量子计算和量子通信安全技术展望

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1、 量子计算和量子通信安全技术展望 量子计算和量子通信量子计算和量子通信量子计算和量子通信量子计算和量子通信安全安全安全安全技术技术技术技术展望展望展望展望 罗岚1，2，戴琼海1，方嵘1 1(宽带网数字媒体技术实验室，清华大学信息科学技术学院自动化系 北京 100084) 2（网络与分组密码智能应用技术实验室，成都，610000） 20109 摘要摘要摘要摘要：量子计算和量子通信在2020年将全面实施，而且商业化对量子和其他学科的理论交 叉研究和实际应用研究是值得注意的方向 从应用的角度， 量子计算和量子通信安全技术除 了量子密钥分发， 对通信数据也在进行量子密码技术的研究与应用 为了形成一个

2、量子时代 的生物-纳米网络空间的新纪元，和未来互联网的融合研究应该同步进行 关键字关键字关键字关键字：量子安全，生物技术，纳米网络空间，未来互联网 通常意义下的图灵计算机在二十世纪下半叶占统治地位，从诞生起基本结构没有改变 根据莫尔斯定理，计算机的计算能力每18个月翻番一次，从1970年的四千次晶体管到2000 年的亿次随着处理技术的越来越好，外观越来越小我们可以看到最后一代传统计算机， 指尖型，而不是手提式，成为日常生活的组成部分智能标签代替条形码，计算机介入可用 目标衣物植入皮下这些变小了的通信目标，链接INTERNET，将服务提供到虚拟无线 部分 这些计算机可用的软件从公共终端进行接入，

3、 通过还没发明的设备管理 基于这一点， 将推动晶体管到他们的原子极限，进入纳米世纪，传统计算机跳跃进入量子纪元事实上， 量子纳米和生物技术随时间，自然与未来互联网进行融合：在真实世界互联网互联一切 的进程里，不断获得理论和技术的进展 一一一一 量子计算和量子通信量子计算和量子通信量子计算和量子通信量子计算和量子通信的理论和实际研究方向的理论和实际研究方向的理论和实际研究方向的理论和实际研究方向 根据莫尔斯定理，在 2020 年，我们可以获得单个原子大小的半导体纳米技术通常指 在 1 到 100 纳米大小范围内的构造 研究和内部相互处理机制 这个领域在原子和分子和物 质体积之间的鸿沟搭建了一个桥

4、梁， 要求包括分子化学和量子物理的知识和应用 研究也包 含了数学科学与技术之间的传承现在通常指的物质体积，是在经典理论体制下提出的 在原子规模， 需要使用不同的光和事物的理论模型： 量子体制 量子体制在二十世纪初提出， 但是直到最近， 我们才理解了在信息处理方面的作用远远超出经典体制 随着半导体的减小， 必须使用量子理论进行描述 在理论和使用两个层面的技术： 首先是算法和协议， 说明怎样控制量子信息过程以及怎 样使用；包括量子漫步算法量子控制和量子体制基础/控制其次，用于构造分组，使用 原理证明方法进行信息处理，经验证明可以控制量子效果；为了构造分组，观察量子计算机 信息蓝图的元素，例如对量子

5、计算和量子密码都可以使用的磁量子比特 Qubits光子和超导 材料最后，从理论证明实践的不同部分将转到量子技术；通过统计调查，关注量子密钥分 发（quantum key distribution，QKD） ，这是量子密码的一个分枝，而且是有希望应用的量子 技术构造最近的量子模型，研究一个单光子源上星的可能，已允许加拿大 Waterloo 大学 量子计算研究所探测全球量子计算和量子通信 上述是这个所的研究和实际应用范围， 这个量子计算和量子通信安全技术展望 研究所集合了全球大规模的博士后群，量子是他们专门研究的方向 如果我们忽略量子现实，计算机在不断快速缩小尺寸会不可预期的快速增长当设备 足够小

