng)相投入背后存隱憂？

2018 年 11 月美國(guó)公司 Quantum Xchange 宣布建設(shè)全美第一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)，從華盛頓到波士頓沿美國(guó)東海岸總長(zhǎng) 805 公里，成為美國(guó)首個(gè)橫跨串接州際的商用量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)。

圖丨 Quantum Xchange 宣布建設(shè)全美首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)（來源：Quantum Xchange）

根據(jù) Quantum Xchange 的資料顯示，該網(wǎng)絡(luò)采用的 Quantum Xchange 自行開發(fā) QKD 系統(tǒng) Phio，而 Quantum Xchange 也在公司官網(wǎng)上表示，Phio 是美國(guó)第一個(gè)也是唯一一個(gè)量子安全網(wǎng)絡(luò)，將保證商業(yè)企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)能夠無視距離并且絕對(duì)安全地傳輸數(shù)據(jù)，提供重要數(shù)字資產(chǎn)的安全防御措施。

事實(shí)上，就在美國(guó)在 2018 年底開始有公司推出量子加密通信商用服務(wù)之際，全世界的量子加密通信網(wǎng)絡(luò)也正在如火如荼的發(fā)展建置中，從美國(guó)、歐洲、亞洲都有多國(guó)正在布建自有的量子加密通信網(wǎng)絡(luò)，其中有多項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)入可以準(zhǔn)商用的階段，希望以此作為未來強(qiáng)化整體安全保護(hù)的重要基礎(chǔ)。

（來源：阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室）

到目前為止，量子加密通信技術(shù)的進(jìn)展確實(shí)是讓人興奮的，這一點(diǎn)從許多公司針對(duì)投入商用服務(wù)躍躍欲試就可以看得出來，這背后隱含的是龐大且明確的安全通信需求。

但值得注意的是，盡管量子加密通信技術(shù)成果發(fā)展受到全球矚目，但不少安全專家仍質(zhì)疑量子加密的有效性。由于量子加密技術(shù)太過前沿，還沒有經(jīng)過充份的嚴(yán)格測(cè)試與實(shí)地驗(yàn)證。而只有經(jīng)過這些測(cè)試，才能使它得到持懷疑態(tài)度的密碼學(xué)家的認(rèn)可。

而此次上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，就是一次測(cè)試，讓我們重新思考過去一段時(shí)間被高度期望的量子加密技術(shù)，或許還未到成熟的階段。

量子通信的罩門？一場(chǎng)貓抓老鼠的游戲？

量子通信通常在加密過程中使用了光子編碼信息，由一方將光子發(fā)送給另一方，再由接收方來進(jìn)行量測(cè)，并顯示信息。然而這個(gè)過程中存在可能被突破的通道。

舉例來說，由于測(cè)量光子的量子特性，使得其攜帶的信息隨時(shí)都在改變，理論上，如果竊聽者想要截取信息，就必須不斷調(diào)整并監(jiān)聽通過光子傳輸?shù)乃凶兓?，A 方和 B 方可能在傳輸過程中不斷的重復(fù)發(fā)送的過程，直到雙方確定中間沒有人可以監(jiān)聽到。

但 A 方傳送給 B 的信息在此時(shí)只是一堆雜湊的量子狀態(tài)，而不是真正有意義的信息，為了讓 B 可以取得有意義的信息，發(fā)送方 A 就必須通過傳統(tǒng)的信號(hào)通道發(fā)送一次性密鑰 (one-time pad) 給作為信息接收方的 B，而這個(gè)過程就產(chǎn)生了量子通信的漏洞。

網(wǎng)絡(luò)安全研究人員已經(jīng)指出，發(fā)送密鑰的過程是可被破解的，由于這種信號(hào)的傳輸，通常是將數(shù)據(jù)以光子的偏振方式進(jìn)行編碼：舉例來說，垂直偏振光子代表 1，而水平偏振光子則代表 0。

（來源：此論文）

黑客可以利用高功率激光照射到設(shè)備中，使其從內(nèi)部的偏振器反射出來。反射的結(jié)果就表示了用于偏振與編碼射出光子的方向，并從而得知其一次性密鑰的內(nèi)容。不過這只老鼠很快就被抓了出來。

