加密的強(qiáng)度在很大程度上取決于加密密鑰的質(zhì)量。QuintessenceLabs 是一家使用量子物理學(xué)構(gòu)建更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)安全工具的澳大利亞網(wǎng)絡(luò)安全公司，它開發(fā)了一個(gè) qStream 量子隨機(jī)數(shù)生成器 （QRNG），它提供具有全熵的加密密鑰，這意味著它們是真正隨機(jī)的。

QuintessenceLabs 將隧道視為安全的一件好事。在 QuintessenceLabs 對 Jane Melia 博士的采訪中，她強(qiáng)調(diào)了這些密鑰是如何從本質(zhì)上不可預(yù)測的量子源中獲得的，為企業(yè)、云或共享環(huán)境中的商業(yè)應(yīng)用程序提供 1 Gbit/秒的速度，例如 Entropy 作為服務(wù) （EaaS）、模擬、建模和電腦游戲。此外，QuintessenceLabs 還利用其量子專業(yè)知識開發(fā)了量子密鑰分發(fā)功能，這將保護(hù)遠(yuǎn)程位置之間的加密密鑰交換，即使受到量子計(jì)算機(jī)的攻擊也是安全的。

“使用相干激光器的第二代量子密鑰分發(fā) （QKD） 使我們能夠擁有更高的吞吐率并使用更多標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成設(shè)備，盡管它實(shí)際上實(shí)施起來更復(fù)雜，但具有性能和成本優(yōu)勢，”梅利亞說。她補(bǔ)充說：“公司成立時(shí)這類技術(shù)的市場很小，還處于早期階段，但開發(fā)這類技術(shù)并將其推向商業(yè)水平需要時(shí)間。研究 QKD 提供了許多平行的好處。通過我們所做的工作，它要求我們以非常高的速率開發(fā)量子隨機(jī)數(shù)生成器并進(jìn)行大量密鑰管理，因?yàn)槟枰芾砟诠蚕淼拿荑€。所以我們實(shí)際上開發(fā)了一個(gè)非常好的熵源，我們的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，每秒 1 GB，

該公司正在利用量子隧道，到“qStream”，他們的量子隨機(jī)數(shù)生成器 （QRNG），并通過生成更強(qiáng)大的加密密鑰來改進(jìn)數(shù)據(jù)保護(hù)。

量子物理安全

就量化分析師如何實(shí)際提高安全性而言，有幾個(gè)因素需要考慮。首先，安全性的錨點(diǎn)之一是熵或隨機(jī)性。我們今天使用的許多隨機(jī)性是確定性或偽隨機(jī)性的。這不一定有效?！耙虼耍孔涌梢宰龅囊患浅Ｖ匾年P(guān)鍵事情，就是為安全奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，就是提供熵，高質(zhì)量的熵，愛因斯坦說上帝不會擲骰子；他對量子不確定性的概念感到非常不舒服。但基本上，所有的實(shí)驗(yàn)和所有的理論都表明，我們可以捕捉到量子的不可預(yù)測性來發(fā)展隨機(jī)性，”xxx 說。

在過去和今天，使用非量子工具，如果你想要高質(zhì)量的熵，你必須犧牲性能?！艾F(xiàn)在正在發(fā)生的事情是，我們能夠?qū)㈧氐馁|(zhì)量與其速度相結(jié)合，從商業(yè)角度來看它是有用的。例如，世界排名前 20 的銀行中的一些正在使用我們的熵設(shè)備來提高其網(wǎng)絡(luò)的安全性。量子可以為安全做的另一件事是密鑰交換，”Melia 說。

Melia 指出，密鑰交換確實(shí)是對非對稱加密的威脅，這就是我們今天交換密鑰的方式。并且隨著量子計(jì)算機(jī)的成熟，它將容易受到量子計(jì)算機(jī)的攻擊。“事實(shí)上，很多人都在說，今天我們的數(shù)據(jù)已經(jīng)面臨收集攻擊的威脅，隨著量子計(jì)算機(jī)的成熟，這些數(shù)據(jù)會被捕獲、保存，然后可能會在以后解密。所以好消息是計(jì)算機(jī)還沒有出現(xiàn)。不過，挑戰(zhàn)在于量子計(jì)算機(jī)將能夠在未來幾年內(nèi)破解對稱加密，我不知道是五年還是十年。我們必須為此做好準(zhǔn)備。在開發(fā)系統(tǒng)以取代我們當(dāng)前的密鑰共享方法方面存在延遲。因此，現(xiàn)在是開始解決這些問題的時(shí)候了，量子技術(shù)可以通過兩種方式提供幫助。人們開始解決它的一種方法是使用量子彈性算法，例如 NIST 和許多公司正在做的工作，以提出更好的非對稱加密。這本質(zhì)上是標(biāo)準(zhǔn)加密的替代方案，允許我們交換密鑰，這是一種很好的方法，但仍然容易受到未來計(jì)算進(jìn)步的影響。另一種更穩(wěn)健但更具挑戰(zhàn)性的替代方法是使用物理學(xué)來保護(hù)這種交換。這就是 QuintessenceLabs 真正關(guān)注的量子密鑰分發(fā)，”Melia 說。這是一種很好的方法，但仍然容易受到未來計(jì)算進(jìn)步的影響。另一種更穩(wěn)健但更具挑戰(zhàn)性的替代方法是使用物理學(xué)來保護(hù)這種交換。這就是 QuintessenceLabs 真正關(guān)注的量子密鑰分發(fā)，”Melia 說。這是一種很好的方法，但仍然容易受到未來計(jì)算進(jìn)步的影響。另一種更穩(wěn)健但更具挑戰(zhàn)性的替代方法是使用物理學(xué)來保護(hù)這種交換。這就是 QuintessenceLabs 真正關(guān)注的量子密鑰分發(fā)，”Melia 說。

