量子密鑰分發（QKD）將在下一代安全通信中發揮核心作用，大學研究人員的新軟件有助于快速評估QKD的安全協議。

在安全量子通信的重大突破中，加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所（IQC）的研究人員最近發現了一種評估QKD協議性能的有效數值方法。他們還開發了第一個可用的軟件來快速評估QKD任何協議的安全性。

“鑒于世界各地的黑客活動，保密變得越來越重要。但它比通常認為的更重要，因為量子計算機可能在不久的將來上線，“IQC博士后研究員，發現和軟件背后的研究人員之一Patrick Coles說。“量子計算機可能會破壞我們當前互聯網安全的許多方面，這是基于某些問題的計算難度。這將是災難性的。..因此，探索新的加密方法勢在必行。

QKD的秘密集中在量子物理學的基礎上，特別是海森堡的不確定原理。它允許被稱為Alice和Bob的兩方建立交換光子的共享密鑰。由于光子的行為符合量子力學定律，因此您無法在不干擾量子物體的情況下測量它。因此，如果一個叫做夏娃的竊聽者攔截并測量光子，它會引起愛麗絲和鮑勃可以檢測到的干擾。沒有干擾意味著愛麗絲和鮑勃可以保證他們共享密鑰的安全性。

丟失和噪聲會產生一些干擾，但小的干擾意味著 Eve 可以獲得有關密鑰的少量信息。通過描述如此大量的信息，Alice 和 Bob 可以以最終密鑰的長度為代價將其從 Eve 中刪除。QKD中的主要理論問題是如何計算任何給定協議的最終密鑰的允許長度和實驗觀察到的距離。

“我認為量子物理學家能夠在徹底改變我們進行秘密通信的方式方面發揮核心作用，并希望做出貢獻，這真是令人難以置信，”科爾斯說。“我們的方法有三個主要優點：它強大、用戶友好且相對快速。

他所說的“魯棒”是指它可以處理任何協議，這令人印象深刻，因為以前的分析方法僅限于理想化的協議，沒有實驗缺陷。“我們的方法能夠探索新的協議理念，特別是與現有光學硬件一起實現的協議，”Coles說。“此外，您的設備中的任何缺陷都可以在我們的軟件中明確說明。穩健性對于分析真實、實用的系統至關重要。

到目前為止，世界上只有少數熟練的專家能夠分析QKD協議的安全性。“我們的軟件有可能將QKD分析帶給更廣泛的受眾，”他指出。“您只需輸入感興趣的協議的描述，計算機就會進行計算。

然后是速度：“計算QKD協議的密鑰輸出本質上是一個優化問題，”Coles說。我們可以制作軟件的主要原因是因為我們證明了一個數學定理，將問題重新表述為有效的可計算形式。運行我們的軟件并獲得問題的答案通常需要幾秒鐘。

而且，正如您可以想象的那樣，QKD技術具有軍事應用。“美國海軍研究辦公室對QKD感興趣，用于海軍艦艇之間的安全通信，”科爾斯指出。但對手也可能利用QKD，因此它回避了是否存在竊聽潛力的問題。

隨著量子計算的上線，量子安全密碼學將變得必要。“這是指量子計算機無法有效攻擊的加密方法，”Coles解釋說。“但另一種方法是找到即使是量子計算機也無法有效解決的數學問題。

QKD不容易受到追溯攻擊，而基于計算難度的方法則容易受到攻擊。“追溯攻擊是指竊聽者記錄密文和公鑰，然后等待數年以提高計算能力，”科爾斯說。“一旦計算機變得足夠快，竊聽者就會獲得私鑰和明文。

因此，量子安全加密的未來很可能“最終成為QKD生成的密鑰和通過計算困難的任務生成的密鑰的某種組合，”Coles指出。

他說，QKD的未來進展將包括“全球網絡，無論是在地面上還是通過衛星”。“我們需要為這些網絡選擇最佳協議，我們的軟件應該是一個有用的工具，可以幫助指導這種選擇。

審核編輯：郭婷