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李红雨:量子通信,媒体和公众都需要刷新的认知
关键字: 量子通信潘建伟5G有关几个破解方案
潘文中对于目前发现的各种针对QKD攻击的手段进行了归纳总结:针对器件不完美的攻击一共有两大类,即针对发射端—光源的攻击和针对接收端—探测器的攻击。
我强调过,密码学作用域只包括信道,不包括信源和信宿。密码学并不万能,无法大包大揽。潘院士们总结出来的这两个攻击环节,其实并不属于密码学需要关注的内容,但是金文中提到的“注入锁定”攻击或许可以归类到“类信道”攻击范畴,量子密码专家经常提到的信道攻击就是“光子数分离”攻击,这也是BB84协议和京沪干线上采用的诱骗态原生设计上唯一可防范的信道攻击。
我们已经知道,QKD在量子通道上分发的密钥,其实是采用明文方式发送的,针对这一点,我们其实还可以想到其它种类的信道攻击,这里举两个例子。
中间人攻击:
在目前京沪干线上,采用了30多个“可信中继器”,我们可以在2000多公里长线路的任何一点插入一个伪“可信中继器”Eve,他具有同时控制量子通道和经典通道的能力,可以分别仿冒密钥的分发者F_Alice和接收者F_Bob 。
Alice只能与F_Bob协商量子密钥QK1,同时F_Alice与Bob协商另外一个量子密钥QK2,这样窃听者Eve将同时拥有通信双方的QK1和QK2。当Alice将明文M用QK1加密后,将M+QK1在经典信道发送给F_Alice,而Eve用QK1解密后,将M用QK2加密,将M+QK2发送给Bob。这样虽然表面上Alice与Bob完成了保密通讯,但是其实信息的明文M早就完全掌控在窃听者Eve手里。
这样的事情能够发生的原因就在于,目前不存在任何量子理论和技术能够在Alice和Bob之间进行身份认证,所以如果没有其他认证方法的话,2000公里的京沪干线就是每个信道点都是可以发生泄密的地方。
“可信中继器”只能采用传统密码学里用到的身份认证手段,在经典信道里面进行身份认证,这点可以让量子密码专家们来确认。身份认证的技术手段无非消息摘要和对称加密以及非对称加密算法的组合。当然,量子密码专家认为非对称密钥可能是不安全的,所以可选的技术只有消息摘要和对称加密算法。
我们知道对称密钥分发其实就是采用对称加密算法本身,如果这类算法存在类似袁文中所提到的那么多潜在的不安全性,那么这个传统加密算法的不安全性就能够通过身份认证这个环节完全传递给量子密码中,从而导致身份认证失效,进一步的导致量子密码100%被窃取而无法发现。可以有这样一个结论,传统密码身份认证的安全等级不低于量子密码的安全等级。这样简单的结论是每个信安工程师都能够看得懂的,潘文中列出来那么几篇国外论文,指称量子密码的绝对安全证明,究竟在多大程度上有效,大家从这个实际的例子中就能够了解个大概,那些论文中从来就没有身份认证这个环节,也没有“可信中继器”这个设备,所以压根就没想到,还会出现一个通过插入伪中继器的方式进行的中间人攻击。
非线性晶体下自发参量下转换攻击:
PPKTP或者BBO非线性晶体的作用之一就是将一个输入的光子分裂成一个光子对,当然输出的光子对频率也折半,这样的效应称为自发参量下转换(Spontaneous Parametric Down-Conversion,缩写:SPDC)。通常,我们把输入的光子称为“泵浦光子”,把输出的光子对任意称为“信号光子”和“闲置光子”,这个光子对如果偏振方向相同,并与“泵浦光子”偏振方向垂直,就称为第一型关联(type I)。