量子鑰匙

密碼系統(tǒng)由使用各種方法和協(xié)議交換信息的兩方或多方組成。因此，密碼學(xué)提供了支持消息安全性的方法。某些加密方法需要使用必須具有高質(zhì)量且具有安全協(xié)議的密鑰才能進(jìn)行分發(fā)?！拔覀兛梢詤^(qū)分三種類型的安全原語：具有任意長度散列函數(shù)的無密鑰原語、保持信息機(jī)密的對稱密鑰原語以及用于密鑰交換的公鑰原語，”Melia 說

傳統(tǒng)對稱密鑰密碼系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)是密鑰材料在各方之間的分布。這個(gè)密鑰分發(fā)問題有幾個(gè)解決方案，涉及公鑰算法（RSA、DH、ECC、DSS 等）或?qū)ΨQ密鑰協(xié)議（例如，Kerberos）。

在所有這一切中，量子密鑰分發(fā)相對于傳統(tǒng)密碼技術(shù)的主要優(yōu)勢是允許連續(xù)生成信息理論上安全的密鑰。

量子物理學(xué)提供了一種使用量子密鑰分發(fā) （QKD） 的信息理論安全方法，該方法允許兩個(gè)遠(yuǎn)程方（我們將按照密碼學(xué)習(xí)慣稱為 Alice 和 Bob）安全地生成秘密材料。

“使用海森堡原理，你正在交換信息，如果觀察到它就會改變，你有一個(gè)協(xié)議可以讓你評估密鑰交換是否受到任何干擾，并允許你在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候丟棄密鑰。好消息是，如果您能夠使用該協(xié)議成功交換密鑰，則這些密鑰已被安全交換。因此，只要您需要，使用這些密鑰加密的數(shù)據(jù)將是安全的，”Melia 說。

QKD 系統(tǒng)包括安裝在安全位置的發(fā)送器單元 （Alice） 和接收器單元 （Bob）。光纖為量子通道提供物理層。Alice 和 Bob 之間的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路用于雙方之間的外圍通信。這對鏈路（量子通道和經(jīng)典通道）構(gòu)成了所有 QKD 系統(tǒng)的“QKD 層”的基礎(chǔ)。

愛麗絲傳輸關(guān)于光量子態(tài)的編碼隨機(jī)信息，鮑勃用探測器測量這些狀態(tài)。隨后，通過算法，Alice 和 Bob 提取了一個(gè)加密安全密鑰。信息論表明，QKD 是安全的，攔截密鑰的機(jī)會為零。

激光發(fā)射器分為兩個(gè)類似干涉儀的臂，一個(gè)參考和另一個(gè)信號。使用一對量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 （QRNG） 生成兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)序列，其輸出使用幅度調(diào)制器 （AM） 和相位調(diào)制器 （PM） 編碼為信號臂中的激光幅度和相位。激光信號與偏振分束器 （PBS） 重新組合并沿光纖傳輸。接收器有一個(gè)偏振控制器（PC）和一個(gè)偏振分束器（PBS）來分離信號和參考。兩個(gè)零差檢測器用于測量幅度和相位正交。

使用與光量子的微?；虿ǚ矫嫦嚓P(guān)的兩種方法來生成密鑰。第一種方法是單光子離散變量 QKD （DV-QKD）：基于偏振和其他量子參數(shù)對信息進(jìn)行編碼。第二種方法是連續(xù)可變 QKD （CV-QKD）：基于作為發(fā)射器的相干激光器的幅度和相位對信息進(jìn)行編碼，接收器測量參數(shù)。可以使用需要本地振蕩器的平衡零差檢測器檢測光的幅度和相位正交，對于大于 3 GHz 的帶寬，信噪比大于 10 dB。

盡管 CV-QKD 是一項(xiàng)年輕得多的技術(shù)，但它提供與 DV-QKD 相似的性能和安全級別。然而，CV-QKD 需要更復(fù)雜的處理，這一直是一些開發(fā)的障礙，但由于使用了標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成組件，因此具有降低產(chǎn)品成本的潛力。2009 年，證明 CV-QKD 在理論上具有與 DV-QKD 相同的信息安全水平。CV-QKD 可以通過調(diào)制相干激光器的幅度和相位來實(shí)現(xiàn)，并且與當(dāng)前的電信技術(shù)兼容。