6、，量子效果不可避免-根据物理理论，必须深刻理解和控制量子体制另一方面， 用量子效率打开超级强大的信息处理大门 我们使用量子信息处理程序开发量子的作用， 而 不是对量子使用进行限制 量子行为可以产生非常奇妙的效果， 不是现在的计算机可以预料 的量子行为的规律允许多种量子状态形成并行处理的效果不需要并行处理，就可以破解 以前不可破解的数学难题，利用这个特点，开发不可破解的数据安全体制，构造时间同步设 备，非常精确进行超级敏感的探测 二二二二 量子计算和量子通信量子计算和量子通信量子计算和量子通信量子计算和量子通信的安全展望的安全展望的安全展望的安全展望 第四次浪潮的挑战是为 2020 年以后的新起

7、点进行准备： 迎接生物-纳米-信息-量子 银 河 给出纳米-孤立和整合范围的可能新经济， 在全球网络的形态和范围内融合的新可能， 能够观察 2010-2015 目前 IP/3G/GOOGLE 的趋势， 看到 2015 年可能出现的新结构， IP 甚至 可能生存不到下一代无线结构（2015）3G 可能由更开放和可交互操作的结构代替，内容 群（信息，多媒体，程序）可能有新的服务和结构代替（2015）在下一个二十年，我们可 能看到一个长数字黎明和新颖的 quasi-分析系统与原子机制（纳米技术）重新融合，并且 生成细胞（组织基因技术）有机-纳米-信息空间产生一个（4D+1D）多方向，和 21 世纪的

8、创新机制合成在这四个环境（生存+物理+数字+量子）下的一个全新安全和可靠界面不 得不产生分枝和得到进一步开发 在这时候随之而来的威胁是不可预测的， 通过使用纳米技 术，量子计算和量子通信和密码来对付安全和可靠更大的问题是：怎样保护界面，怎样获 得和维持一个安全可可靠的持续发展？ 在量子世界，技术起点放在光子，而不是电子量子技术需要一些时间进行硅和导体工 业技术融合一方面，使用数字技术的经济，另一方面，使用特殊市场的规模数字世界被 通信定义成为七层，获得一个链路，路由和传输信息，然后到应用层，使用量子理论控制而 不依赖直接通信链接， 同时说明对信息路由和传输是对等的概念 使用应用构造量子网络是

9、可能的，融入数字网络，可能在规模和结构上是非常不同的2010，纳米技术和智能尘埃闻 名遐尔我们被不可见的自动粒子包围（纳米技术） ，提供的安全技术采用可描绘（标签） 可见的特点 标准局在这个世纪提供一个系统的方法处理通信进程， 问题是怎样处理不同的 期限？从长期来看，2020，面对莫尔斯定理可以期待数字安全，二进制晶体管的繁殖与不可 见硬件之间关系被打破，另一方面，智能尘埃软件程序快速扩散在数字世纪后，我们到达 量子纪元，穿越需要纳米技术和生物计算量子密码学：对安全属性的高级研究，使用基于 Heisenberg 测不准原理的新颖结构并且，构造基于清晰单光子/多光子传输的高度安全量 子网络，因为

10、基于量子机制观察的安全协议能够经受无授权的阅读纳米技术的安全：在一 个不可见范围的物理世界里，对纳米技术的可信结构策略阅读和市场的高级研究智能尘 埃的安全：大量纳米计算机，使未来计算机蠕虫几乎不可见，不久就覆盖周围的空间成为 衣物的标签伴随日常生活的事物，成为真实世界互联网的一部分，接入未来互联网 安全是有机-纳米-技术的数字数据和 QUANTA 的集合基础上的下一个新起点 换言之， 需要对抹去人工世界引起的知识合成特征，因此，控制超过半世纪的人工生态系统，为未来 的创新做准备，安全开发新的领域，处理即将到来的技术争论在传统的 IT 结构上，构造 虚拟和量子层，能够假如其他新的计划到交叉领域，