做这样的设想,将Alice发送的光子作为泵浦光输入到第一型非线性晶体中,输出来的就是两个偏振方向全同的光子,并且与泵浦光偏振方向垂直,这意味着,假如Alice发送的量子密钥是bit 1,那么经过非线性晶体下转换处理后,出来的是一对包含bit 0 信息的光子,剩下的事情其实就是用什么检测基片把这个bit 0检测出来。既然已经有了两个相同偏振的光子,分别用BB84协议中用到的两个检测基检测就是了,测量结果取反就是实际发送的密钥信息,检测出来正确结果的基片,就是Alice发送密钥时使用的基片。
知道了Alice发送光子的偏振方向,再原样仿制出来一个同样偏振和频率的光子就是一件简单的事情。我们假设窃听者Eve具有Alice的完整能力,所以Alice能够做到的,Eve同样能够做到。经过这样的一番操作,看来不可克隆原理终究没有成为BB84协议宣称的金钟罩铁布衫。
这样的攻击方法发生在信道中,只是一种思想实验。事实上非线性晶体发生下转换的效率并不高,所以实际工程的可行性未必显著,但是材料和技术的进步会让这类的攻击变得具有威胁性,更重要的其实这种攻击方法启发了一个新的思路。
映射是一种非直接的检测方法,这是一个强大无比的武器。难道获取信息必须是信息本身吗?为什么不能是信息的映射?逻辑电路的开与关与逻辑信息中的0与1就是映射关系,没有说开必须对应1,关必须对应0,映射关系就是信息的本质。光子偏振方向偏转90度,信息仍然没有丢失,只是发生一次信息映射关系的转换而已。映射的关系可以很简单,也可以非常复杂,有了映射的思想,就跳出了通过直接检测进行安全性攻防的狭窄的小圈子,进入一个新的更加宽广的无限的物理世界。所有有关量子密码安全性证明,本质上都落入这个直接检测光子信息的陷阱中,所以表面上看起来合理的安全性证明,其实是因为思想被圈在一个非常有限的小圈子里。
映射关系展现的世界会有多广阔,没有人知道,这恰恰也是物理世界充满魅力的原因。我们相信这类的方法是无穷无尽的,其实金贤敏论文中提到的就是一种通过共振引出光子偏振信息的典型的映射攻击模式。
金贤敏实验的补充:
潘文中提出来用增加光隔离器的方式,就可以堵上金文提及的激光注入锁定方式的漏洞。
光隔离器发生作用的关键,其实是通过永磁铁产生的磁场。守方在光路中增加光隔离器用来堵住反向的注入光,对于攻方来说,反制的手段不过是让光隔离器失效而已,简单说就是消除光隔离器内部的磁场。
有两种方法做到这一点。
第一点就是高温消磁。所有永磁铁都有一个致命弱点,那就是在高温下会消磁,当代性能最好的钕铁硼磁铁,最高工作温度只有不到200度。将磁铁加温到这个温度是很低级的技术,要不要担心光隔离器里面的光学玻璃会因为这点温度发生变化?这些玻璃的熔点毕竟都在1000度以上,加热不会熔化,至于是否会有细微的影响,这么简单的补充实验现在就可以做,金贤敏完全可以把这个实验结果补充进论文的修改稿中。
另一个方法就是提供逆向的磁场,对冲永磁铁的磁场。这个方法要文雅很多,也略有些技术含量,但是仍然属于低技术的范畴。
孙子曰:“夫未战而庙算胜者,得算多也,未战而庙算不胜者,得算少也。多算胜,少算不胜,而况于无算呼?” 与数学方式的对攻一样,物理方式的对攻同样是道高一尺魔高一丈,引入的东西越多,其实在另一方面来说也意味着引入更多可被攻击的对象。潘文中权威发布的填补漏洞的方法,这里都能轻松提供两个破解的思路,全世界那么多聪明的人,一定会想到更多的着法。
永远不要低估潜在的对手,尤其你的对手假如是美欧日这类的科技大国。
标签 量子通信-
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- 责任编辑:孙武
- 最后更新: 2019-04-03 08:59:28
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