真正的單光子源非?？捎锌蔁o，有時(shí)可以使用衰減激光來近似。兩個(gè)源都遵循泊松統(tǒng)計(jì)，其中每個(gè)脈沖產(chǎn)生兩個(gè)光子的概率非零，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

在 DV-QKD 中，效率與使用雪崩光電二極管或超導(dǎo)器件的光子檢測有關(guān)。以下因素限制了效率：暗噪聲、抖動和檢測器死區(qū)時(shí)間。在任何情況下，單光子探測器都可能很昂貴，并且需要冷卻（通過液氮或液氦）以實(shí)現(xiàn)最大性能。該技術(shù)的發(fā)展使得 DV-QKD 能夠以每秒幾百比特的速度達(dá)到超過 200 公里的距離。

CV-QKD 技術(shù)使用現(xiàn)成的電信組件提供高密鑰速率，包括散粒噪聲限制激光器、調(diào)制器和平衡探測器，所有這些都具有小尺寸。

CV-QKD 不需要單光子探測器，并且可以利用技術(shù)改進(jìn)來提高效率，特別是利用 VLSI 領(lǐng)域的進(jìn)步，包括磷化銦 （InP） 解決方案、平面光波電路 （PLC） 以及最近的硅光子學(xué)。

“量子密鑰分發(fā)的一個(gè)基本物理限制是距離，因?yàn)樾盘柕脑肼曤S著距離的增加呈指數(shù)增長，這意味著雖然理論上量子密鑰分發(fā)可以走數(shù)百公里，但實(shí)際上可以獲得吞吐量人們需要的，我們說的是 50 公里或 60 公里。” 梅利亞說。

她補(bǔ)充說：“從根本上說，量子密鑰分發(fā)就是他們所謂的信息理論安全，這意味著無論計(jì)算機(jī)的處理能力如何，都沒有足夠的信息讓計(jì)算機(jī)解決這個(gè)問題。這就是量子密鑰分發(fā)的美妙之處。量子計(jì)算機(jī)可以改進(jìn)，但它們?nèi)匀粺o法攔截正在交換的密鑰，就像它們無法預(yù)測量子熵一樣，因?yàn)槊總€(gè)比特都是 100% 獨(dú)立于它周圍的比特。簡而言之，數(shù)學(xué)很容易受到處理能力、超級計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的改進(jìn)。但使用量子熵和量子密鑰分布等物理學(xué)的解決方案則不然。這些技術(shù)可以為我們奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而為量子安全的未來構(gòu)建下一步。例如，現(xiàn)在，我們沒有量子安全的互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)然，我們都依賴它。顯然，易受量子攻擊的互聯(lián)網(wǎng)確實(shí)非常危險(xiǎn)?，F(xiàn)在有很多關(guān)于量子互聯(lián)網(wǎng)概念的工作正在進(jìn)行，例如，它可以受到保護(hù)，基本上通過量子密鑰的分發(fā)來錨定。這將是一個(gè)新時(shí)代，我們的數(shù)據(jù)交換再次變得安全可靠。這真的很令人興奮。就像我們將在未來 10 到 20 年內(nèi)聽到的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是量子互聯(lián)網(wǎng)，它將改變我們的通信基礎(chǔ)設(shè)施?！?基本上由量子密鑰的分布錨定。這將是一個(gè)新時(shí)代，我們的數(shù)據(jù)交換再次變得安全可靠。這真的很令人興奮。就像我們將在未來 10 到 20 年內(nèi)聽到的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是量子互聯(lián)網(wǎng)，它將改變我們的通信基礎(chǔ)設(shè)施?！?基本上由量子密鑰的分布錨定。這將是一個(gè)新時(shí)代，我們的數(shù)據(jù)交換再次變得安全可靠。這真的很令人興奮。就像我們將在未來 10 到 20 年內(nèi)聽到的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是量子互聯(lián)網(wǎng)，它將改變我們的通信基礎(chǔ)設(shè)施?！?/p>

量子隧道

量子隧穿是一種粒子穿過障礙的現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，它不應(yīng)該能夠穿過。量子隧穿導(dǎo)致電流隨機(jī)波動，無法預(yù)測行為。QuintessenceLabs 開發(fā)了一個(gè) qStream 解決方案來測量和數(shù)字處理這些波動，以生成“全熵”隨機(jī)數(shù)，取代基于具有漏洞問題的確定性算法的隨機(jī)數(shù)生成器 （PNRG）。

QuintessenceLabs 的“qStream”量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器符合 NIST SP 800-90A 標(biāo)準(zhǔn)，并符合 NIST SP 800 90B 和 C 草案的要求。它作為獨(dú)立設(shè)備或作為其可信安全基礎(chǔ) （TSF） 的一部分提供。