11、例如生物和纳米科技在数字世界，为 了从不同的组织和相互的概念里获得交织的信任，对基于文本和图象的 1S 和 0S 提升到普 通 SHANNON 模型，新的通信模型必须把语义和视觉效果考虑进去更进一步，莫尔斯定 理能够继续知道原子规模十年原子宝石穿越纳米范围世界，一个新的世纪可以成型，量子计算和量子通信安全技术展望 纳米技术在原子水平运做， 必须使用不可见连接真实世界 纳米技术推动只能产生纳米设备， 可以执行特殊的任务，例如，在微型电话上使用量子密码可以保证新一代的信用卡和 SIM 卡的可信信息的安全传输 2020 年左右量子时代的生物-纳米网络空间新纪元是我们已预见到其他的起点，应该在 202

12、0 年左右发生：纳米技术，生物技术，量子计算和量子通信和传统计算这是已知的数 字计算机没有做到的（SHANNON 编码数据和图灵编码程序）预测硬件被莫尔斯定理孤 立锁住了，只有被更好的处理替代，解除困扰计算成为双非对称曲线的囚徒，硬件被接近 终级困扰，软件越来越复杂，如果伪造后互联网社会，计算机必须从现在死锁的状态逃离 计算机和电信必须使用物理实现连接，返回在 Mendeleevs 阶段包括的（生物细胞， 里的碳和氢）接近硅原子，为了更安全的持续使用生物技术，使用人类可感知的机制作为这 个阶段的界面 数学模型和计算机仿真最终产生新颖的应用， 使用的计算工具是数据处理阶 段的计算机， 但也适合经

13、验组成的方法的实体进行应用 未来的个人通信设备在新起点无疑 是首选仿真声音连续的从喉咙产生，通过耳鼓膜进行接收，返回类似的世界：计算机从周 围不同的来源产生生物 纳米和量子环境再进行返回 新世界降低电路热量的 JOULE 效果： 计算机，电话和 PDA 由自制量子通信和数据处理，使用事物的量子状态，生物计算人体 界面， 污染总量比现在少 所有这个新世界的面上技术包括活体细胞的这些簇链接到计算机 纳米机器人，这些光子束在网络上分布一些甚至在人体里执行然而，科学虚构环境里成 为任何一个研究方向还应该有更深刻的理论基础和应用背景 三三三三 结论结论结论结论 从NIST的量子信息科学报告里可以看到量子

14、计算和量子通信对所有理工科的影响， 随着接入未来互联网， 所有学科都将进行重新整合， 量子计算和量子通信的交叉融合学科很 难准确定义 随着量子信息网络的逐步实施和莫尔斯定理的实现， 在网络之上的信任机制也 如同Future Internet的Trust to Trust机制一样，在2020年前后对世界进行量子化迎接生物- 纳米-信息-量子银河构成的第四次浪潮，形成量子时代的生物-纳米网络空间新纪元 而光子和纳米从物理和化学的角度对材料和计算能力一起产生了本质的变化 在2020年， 计 算和通信以及相关领域不得不进入量子时代，而所有学科都会参与和整合到未来互联网上 目前，对量子计算和量子通信效果

15、的某些不可预知的结果，带给我们更大的创新空间 致谢致谢致谢致谢：感谢加拿大蒙特利尔大学感谢加拿大蒙特利尔大学感谢加拿大蒙特利尔大学感谢加拿大蒙特利尔大学滑铁卢大学滑铁卢大学滑铁卢大学滑铁卢大学提供的参考提供的参考提供的参考提供的参考文献文献文献文献，欧洲密码精彩欧洲密码精彩欧洲密码精彩欧洲密码精彩网络网络网络网络 II 和未来互联网欧洲部分和未来互联网欧洲部分和未来互联网欧洲部分和未来互联网欧洲部分使我们相信所有学科可以接入互联网使我们相信所有学科可以接入互联网使我们相信所有学科可以接入互联网使我们相信所有学科可以接入互联网 参考文献参考文献参考文献参考文献： 1 www.iqc.uwaterloo.ca , Developing Quantum Information to become the economic engine of the 21st Century 2 www.ECRYPT.eu.org , European Network of Excellence in Cryptology II