這時(shí)就得提到 QKD，這個(gè)量子密碼學(xué)中最著名的應(yīng)用，此技術(shù)能夠在竊聽者 (Eve) 的存在的假設(shè)前提下，讓兩個(gè)通信方之間分配安全密鑰 (實(shí)驗(yàn)論文中將雙方命名為 Alice 和 Bob）。在過去的幾十年中，此技術(shù)已經(jīng)取得了理論和實(shí)驗(yàn)成果，并為市場(chǎng)上現(xiàn)有的商用 QKD 系統(tǒng)提供了大幅增強(qiáng)的通信安全性。

借由量子鍵分布 (QKD) 利用疊加和非克隆的量子機(jī)械性質(zhì)，可以通過合并基于密碼學(xué)專家 Claude Shannon 嚴(yán)格證明過的一次性填充算法，來保證最高的安全性。同時(shí)研究人員也在構(gòu)建實(shí)用和商用 QKD 系統(tǒng)方面做了大量工作，特別是設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)光子數(shù)量分裂攻擊單光子源漏洞的光子誘餌狀態(tài)，并且測(cè)量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議 (MDI-QKD) 進(jìn)一步關(guān)閉了檢測(cè)端的所有漏洞，從而形成了一個(gè)看似完全可靠沒有瑕疵的量子加密傳輸過程。

（來源：USTC）

然而，現(xiàn)實(shí)還是相對(duì)骨感的，實(shí)際生活中的設(shè)備很難符合理論安全性證明的假設(shè)，這導(dǎo)致針對(duì)以 QKD 技術(shù)實(shí)作的某些設(shè)備的不完善性，仍可能持續(xù)遭受黑客的策略性攻擊。

上海交通大學(xué)的研究人員們就成功發(fā)現(xiàn)，QKD 這個(gè)方法并不完美，他們成功借由一種稱為注入鎖定 (injection locking) 的方式。通過將具有不同種子頻率的光子注入激光腔 ( lasing cavity) 來改變激光頻率的方法。如果頻率差異很小，激光最終會(huì)與種子頻率 (seed frequency) 共振。通過這些實(shí)驗(yàn)，在可信源假設(shè)上提出并證明了基于 MDI-QKD 的黑客攻擊策略仍然有效，并成功取得量子加密信息。

通過在竊聽者 (Eve) 端使用隨機(jī)選擇的極化瞄準(zhǔn)器激光器中注入非共振光子，其中只有當(dāng) Eve 的選擇與發(fā)送者的狀態(tài)匹配時(shí)，才會(huì)發(fā)生移位頻率的注入鎖定。為確保發(fā)生這種情況，研究人員注入 4 個(gè)光子，每個(gè)光子具有不同的方向：水平，垂直和正負(fù) 45 度。然后他們等著看這是否會(huì)改變愛麗絲外出光子的頻率。如果頻率被改變，那么入射光子的極化就必須與輸出光子的極化相匹配。

借由設(shè)置一個(gè)移位窗口并在之后切換光子回射的頻率，Eve 原則上可以獲得所有鍵而不需要終止實(shí)時(shí) QKD。上海交通大學(xué)研究者通過觀察注入光子的半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)，最終獲得達(dá)到 60％的信息盜取成功率。

“老鼠”勝了這一局，下一步，研究人員易地而處，轉(zhuǎn)而從防止被鎖定著手，尋求補(bǔ)上量子加密破綻的方法。

上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一套方法，他們使用了一種被稱為隔離器的設(shè)備，只允許單一光子在一個(gè)方向上行進(jìn)，不過這個(gè)方法也不完美，由于該技術(shù)并不能完全阻絕非理想狀態(tài)的光子行進(jìn)方向，因此只能將入侵成功率從原本的 60% 降到 36%，而不能完全根絕。

但研究人員強(qiáng)調(diào)，要設(shè)想出不同的防制方式并不難，然而與這個(gè)入侵手法被發(fā)現(xiàn)并被驗(yàn)證的同時(shí)，他們也同時(shí)揭露了，與設(shè)備無關(guān)的量子密碼學(xué)的其他物理缺陷是確實(shí)存在著的。

研究人員也指出，他們想為業(yè)界帶來一個(gè)重要的信息，那就是量子加密還不如理想中的可靠，它是有缺陷、能被攻破的技術(shù)，而攻破這個(gè)最強(qiáng)的加密之盾的工具，卻不是什么神兵利器，而是盾本身就存在物理缺陷。當(dāng)然，這個(gè)問題的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于那些已經(jīng)開始提供量子加密服務(wù)的公司，以及他們的客戶而言，都不會(huì)是太好的消息。